10Kv高压开关设备电气性能介绍.ppt

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1、10kV高压交流金属封闭开关设备技术性能介绍,一、产品应用领域及范围,矿 山,大型电厂,工 业,制造业,地 铁,住宅小区,市政建设,变配电,二、产品使用环境条件,产品使用环境条件 适用于无滴水、蒸汽、可燃性气体及粉尘、火灾、爆炸危险、化学腐蚀及剧烈震动的场所； 温度：环境温度不高于40，不低于-15（允许在-30时储运）； 相对湿度：日平均值不超过95，月平均值不超过90； 水蒸气压力：日平均值不超过2.2kPa，月平均值不超过1.8kPa； 地震烈度：地震强度不超过8度； 海拔高度：海拔高度不超过2000米；,内 蒙 宁夏 甘肃 新疆,三、产品遵循的标准,产品遵循的标准 适用的国际标准：IE

2、C62271-200:2001；（IEC:国际电工委员会） 适用的国家标准：GB3906-2006; 适用的行业标准：DL/T404等；,四、产品主要技术指标（电气特性/机械特性）,注：进行绝缘水平试验是在特环室内进行，试验全过程中室内大气压与海拔2000米气压相同。, 卓越的电气（机械）特性满足用户对开关设备的高期望； 全面完整的试验论证满足客户的对产品的性能要求； 符合中国及世界工业化国家的标准要求； 先进的试验及工装设备为产品的质量提供强有力的保障； 独有专利技术的应用使产品保持长期的先进性和优越性； 拥有强大的技术研发、售后团队为产品应用提供支持；,五、产品技术优势,六、产品关键技术特

3、征（短时与峰值耐受能力）, 按照短路电流严酷条件下，开关设备主回路及接地回路所表现出的“电动力”和“热效应”对各关键部件、元器件的影响进行分析和效验，保证产品在额定短时耐受电流(40kA/4s)和额定峰值(100kA)耐受电流下的适应能力；,额定峰值耐受电流（IP）是指在规定的使用条件和性能条件下，开关设备或控制设备在合闸位置所能承载的额定短时耐受电流第一个半波的峰值，反映了开关设备承受短路电流电动力效应的能力，也称为动稳定电流。在动稳定电流下（tP0.3s)不能因电动力作用而损坏电力元器件和载流导体等。额定短时耐受电流（IK）也是表征开关设备通过短时电流能力的参数，是指在规定的使用条件和性能

4、条件下，在规定的短时间内，开关设备或控制设备在合闸位置所能承载的电流的周期分量有效值，但它反映开关设备承受短路电流热效应的能力，也把它就做热稳定电流。,额定峰值耐受电流与额定短时耐受电流的关系为： IP = 2.55 * Ik,六、产品关键技术特征（内部电弧故障）, 发生内部电弧故障时,在极短的时间内和处于密闭的环境下,电弧的内部能量没有辐射、对流和热传导的交换形式,因而,其巨大的能量释放过程是以气体爆炸方式表现的,可导致设计不当的开关设备柜门、柜体爆裂,破损的零件高速飞出柜体并伴随火焰喷出,由此破坏了相邻的设备,甚至造成严重人身事故.,在估算开关柜内气压变化的基础上计算柜体机械结构强度是最为

5、科学的柜体设计验证依据。IEC60298标准中对开关柜内部电弧故障的试验判据为： 判据1：门和盖仍应关闭。若没有任何部分抵达指示器或墙壁，可接受有变形。其附加条件是，如果设备在安装与试验时需要更靠近墙壁时，其永外性变形应小于规定的对墙壁距离，而且喷出的气体不得朝向墙壁; 判据2：试验期间，壳体不得出现破裂;不得有单重至60g的物体飞出; 判据3：在直至2m高度处，可自由接近的壳体外部，不得烧穿成孔洞; 判据4：指示器不得受热而点燃(垂直和水平指示器包括在一个判据内); 判据5：接地连接仍然有效。检验通过目检，必要时(怀疑时)通过测量。 同时规定：对于内部电弧级开关设备和控制设备(IAC)，其内

6、部电弧试验为必试的型式试验项目，试验电流为额定短时耐受电流，试验持续时间为0.5s或1s，分别在不同封闭隔室内进行引弧。,断路器室电弧故障示意图,六、产品关键技术特征（核心部件的开断能力）, 核心元器件断路器是针对开断短路电流直流分量的严酷度作了设计与论证，从产品的工艺和技术角度做了全面改善，能从容的开断高达含有52%以上的直流分量与额定短路电流交流分量共同叠加的短路电流；,从原理分析：开断在电流过零时熄弧，然后重燃，而由于存在有直流分量则使电流没有过零点，因而熄弧更困难，对开关设备的开断考核就更严格。而实际电网中，开断短路电流时直流分量是必然存在的，直流分量将对称的工频交流正旋波的理论零线偏

