优化高低压成套开关设备的电气设计分析

优化高低压成套开关设备的电气设计分析

孙守清

南京大全电气有限公司 江苏南京 210000

摘要：随着我国信息化、工业化发展进程的不断深入，电气设备在各个行业领域的应用愈发广泛。高低压成套开关设备作为电力系统中控制和保护电路的重要电气设备，其应用效能对于社会生产和人民生活具有重要的影响。因此，本文将简要阐述高低压成套开关设备的主要特征并结合其电气设计现状，从电路、性能、功能三个层面分析高低压成套开关设备电气设计的优化方向，以期有效提升高低压成套开关设备的应用效能，发挥出更大应用价值。

关键词：电力系统；高低压成套开关设备；电气设计

高低压成套开关设备也称为高低压开关柜，是以断路器为核心元件，根据电气一次主接线图的具体设计要求，将测量电器、控制电器、保护电器、绝缘子、载流导体、母线等元件，按照一定排布方式装配到金属柜体内，实现接收和分配电能功能的整体性电气装置，是电力系统的重要组成部分。因此，随着时代的进步，分析高低压成套开关设备电气设计的优化方向，提高其应用效能，使其更加满足人们不断提高的使用需求，对于促进我国电力设备制造行业发展具有重要的意义。

一、目前我国高低压成套开关设备的主要特征

高低压成套开关设备是输配电系统中重要的电气设备，通常处于恶劣的运行环境中，外部环境温度的大幅度变化会对设备内部各类电气元件的性能和运行状态产生直接的影响，因此，测温装置是开关设备控制系统的核心元件，具有实时监测设备内各类元件温度指标变化的重要功能。然而，受非自主性技术因素的限制，目前我国10kV高压开关设备在线测温及控制系统仍以非接触式测温技术为主，无法进行自动化、智能化控制，严重影响开关设备在线监测、定检数据收集、故障预警等方面的性能指标，从而降低开关设备的整体实效性。

另外，SF6型、KYN型、XGN型高低压成套开关柜是现阶段我国输配电领域常用的开关设备，其内部隔离开关、CT、断路器、电缆头等电气元件是确保开关柜系统安全、稳定运行的基础。而这些关键性元件普遍易受粉尘杂质、潮湿空气等外部环境因素的影响，出现污闪、短路等事故，导致开关柜无法正常工作。因此，为降低外部环境因素对开关柜的影响，需要对这些关键性元件进行绝缘热缩包封处理。由此可见，设备系统智能化、自动化水平低、设备元件易受外界环境影响是我国高低压成套开关设备的主要特征^[1]。

二、高低压成套开关设备电气设计要点

真空断路器、母线、控制回路是决定高低压成套开关设备应用效能的重要电气元件，因此在电气设计时应重点关注。

真空断路器在开关柜中发挥着开关器件的作用。在设备正常工作状态下，真空断路器能够做好断开回路负荷电流的接收工作。若设备或电路出现故障，真空断路器能够与继电保护装置形成快速反应联动，在故障出现的瞬间将电路切断，避免故障产生的大额电流对电力系统或电气设备造成更严重的破坏，从而达到控制电气回路的作用。因此，在开关柜电气设计时，应结合具体设计和使用需求，选择恰当的真空断路器，并制定明确的元件准入标准，提高所用真空断路器的质量性和功能性。

母线是开关柜重要的组成元件。在进行高低压成套开关设备母线设计时，设计人员应做好电流与电压的限定控制工作。通常情况下，在开关柜电气设计方案中，会有以下两种母线设计方式：一是直接对母线的电流值与电压值进行明确限定；另一种是直接检测母线的格式，然后根据相关设计协议，与用户就母线格式及额定电流、电压值进行沟通，结合用户的实际使用需求确定母线的最终设计方案。不论采用哪种设计方式，设计人员和用户都应严格执行设计方案，从而确保母线电压值、电流值、格式又充足的裕度。

跳闸、储能、合闸是目前高低压成套开关设备最常见的三种控制回路，其它控制回路类型都是在这三种控制回路的基础上衍生的。对于储能控制回路，与真空断路器合闸所需电力能源相符是其重要的作用；对于合闸控制回路，既可以采用手动方式合闸，也可以采用电动方式合闸；对于跳闸控制回路，当真空断路器出现故障时，跳闸回路既能够预防合闸情况，又能够结合其他跳闸方式预防跳闸情况^[2]。

