孔庆云
(北辰电气设备有限公司 225000)
摘 要：该文从我国城市配网的现状及发展趋势出发，阐述了10KV和20KV配电网开关设备的技术状况，对10kV升压为20kV的技术方案，从结构、经济、绝缘等方面进行了可行性分析。最后对20KV技术方案的研究和发展趋势提出了自己的看法。
关键词： 城市配网 开关设备 可行性
0 引言
城市电网随着城市的发展而不断扩大，城市电网的建设显得尤其重要。因此，作为城市最重要的基础设施之一，城市电网的建设必须满足城市建设的可持续发展的需求。自2007年开始，江苏省电力公司积极推广实施20kV电压供电。该文从10kV和20kV配电网主开关设备——开关柜和断路器的比较分析，对10kV升压为20kV的技术方案，进行了可行性分析。
1 现有10kV、20kV开关设备技术状况和结构分析
目前在10kV和20kV系统中，主要的开关设备是金属封闭开关设备(中置柜)和断路器。
1.1 10KV和20KV电压等级的开关设备绝缘水平：
电压等级空气净距(mm)工频耐压(kV)雷电冲击耐压(kV)
相间、相对地相对地断口相对地断口
10kV12542487584
20kV18050/(65)65/(79)95/(125)110/(145)
注：(1)括号外数据为中性点经低电阻接地系统，括号内数据为中性点经消弧线圈接地或不接地系统;
(2)20kV参照江苏省电力公司企业标准Q/GDW-10-315-2008。
1.2 柜体部分
10kV中置柜的外形尺寸要比20kV小一些，主要原因是绝缘距离的不同。具体尺寸如表1：
柜型外形尺寸(深×宽×高)
KYN28A-121500×800×2200
KYN28A-241900×1000×2400
表1：10kV和20kV出线柜外形尺寸
完全空气绝缘柜体宽度=铜排宽度(100mm)×3+相间净距×2+相对地净距×2，那么对于10kV，柜体宽度=(100×3+125×2+125×2)mm=800mm。所以10kV选择800mm的柜宽。同理，对于20kV，柜体宽度=(100×3+180×2+180×2)mm=1020mm。所以20kV选择1000mm柜宽也是比较合理的。
从产品可靠性角度来看，空气绝缘是最可靠的，只要保证不同相导体间，导体和对地之间的绝缘净距，绝缘是可以得到充分的保证。
图1：KYN28A-12开关设备结构示意图 图2： KYN28A-24开关设备结构示意图
从图1和图2开关柜结构图可以看出，由于10kV与20kV开关设备绝缘水平的差异，导致结构布置的不同。10kV中置柜母线穿墙套管垂直布置，可以满足125mm的绝缘净距的要求。而20kV中置柜必须采用1000的柜宽，同时穿墙套管呈L型排布，才能够满足180mm的绝缘净距的要求，柜体深度也相应地大于10kV中置柜。
1.3 断路器部分
基于绝缘的要求，10kV和20kV断路器外形尺寸特别是触臂的深度和爬电距离，差异较大。10kV断路器极柱上下出线间距为275mm，20kV断路器为了增大爬距，上下极间距为310mm，断路器的体积因此增大。
10kV断路器外爬距≥240mm，触臂长度较短，触臂外绝缘使用PBT套管即可达到要求。而20kV断路器外爬距要求≥480mm，必须将触臂长度加长，并且采用表面硫化涂覆的绝缘方式，厚度达到2mm以上，从而保证绝缘的可靠性。
图3：VBC-12/1250-31.5外形尺寸 图4：VBC-24/1250-31.5外形尺寸
1.4 其他元件
20kV 柜内所有的绝缘材料如母线套管、触头盒、支撑绝缘子由于电压等级的提高，必须加大爬距，因此外形尺寸变大。
图5：10kV触头盒外形尺寸 图6： 20kV触头盒外形尺寸
20kV柜内所装的器件如电流互感器、电压互感器、接地开关、避雷器等等，外形体积也比10kV的大很多。
2 参照10kV柜宽设计生产20kV柜体的可行性
2.1 800mm的柜体
10kV开关柜通常采用进线柜、联络柜1000mm，出线柜800mm的方案。如果在制造20kV开关柜时，也使用了这样的柜宽方案。那么，绝缘水平的不适应性便凸现出来。比如在工频耐压上，当系统中性点不接地时，此工频耐压值要明显高于国际标准和国家标准的50kV/1min，达到65kV/1min。由于800mm柜的空间限制，要达到这一要求，相对来讲比较困难。