7、移了短路电流有效值百分量的距离，正旋波变成了非对称，使得开断短路电流的电弧能量更大，不易熄弧。,短路关合与开断中直流分量百分量的确定：IDC / IAC*100= （ONOM） / MN*100,六、产品关键技术特征（1.1倍温升抑制）, 温升是伴随着开关设备应用的海拔高度增加而显现，也不可避免。在设计中一方面通过理论研究和模拟仿真对产品的关键工艺做改善，另一方面通过物理样机的型式试验来验证，使得在温升抑制（1.1倍）方面性能稳定。,【发热源分析】,【散热分析】,1.1倍温升型式试验样机 试验指标：【1k/H】,【结论】：发热源于开关设备内导电回路电阻增大、导体中电流产生的感应发热、以及核心部

8、件真空断路器固封机构带来的热传导造成。解决方向为： （1）核心部件真空断路器温升抑制； （2）导体材料和规格的选择； （3）导体穿越部分非磁性材料的选择； （4）柜内散热措施和通道的设计；,六、产品关键技术特征（复合绝缘）, 采用材料隔离及导体硫化等复合绝缘屏障技术，且在导体材料和工艺方面特别处理，外绝缘性能好，可以适用于2000米及以下高海拔环境；,绝缘热缩套,屏蔽套管,绝缘材料,导体圆角工艺,T2铜排硫化,固封极柱真空断路器,采用导体硫化加复合绝缘材料屏障隔离的方法，解决了产品的绝缘问题。标准大气压下，硫化材料的绝缘性能是空气绝缘的5-6倍，但考虑高海拔地区气压和空气密度随海拔高度的增加而

9、减小，以及空气湿度和温度昼夜变化较大的特点，产品在导体间还设计了： 复合材料，增大了爬电距离； 采用大曲率R角导体，使导体电场分布均匀； 提高了电极的表面光洁度，将电极上的棱角、毛刺、锐缘等出去，消除局部场强；,七、产品关键技术实施方案,概 述： 高压开关设备的短时耐受与峰值耐受能力是考核电器元件在实际运行中，当电路发生故障时是否能耐受短路电流所产生的电动力效应和热效应的一种模拟性试验，它既不接通试验电流也不分断试验电流。又因为短路电流所产生的“电动力”和“热效应”对开关设备的破坏是起同时综合作用的，因此交流动、热稳定试验是作为一个试验项目进行考核的。,技术设计方案： 开关设备动、热稳定的设计

10、与确定； 导体的选择与效验； 绝缘支撑的设计方案； 技术验证方案： 动、热稳定性型式试验,八、产品关键技术实施方案,动稳定与热稳定从定义上来看, 都是对开头设备进行短路电流校验, 实际上一个是以短路时的稳态电流来校验的, 一个是以短路时流过的冲击电流来校验的, 两者的短路电流指标是有很大差异的。热稳定电流电流时间在标准中亦有规定。,热稳定电流（即额定短时耐受电流Ik)值在GBT11022中有明确的规定，也给出相应的计算公式与示波图形（左图）、以及选取的标准值，表明“应当从GB762中规定的R10系列中选取，并应等于开断设备和控制设备额定短路定值（25、31.5、40kA).,【热稳定电流的选择

11、】,GB/T762-2002(Ik的标准值）,八、产品关键技术实施方案,动稳定电流（即额定峰值耐受电流IP)是以三相短路电流的第一个周波的全电流值作为效验值，通流时间标准要求不得小于300mS.,三相动稳定试验是按冲击电流来校验的，且三相电流的交流分量尽可能相等，通流时间t要求不得小于0.3s。动稳定试验电流的大小按照标准要求为三相周期分量有效值的2.55倍来计算，那么以VL12-12/T1250-25kA真空断路器来计算，把其有效开断电流值作为短路电流计算极限值（实际选用开断25kA的真空断路器其短路计算电流会小于25kA),那么其三相短路动稳定电流（即三相短路电流第一周波内的全电流值，见图

12、中If),为： If= 2.55*25kA=63.75kA (1) 即：对于开断短路电流为25kA的真空断路器，其动稳定试验电流值应为63kA.,【动稳定电流峰值的确定】,开关设备中的导体和元器件有电流通过时，必然有热效应和力效应同时作用，尤其是在有短路电流发生，而开关设备处于继保采样、处理、下放动作权限和真空断路器固有分闸时间的一个区间段内，开关设备必须能稳定承受短路电流的所带来的热效应和力效应。一般短路电流持续时间为0.055秒左右，导体内产生的热量来不及扩散，可视为绝热过程。,八、产品关键技术实施方案,根据GB3906-2006附录D中根据短时持续电流的热效应计算裸导体的横截面积的方法提

