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12kV／4000A大电流自冷式真空断路器及开关柜开发及系统内应用

1.引言

随着我国经济的发展，中心城市的电力需求增长迅速，现电力系统内新上

110kV变电站的主变压量容量一般都为50000kVA，对城市中心变容量升到

63000kVA，同时发电厂的单机容量也大幅提高。现电力系统要求主变过载能力

为额定电流的1.6倍，按理论计算10kV侧额定电流已达到了4400A，而现在市

场上4000A开关柜都是在原3150A开关柜基础上在断路器室及母线室加装风机

来实现的，而风机在实际运行中很不可够，损坏了也不易发现，在使用中存在很

大的安全隐患。为此研发自冷式4000A真空断路器及配套开关柜产品为电力系

统安全、可靠运行有着很积级意义。

根据市场调查开发出真正自冷式真空断路器及开关柜，以取代现市场上采用

加风机实现4000A产品，使产品品质达到国内领先水平，取代现大电流产品为

原装进口，外国大公司垄断局面，并降低压价格产品价格。

2.现大电流开关柜主要存在问题

2.1温升超标问题

随着电网的发展和设备技术的提高，12kV，40.5kV系统中置式开关柜在电

网中已大量使用。而开关柜的内部过热现象已成为开关柜使用中的常见问题，特

别是对大电流开关柜发热问题更为严重，由于开关柜体的密闭性，在一些负荷较

重的地区，存在开关柜的温升超标问题。开关柜的温升超标，直接影响设备的安

全稳定运行，而且，过热问题是一个不断发展的过程，如果不加以控制，过热程

度会不断加剧，并对绝缘件的性能及设备寿命产生很大的影响。

温升超标主要造成原因：

（1）选用导体载流面积达不到要求，选用的导体材料电导率不满足要求，

多数属于导体原材料纯度不够；

（2）断路器设计不能满足额定电流运行要求；

（3）柜体结构不合理，没有考虑散热通道，涡流效应造成发热；

（4）现场的其它因素，比如可能存在安装检修工艺不当，如母线在加工、

连接、安装过程中，对母线接触表面处理不到位、不平整、不光滑、没有涂专用

电力脂等，导致有效接触面积减少接触电阻增大而发热。

2.2现大电流断路器与开关柜配套问题

现国内及各合资厂生产的大电流断路器如要求额定电流为4000A，都明确注

明要求在断路器及开关柜适当位置加装风机才能满足，而真正自冷实现4000A

断路器都为进口产品，价格非常昂贵，如西门子公司3AH5大电流断路器。由于

在国内没有真正意义上自冷式4000A断路器从而制约了大电流开关柜发展，造

成了发热问题一直是电力系统设备的安全运行难题。

2.3开关柜结构设计不合理

现系统中使用的一般为金属铠装式开关柜（俗称中置柜），该类型大电流开

关柜虽然对通风、散热在结构上作了些考虑，但不够完善。动、静触头连接及静

触头与主母排连接不可靠，造成易发热；

3.自冷式断路器开发特点

3.1断路器机构配套的开关柜体采用自冷式构造，运用专有的风道设计，最

大限度的提高柜体自身的冷却能力。

3.2真空灭弧室通过电磁场解析设计，应用电弧扩散和集聚的关系，提高真

空灭弧室各项性能，使其在考虑自身体积小的前提下达到大爬距、小电阻、高开

断性能，额定电流达4000A，开断额定短路电流达50kA，并且保证在满负荷运

行中产生最小的发热量。

3.3通过对超高压断路器导电滑原理的研究，结合中压断路器的特点，设计

出适合中压使用的低摩擦阻力的导电滑结构。有效的保证断路器合闸和分闸具有

足够的速度且特性稳定。

3.4断路器主回路通过分析、研发解决了过热问题。带有专制散热片的断路

器在满负荷时也不需要诸如风扇这样复杂的冷却设备且散热性能良好稳定。

3.5断路器操作机构采用过渡现象的解析设计，减少噪音，增强了断路器的

动作可靠性。

3.6根据开关的梅花触头设计，采用两种不同触指，这样不仅减小了推进力，

又使得梅花触头的各个触点有效接触，增强了接触可靠性。

3.7绝缘采用BMC材料进行各项配方制作，经过验证试验，各项指标均优

于目前国内通常采用的环氧树脂材料，绝缘性能和机械性能更好。

4.配套开关柜设计

开关柜采用自然换气式原理，采用了大量的不锈钢板

4.1对开关柜结构进行了改进，增加了散热通道，合理的热流传导设计

开关柜结构设计采用铠装式设计，分断路器室、母线室、电缆室、仪表室等，

各个隔室间用金属板隔开，隔室间防护等级达到IP20。开关