根據運行可靠、維護方便、技術先進、經濟合理的原則,要求成套電氣設備具有良好的電氣 性能、絕緣性能和機械性能,并且動作靈敏,工作可靠性高,既能滿足正常運行條件下的長 期發熱要求,又能承受短路電流所產生的機械應力和高溫作用,即能滿足動穩定和熱穩定的 要求。此外,應能保證設備操作、維護和檢修的方便,以及保證操作人員的人身安全。
成套電氣設備是由各種電器元件構成的,但其技術特點和要求與電器元件在諸多方面是不同的,有其特殊性。本節就成套電氣設備的基本技術要求進行概括性的闡述。
一、 標準化
成套電氣設備設計、制造以及用戶訂貨的基本技術依據就是相應的技術標準。各種類別的成套電氣設備均有其相應的國際標準(如IEC標準)、國家標準(GB)以及行業標準。成套電氣設備的行業標準包括電力行業標準(DL)和機械行業標準(JB)。
低壓成套開關設備的有關標準
(1) GB 7251—1997《低壓成套開關設備和控制設備》(等效于IEC 439)
(2) IEC 439: 1992《低壓成套開關設備和控制設備》
(3) JB/T 9661—1999《低壓抽出式成套開關設備》
(4) JB/T 5877—1991《低壓固定式成套開關設備》
高壓開關柜的有關標準
(1) GB 3906—1991《3?35kV交流金屬封閉開關設備》(等效于IEC 298)
(2) IEC298: 1990《IkV以上52kV以下交流金屬封閉開關設備和控制設備》
(3) DL/T 404—1997《戶內交流高壓開關柜訂貨技術條件》
(4) SD 318-1989《高壓開關柜閉鎖裝置技術條件》(能源部標準)
GIS的有關標準
(1) GB 7674《72.5kV及以上氣體絕緣金屬封閉開關設備》(等效于IEC 517)
(2) IEC 517: 1990 <72.5kV及以上氣體絕緣金屬封閉開關設備》
(3) DL/T 617—1997《氣體絕緣金屬封閉開關設備技術條件》
預裝式變電站的有關標準
(1) GB/T 17467—1998《高壓/低壓預裝式變電站》(等效于IEC 1330)
(2) IEC 1330: 1995《高壓/低壓預裝式變電站》
二、 外殼防護
成套電氣設備外殼的基本作用是防護和支承。作為支承件,它必須具有足夠的機械強度和剛度,保證裝置的整體穩固性,特別是在內部故障條件下,不能出現變形或折斷,避免擴大故障。防護作用則包含以下幾個方面:
1) 防止人體觸及或接近外殼內部的帶電部分和觸及運動部件,防止固體異物進入外殼內部。
2) 防止水進入外殼內部達到有害程度。
3) 防止外部因素(如小動物侵入、氣候和環境因素等)影響內部設備。
4) 防止設備受到意外的機械沖擊。
各種成套電氣設備應達到相應的防護等級。國家標準GB 11022對電氣設備防護等級作出了 具體規定,見表1-2。
三、絕緣配合
絕緣配合是成套電氣設備設計與制造中一個非常重要的問題。對我國電力系統6 ~ 10kV高壓開關柜在1989 - 1992年期間發生的事故統計結果表明,開關柜在運行中發生的事故大致包括絕緣事故、拒分事故、拒合事故、載流事故等,其中拒分事故占開關柜事故總次數的 32.4%,絕緣事故占18.1%。在絕緣事故中,外絕緣對地閃絡、擊穿事故居首位。成套電氣設備的絕緣事故較多,特別在潮濕(出現凝露)、塵土較多的場所工作時,問題更為突出。為了保證成套電氣設備運行的安全可靠,絕緣配合至關重要。
(一)絕緣配合的有關概念
絕緣配合 絕緣配合是指根據電氣設備的使用條件及周圍環境來選擇電氣設備的電氣絕緣特性,主要是根據電氣設備的使用條件、周圍環境和絕緣材料來確定電氣設備的電氣間隙和爬電距離。絕緣配合的“三要素”是:設備的使用條件、設備的使用環境、絕緣材料的選用。絕緣配合的目標是保證電氣設備的絕緣性能在規定的使用條件及環境條件下,能達 到設計的期望壽命。
額定絕緣電壓在規定條件下,用來度量電器及其部件的不同電位部分的絕緣強 度、電氣間隙和爬電距離的標準電壓值。額定絕緣電壓即電器的最高工作電壓(額定電壓), 如 3.6kV、7.2kV、12kV、4O.5kV、72.5kV、126kV、252kV、363kV、550kVo
外絕緣空氣間隙及電氣設備固體絕緣的外露表面。外絕緣要承受大氣、污穢、濕 度、小動物等外界條件的影響。
電氣間隙電器的導電部件之間的最短空間距離。
對地電氣間隙電器的任何導電部件與任何接地的或可能要接地的靜止和運動中的部件間的電氣間隙。
爬電距離電器中具有電位差的相鄰兩帶電部件之間沿絕緣體表面的最短距離。
爬電比距 電氣設備外絕緣的爬電距離與電氣設備的額定電壓(最高電壓)之比。
(二)成套電氣設備的絕緣性能要求
為保證成套電氣設備具有良好的絕緣性能,電力部門對成套電氣設備外殼內的絕緣距離和絕緣件外絕緣的爬電比距作出了明確的規定。