三、高低压成套开关设备电气设计优化方向

（一）从设备电路的角度进行电气设计优化

设备电路能够直接影响高低压成套开关设备的应用效能，因此是电气优化设计的主要方向。在具体优化设计时，设计人员可以从电能负荷、设备辅料、运行环境三个层面对开关设备进行优化：（1）明确开关设备系统负荷。明确掌握设备系统负荷的属性及特点是优化电能负荷的基础，设计人员应对元件排布、系统容量、供电间距、设备运行影响等多个因素进行深入分析，规划出更科学合理的系统电压供给方案，争取提高开关设备运行功率。同时，需要系统负荷能够与开关设备长期、短期、季节性运转系数的需求相匹配，从而满足开关设备系统运行的基本要求。此外，设计人员还要对影响高低压开关设备工作效率的各方面因素进行整体性分析，明确设备正常运转负荷量，避免短路电流对开关设备的不良影响，对开关设备各项参数进行优化调整，使系统负载能够满足用户的真实需求（2）对设备辅料进行优化设计。设计人员在进行电气优化设计时，应提高对壳体、母排、电缆等主要设备辅料的重视，避免因辅料选用、设计不当对开关设备应用效能产生的不良影响。设备辅料中，母排对设备性能的影响最为明显，因此要重视母排的优化设计工作。通常情况下，母排弧导线有铜质和铝质两种设计方式，设计人员应结合用户的实际需求和专业标准进行合理化设计。与此同时，还要对用户过载裕度进行科学优化，通过多铜排并联的设计方式，在不影响高低压开关设备应用性能的基础上，提高开关设备的整体载流性能，从而实现提高资源利用率、降低运行成本的设计目标（3）结合设备运行环境优化电气设计。外部运行环境能够对高低压开关设备的应用效能产生一定影响，因此，设计人员应结合设备的实际运行环境，对设备的电气设计进行针对性的优化。如：粉尘、高电荷环境下，应注意设备元件的密封性设计；高海拔、振动性较强的环境下，应注意开关设备抗震性的提升等等。

（二）从设备性能的角度进行电气设计优化

对于低压成套开关设备，优化电气设计时需要结合用户使用量，对载流容量进行科学设计，确保开关设备的实际运行效率。对于长期处于潮湿环境的低压开关设备，需要强化设备元件的密闭性设计，从而提高设备的抗电离性能，有效维护开关设备内部元件的完整性。对于高压成套开关设备，一方面通过提高开关设备柜体的设计要求，加强柜体结构强度；另一方面通过加设闭锁电磁铁与程序锁，提高设备的安全性。通过上述电气设计优化措施，提升高压成套开关设备抵抗外力因素影响的性能，在优化开关设备安全性的同时，延长设备元件的使用寿命。

3. 从设备功能的角度进行电气设计优化

随着信息技术的飞速发展，高低压成套开关设备智能化发展是电气设计优化的重要内容。以智能化为方向对开关设备功能进行优化主要体现在两个方面：一方面是光纤测温技术的引入。相较于传统非接触式红外测温技术，该技术能够直接对开关柜内电气元件进行“零距离”全方位检测。另外，光纤测温技术具有优秀的防腐蚀、抗电磁干扰性能，特别是在强辐射或超强电压环境下，依旧具备连续测温的效能。另一方面是开关设备模块化发展。即将智能化开关柜实际应用情况与用户的具体性能需求相结合，对开关设备进行模块化优化设计。这样既能够有效降低生产成本，提高设计、安装的便捷性，还能够有效推动高低压成套开关设备的智能化发展^[3]。

结语：

综上所述，设备系统智能化、自动化水平低、设备元件易受外界环境影响目前高低压成套开关设备的主要特征，为是开关设备满足用户的不断提高的使用需求，产品设计人员应明确真空断路器、母线、控制回路等关键设备元件的电气设计要点，从电路、性能、功能三个方向对电气设计进行优化，从而实现高低压成套开关设备应用效能的全面提升。

参考文献：

[1]邹桂平.高低压成套开关柜电气设计及智能化发展分析[J].中国设备工程,2020(15):32-33.

[2]郭骏彦.高低压开关柜的结构和工艺特点的分析[J].机械管理开发,2020,35(04):48-49+54.

[3]方兴.高低压成套开关柜电气设计现状分析及智能化发展方向分析[J].江西建材,2019(11):2-3.