为了满足上述的绝缘水平要求，一般在设计上除了均匀电场分布外，在绝缘隔离上要比1000mm宽开关柜加强，需要采用复合绝缘的方法(如图7)：
(1) 主母线和分支母线使用热缩套管包覆，或采用环氧树脂硫化。在母线边缘采用圆角过渡，并且在母线室的母线搭接部位安装圆弧形的均压件，使电场分布均匀。
(2) 在导体对地和相间安装SMC绝缘隔板。同时，考虑到电场中不同介质的场强梯度，在安装时要注意高压导体与绝缘隔板之间的 图7 空气间隙。
使用复合绝缘的方式，环境条件的影响特别要引起重视，或者说复合绝缘材料对环境因素要求更高了。开关柜运行的环境条件是导致开关柜发生绝缘闪络的主要原因之一，SMC绝缘板具有一定的吸湿性，受潮后绝缘性能会大大降低，表面积污严重，在潮湿天气，柜内湿度较高，引起绝缘表面结露而爬电或放电，击穿造成事故。
对于2000A以上的大电流柜型，一般都是用作进线柜或母联柜，考虑到温升的裕度，同时断路器一次导电部分的体积较大，厂家都选择了1000mm的柜宽，10kV和20kV在这一点上没有什么区别。但是需要提出，10kV/4000A的断路器配柜普遍采用风机强迫风冷的方式，20kV在3150A(固封极柱式)额定电流，基本上就需要风机散热了，否则温升控制有难度。
2.2 配套元器件
目前，针对1250A及以下的出线柜，制造厂已经能够提供配800mm柜宽的断路器，例如扬州北辰的VBC-24/1250-25型真空断路器。800mm的柜宽主要需解决的是断路器进柜后的绝缘配合问题，柜内的活门导轨部分要重新设计改进，以保证65kV/1min的工频耐压合格。
由于20kV电压等级的电压互感器、电流互感器、避雷器等元器件体积较大，在设计安装这些器件的时候，需要合理考虑柜内布置，否则又会对温升造成不良影响。
3 在现有10kV柜体上进行技术改造升级为20kV的可行性
3.1 结构上的改动
通常，断路器从试验位置到工作位置，10kV断路器手车的行程是200mm，20kV断路器手车的行程是300mm。如果在现有10kV柜体上进行改造，那么20kV手车的行程必须做到和10kV一致，柜体断路器手车室的深度才可以匹配，手车进出的导轨，活门机构才能够统一起来，除柜壳外，主要一次元器件和所有的绝缘件都要进行更换。具体改动主要有(如图8)：
(1) 触头盒的深度需要减小，总体来看静触头到其他导体或对地的爬电距离不能减小。
(2) 断路器触臂长度减小到和10kV断路器一样长，避免结构上出现干涉，使用目前可靠性较高的固封极柱式断路器。
(3) 断路器要改换成20kV，相应的手车闭锁机 图8
构部分需要重新调整。
对于柜内一些元器件，如接地开关，互感器等，由于安装孔位置的不同，目前市场上还没有完全满足要求的产品。
3.2 绝缘上的加强
柜体内部绝缘同样需要采用复合绝缘的方式，由于10kV柜体的深度较小、空间较小，复合绝缘材料的使用将会大大增加，导电铜排需重新加工。
3.3 经济性分析
以一台10kV开关柜(含断路器)十四万元计算，整个开关柜壳体的成本不到成套开关柜的十分之一，约在一万四千元左右。在现场进行改造，所消耗的人力、物力及时间，可能会超过重新生产一台开关柜壳体的费用及工期。即使能完成的话，其可靠性也有待进行验证。
4 结束语
综上所述，在现有变电所10kV柜体基础上，进行技术改造成20kV开关柜。需更换除柜壳外所有的零部件，不仅改造后运行的可靠性有待验证，从经济性角度来看既不经济也不十分合理。按照1000mm的柜宽设计制造20kV开关柜，是符合标准规定的相关技术要求的。从产品长期运行来看，绝缘的可靠性得到了充分的保证。因此，从10KV提升到20KV，无论从技术上、经济上等方面，都合乎电网发展的趋势和要求。
作者简介：孔庆云，女，(1979-),主要从事开关设备管理工作。
参考文献：
[1] 王季梅，真空开关[M]，北京：机械工业出版社，1983.
[2] S Giere, Dielectric Strength of Double and Single-break Vacumm Interrupters[J]. IEEE Trans. on EI, 2001, 8(1): 43-47