對于高壓開關柜,最普遍的是以空氣作為柜內空間的絕緣介質,即帶電體對地及相間以空氣作為絕緣介質。對于單純以大氣作為絕緣介質的高壓開關柜,柜內各相帶電體的相間和相對地間的(簡稱凈距)不得小于表1-3中規定的數值。
內部充以SF6氣體作為帶電體對地及相間絕緣的充氣柜是一種特別適應環境條件惡劣場所的開關柜,因為殼體封閉,排除了外界環境的影響,極大地提高了安全可靠性。
對于低壓成套開關設備的絕緣配合問題,近年來也引起了高度重視。對于低壓成套設備的絕緣配合,IEC439國際標準從過電壓類別、污染等級、材料的CTI值(絕緣材料的相比漏電起痕指數)之間的關系明確規定了電氣間隙和爬電距離與試驗的工頻耐壓和沖擊耐壓。漏電起痕(tracking)是指固體絕緣材料表面在電場和電解液的聯合作用下逐漸形成導電通路的過程。相比漏電起痕指數(comparative tracking index, CTI)是指固體絕緣材料能經受住50滴試液而沒有形成漏電痕跡的最高電壓數值。
等效采用IEG947—1 (1998年第1版)的GB/T14O48.1《低壓開關設備與控制設備總則》 強調了系統的絕緣配合。低壓電器用于電源系統的條件為:電器的額定絕緣電壓應高于或等 于電源系統的額定電壓。
關于爬電距離,GB/T 14048.1規定:電器的最小爬電距離與額定絕緣電壓(或實際工作 電壓)、電器產品使用場所的污染等級以及產品本身使用的絕緣材料的性質有關。例如,額定絕緣電壓為660 ( 690) V,污染等級為3,產品使用的絕緣材料組別為眠(175≤ CTI< 400),最小爬電距離為10mm。如果電氣產品的電氣間隙和爬電距離達到絕緣配合要求,就不會因為外來過電壓或線路設備本身的操作過電壓造成電器的介質電擊穿。
四、 “五防”
長期以來,電力運行部門時有誤操作事故發生。統計表明,帶負荷拉、合隔離開關,誤分誤合斷路器,帶電掛接地線(即往帶電母線或設備主回路上掛接地線),帶接地線合隔離開關(即在母線或設備接地時合隔離開關),工作人員誤入帶電間隔是最容易出現、危害也最大的五種誤操作。因此,對開關設備要設置可靠的聯鎖和閉鎖裝置,以保證操作程序的正確性和防止以上五種誤操作。這就是所謂的“五防”,即:
1) 防止帶負荷分、合隔離開關。
2) 防止誤分、誤合斷路器、負荷開關和接觸器。
3) 防止接地開關處在合閘位置時或帶接地線關合斷路器、負荷開關等。
4) 防止帶電時掛接地線或合接地開關。
5) 防止誤入帶電間隔。
常用的聯鎖裝置可分為兩大類:
(1) 機械類 包括機械聯鎖裝置、程序鎖和鑰匙盒聯鎖裝置等。
(2) 電氣類包括電氣聯鎖、電磁鎖和高壓帶電顯示裝置等。
五、 導電回路的發熱問題
高、低壓開關柜等成套電氣設備的導電回路是通過導體(母排)連接隔離開關(或隔離觸頭)、斷路器、電流互感器等一次電器元件而構成的。導電回路電阻除了一次電器元件的電 阻外,還包括載流導體(母排)本身的電阻和各接點的接觸電阻。當成套電氣設備工作時,電流流過各接點和母排而產生電阻損耗。這種損耗全部變為熱能,一部分散失到周圍空氣中;另一部分則對母排和接點加熱,使其溫度升高。
開關柜中的電接觸包括固定接觸和可分接觸兩種。除了移開式高壓開關柜和抽出式低壓開關柜的一次隔離觸頭是可分接觸外,其他接點均為固定接觸。對開關柜中電接觸的主要要求是:
1) 在長期工作中,要求電接觸在長期通過額定電流時,溫升不超過一定數值;接觸電阻要求穩定。
2) 對于一次隔離觸頭,在短時通過短路電流時,要求電接觸不發生熔焊或觸頭材料的噴濺等。
開關柜中的熱源主要來自三個方面:母排、接點和電器元件。當開關柜運行時,其上各 部位的溫度均不能超過允許值。
表1 - 5是有關的IEC出版物提供的開關柜每一部件(位)允許的溫升極限。
六、內部故障
由于金屬封閉開關設備柜內元器件的缺陷,或由于工作場所的環境特別惡劣引起的絕緣事故,可能導致柜體隔室內出現電弧,稱為內部故障。出現內部故障時,首先要保證人身的安全,其次還要使內部電弧限制在盡可能小的范圍內不致波及附近的其他部分。當然,最重要的是避免內部故障的發生。
當金屬封閉開關設備內的母線短路時,電弧釋放的能量加熱氣體,使氣體壓力升高;其 次,電弧在回路電動力的作用下從母線的電源側向負荷側運動。如果隔室或柜體間密封不嚴,被加熱和游離的氣體還會擴散到其他部分使事故范圍不斷擴大,嚴重時還會波及到整組 的金屬封閉開關設備,即所謂的“火燒連營”。
金屬封閉開關設備的內部故障問題日益受到重視。目前,主要是通過以下措施來對內部 故障進行防護:設立壓力釋放活門;選擇合適的電纜室尺寸,避免電纜交叉連接;采用絕緣 封閉母線;完善聯鎖機構等。壓力釋放活門用于萬一發生內部故障時,盡快地抑制故障,快 速、安全地排出高溫氣體及燃燒微粒,并把電弧故障的內部效應限制在內部隔室內,不致因 燃弧或其他效應在外殼上造成穿孔和破壞接地系統。
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