13、供的“计算承受电流持续时间为0.2s-5s的热效应的裸导体的横截面积公式来验证设计导体结果。具体的导体选择步骤如下： （1）按照1.1倍额定电流值在导体安全载流量选择合适规格导体； （2）按照工业与民业配电设计手册中校准在环境温度在40度的时实际载流量； （3）按照左侧的公式来效验导体截面积； 最终确定了ASL系列高压交流金属封闭开关设备根据不同电流等级选用如下表所示各规格的矩形硬铜母线。,【导体的选择与效验】,【自GB3906附录D】,S:导体横截面积（mm2); I:电流有效值（A); a:材质系数，以A/mm2表示，其 中铜为13. t:电流通过时间（t); :温升（K )，对于裸导体一

14、般取180k,对于时间在2-5s之间的一般取215K;,母线的短路动稳定校验要求母线系统在短路持续时间内能够承受因短路电流而产生的最大应力的作用。母线短路动稳定校验的要求包括： 计算短路电流通过硬母线时产生的最大应力； 根据最大应力(机械强度)确定允许的最大跨距； 根据机械共振条件校验硬母线跨距。,八、产品关键技术实施方案,【导体的选择与效验】,【自工厂配电设计手册】,Iy：实际环境温度为时的导体允许电流，A； Iy ： 计算环境温度为0时的导体允许电流，A； y ：导体长期发热允许温度， ： 实际环境温度，； 0： 计算环境温度，；,不同环温下导体载流量的换算方法,工业与民用配电设计手册（第

15、三版）”中的推荐的铜母线允许短路冲击电流,八、产品关键技术实施方案,【导体的选择与效验】,注：开关设备内电器的选择与效验与导体选择与效验的步骤一致，方法略。,八、产品关键技术实施方案,概 述：发生内部电弧故障时,在极短的时间内和处于密闭的环境下,电弧的内部能量没有辐射、对流和热传导的交换形式,因而,其巨大的能量释放过程是以气体爆炸方式表现的,可导致设计不当的开关设备柜门、柜体爆裂,破损的零件高速飞出柜体并伴随火焰喷出,由此破坏了相邻的设备,甚至造成严重人身事故.,技术设计方案： 内部电弧级开关设备（IAC)； 故障电弧的效应、产生阶段与防护； 电弧能力及产生的压力与柜体设计的分析； 压力释放装

16、置； 技术验证方案： 燃弧试验；,开关设备内部电弧示意图,八、产品关键技术实施方案,ASL系列高压交流金属封闭开关设备的内部电弧故障水平是：IAC级 A FLR 31.5kA,0.5s ,其所包含的内容如下：,“IAC”级：内部电弧等级的英文缩写； “A”：可触及性； A类-仅限于授权的人员； B类-不受限制，包括一般公众； C类-接触不到设备的可触及性（针对柱上开关设备）； “F”:开关设备外壳的不同侧面； F - 前面； L - 侧面； R - 后面； “31.5kA/0.5s”:内部电弧电流有效值为31.5kA,时间为0.5s;,【内部电弧级开关设备IAC】,八、产品关键技术实施方案,内

17、部故障电弧能量很大，如在一条短时耐受电流为25 kA 和电弧电压约为600 V 的10 kV 电力系统中，电弧释放的能量为20.5 MJ。这个能量可使15.6 L 的水在1 s 内蒸发，或使42 kg 的铁在1 s 内熔化。故障电弧产生有4个阶段（如下所述）；故障电弧的防护分积极防护和消极防护。前者防止电弧的产生，后者限制电弧的负面效应。,【故障电弧产生阶段】 第一阶段为压缩阶段，在最初 515 ms 的温度上升，产生动态压力流。 第二阶段为膨胀阶段，即在短暂的 515 ms 内，因燃弧区和周围空气之间有压力差，开始产生气流。 第三阶段为排放阶段。由于电弧能量继续输入燃弧点，产生空气流和微粒流

18、。 第四阶段为热效应阶段，最终包围短路电弧的空气几乎达到电弧的温度。在热效应阶段，有可能烧穿开关设备。,【故障电弧的效应、产生阶段和防护】,【故障电弧的防护】 积极防护：采用耐弧绝缘材料，设立隔室和隔板；有足够的导体间距离、空气和爬电距离；采取过电压保护；防止误操作，设计电气和机械联锁主动防御；进行人员培训。 消极防护：空间限制，使用耐压和耐热的材料，开关设备总体按耐压强度和耐热性设计；限制电弧能量，通过带短路装置的故障电弧防护装置限制电弧持续时间，或通过限流器限制电弧的能量。,八、产品关键技术实施方案,【电弧能力与柜体设计的分析】,【电弧能量及产生压力的计算】空气中开放性的电弧能量W 按下式

19、计算： W = 0tt0 Im sin (t +)*ua*dt 式中: t1 是燃弧持续时间,内部电弧故障试验均取t1 = 0.5-1 s ; Im 是电弧电流的幅值； ua 是弧压降的函数形式,它表示在实际中由于等离子体的密度受到空气流动、回路电动力作用大小的不同、弧长或起弧部位的差异等随机因素的影响,因此不可能是一个定值,即在弧压降计算式ua = El 中,电弧的电位梯度E 和弧长l 都不是常数。但对于开关柜而言,由于空气绝缘的限定尺寸,容易发生故障电弧的空间距离大都在2030 cm 之间。考虑电弧伸长现象可能发生相- 地电弧时的最大距离为40 cm ,所以,为安全起见,取l = 40 c

20、m ,选取大电流部分的平均值E = 13 VPcm1 ,于是,ua = 520 V。又因为开关柜的各个隔室是相互密封的,在其压力释放装置动作前或在其结构破坏前,弧柱所在的隔室可视为密闭容器,因此,可按气态方程计算。 已知ASL11-12型开关柜, 断路器室容积V = 9. 15 105 cm3 ,标准状态下的空气密度 = 1. 293 10-3gPcm3 ,热容量c = 0. 237 CalP(g) ,电弧电流I为25kA,31. 5 kA和40 kA ,燃烧0.5 s 时产生的各种物理效应的数值如左表所示：,电弧燃烧0.5s时产生的物理效应,八、产品关键技术实施方案,【电弧能力与柜体设计的分

21、析】,电弧燃烧产生的数十个大气压将在柜内发生爆炸冲波。因为冲波行进到柜内不同的部位需要不同的时延,所以各处受力随时间的变化规律为p = k ( t +tv) 的形式。一般, tv 不会很大,例如在真空断路器的三相上触头处试验, 引弧点到柜门的距离是0. 52 m ,冲波需经历tv = 0. 265 ms。开关柜顶部设置压力释放装置的目的是当该处受到的压力达到其临界机械强度时,装置立即开启排气,使柜内气压迅速下降到符合一定安全的要求。装置的这一动作存在一响应时间ts ,它的大小与装置的结构有关。这样,可以在根据p = kt 绘制的曲线上,与释压折板破坏强度交点对应的时间,再加上ts ,查得一个压

22、力值,该值用于校验柜体的基本强度,并据此校验隔室钢板厚度,设计开关柜门铰链以及门栓的强度。,八、产品关键技术实施方案,高压交流金属封闭开关设备委托西高所进行燃弧试验，分别在样机的母线室、电缆室、断路器室进行了引弧，试验结果完全符合5个判据的要求，内部电弧故障水平为 IAC A FLR 31.5kA/0.5s.,【燃弧型式试验验证】,判据4所述的指示器,样机在燃弧试验,经过反复的设计、仿真与样机试制。在西高所容量试验过程中，经过T10、T30、T60、T100s、T100a、OP1、OP2、CC1、CC2、异相接地等几十项严酷考核，未出现开断和其他异常情况。,八、产品关键技术实施方案,【容量开断

23、型式试验】,0ms 0.8ms 1.6ms 2.4ms 3.2ms 4ms,4.8ms 5.6ms 6.4ms 7.2ms 8ms 8.8ms,图为用高速摄像机拍摄的物理样机的熄弧过程（8.8ms熄弧完成）,八、产品关键技术实施方案,【技术方案验证】 程序,一、试验回路原理：,二、试验描述（Test arrangement）： 1、试验电流（test current）： 1.14000A，50Hz。 2、试验在户内进行，风速0.5m/s，试品三相试验。 3、温升测量部位见温升测量点示意图。 4、试验连接母线：首端：宽120mm 厚12mm 长 2m铜排3根；末端短接。 5、试验时，2台风机处于

24、运行状态。1台安装于电缆室，1台安装于断路器室底板。 三、试验结论(Test Results)：1.14000A温升试验通过（Passed）。,VR（ voltage regular）：调压器 CT（ current transformer）：电流互感器 T（ transformer）：升流器 TO（ test object）：试品,八、产品关键技术实施方案,高压交流金属封闭开关设备经过严酷的型式试验后，安标准要求进行检查，其防护等级达到IP4X/2X。,【防护等级水平】,防护等级代码表达的含义,第一个数字代表防止固体进入 0-无防护 1-防止直径大于50mm固体进入 2-防止直径大于12.5mm固体进入 3-防止直径大于2.5mm固体进入 4-防止直径大于1mm固体进入 5-防尘(无有害沉积) 6-完全防尘,第二 个数字代表防止水进入 0-无防护 1-防止垂直滴水 2-防止垂直方向15范围内滴水 3-防止垂直方向60范围内淋水 4-防止各个方向的喷水 5-防止各个方向的强烈喷水 6-防止浸水 7-防止持续浸水,