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摘要 对标准配置的普通40.5kV铠装式金属封闭开关柜，在高海拔电网使用中绝缘强度不足的问题，以AMS(KYN96)-40.5型铠装式金属封闭开关柜为例，通过采取工频耐压试验和雷电冲击耐压试验，查找出绝缘缺陷；对电缆室、断路器室和母线室相关部位做结构改进；针对高海拔地区要求调整或重新选择电气绝缘件；局部电场不均匀的部位采取均匀电场的措施(对元器件进行添加或调整)，使之形成了可靠的复合绝缘，以保证良好的电气性能。并从中归纳出一套满足高海拔的技术要求进行设计、改进、试验和生产的技术改造方案，为其他同类产品的改造提供参考。
关键词 AMS(KYN96)-40.5开关柜加强绝缘绝缘试验
0 引言
AMS(KYN96)-40.5是阿海珐输配电华电开关(厦门)有限公司设计开发的一款先进的40.5kV中置式金属铠装封闭开关设备，2005年起在国家高压电器质量监督检验中心和德国IPH实验站以及荷兰KAMA实验站通过了全套的型式试验。该产品具有方案齐全、电气参数高(额定电流3150A、额定短路开断电流31.5kA)的特性；配置性能可靠的VEP户内中压固封式真空断路器及FEP户内SF6断路器和具有短路关合能力及快速合闸机构的ESw型接地开关；采用电场均压、屏蔽设计，具有成熟可靠的“五防”闭锁装置，完全实现柜前关门操作的特点。已在国内市场中大量使用，为发电厂、电网及公用变电站中的电动机、变压器、电容器及大多数配电线路提供可靠的集中控制及保护功能；在国外市场如南非，澳大利亚，沙特等国家也得到广泛应用。 AMS(KYN96)-40.5同其他普通开关柜一样，其使用环境是按海拔高度在1000m以下的标准设计的。当海拔升高时空气密度降低，散热条件变坏，高压元器件在运行中温升要增加。其额定电流虽保持不变，但空气绝缘强度在减弱，这就使得元器件外表绝缘强度也随之减弱，极易发生绝缘击穿或闪络等破坏性放电事故。为此，AMS(KYN96)-40.5要在高海拔电网安全使用，就必须通过绝缘试验准确查找其缺陷原因，开展绝缘加强的改造工作。同时，考虑到我国大部分地区海拔高度超过1000m，研究和探讨开关柜在高海拔地区的应用很有实际意义和使用价值。
1 高海拔对开关柜的影响
随着海拔的提高空气密度就相应的降低，空气密度降低后散热就困难，绝缘击穿电压就降低。所以要解决普通开关柜在高海拔地区的使用问题，必须考虑散热和绝缘两方面。
高海拔对散热影响及温升要求在GB763-90《交流高压电器在长期工作时的发热》标准中有明确规定，“当电器设备在海拔高度超过1000m时，其温升应按每超过300m(以海拔高度1000m为起点)降低0.9(90)％计算”，例如在海拔3000m时，则降低温升为6％，而在GB／T11022-1999《高压开关设备和控制设备标准的共用技术要求》规定的高压开关各部件、绝缘材料在空气中允许温升范围为30～75K。F级和H级绝缘材料允许温升范围为115～140K，则要求降低零部件温升1.8～4.5K。
TB／Z102-71中高压电器使用于高海拔地区的技术要求见表1。
从表1中可以看出，由海拔1000m上升到3000m时，环境最高温度从40℃降为30℃，即下降了10℃，足以抵消由于海拔升高，要求降低温升的标准。因此，一般情况下，各类标准中不规定海拔高度对温升的影响。产品设计时可以不考虑海拔对温升的影响。
本文探讨AMS(KYN96)-40.5中压开关柜在海拔高度为2000m应用时的绝缘耐压的改进和试验。
2 AMS(KYN96)-40.5的基本结构
AMS(KYN96)-40.5中置式中压开关柜的基本结构如图1所示。
3 ANS(KYN96)-40.5柜的高海拔耐压试验
3.1试验方案
根据GB311.1-1997(2007)的规定，当高压电器用于海拔1000m以上，但不超过4000m时，其外绝缘试验电压应为额定耐受电压乘以海拔修正系数，即Ka=1／(1.1-H×10-4)。(H为安装地点的海拔高度)，如按海拔高度为2000m计算，则Ka=1／(1.12000×10-4)=1.1111，依此可求得1min工频耐压为95kV×1.1111=105.56kV，雷电冲击耐压为185kV×1.1111=205.56kV。试验柜体的主要设备配置如表2。 根据普通型AMS(KYN96)-40.5开关柜在西安高压开关研究所做的型式试验报告(No.05189)的试验结果以及平时对该类开关柜的耐压情况测试，其1min工频耐压水平为97kV，雷电冲击耐压为190kV。要满足海拔高度为2000m的需求必须加强绝缘，提高工频耐压和雷电冲击耐压水平。内绝缘由于封装在设备内部(主要是指绝缘件)，故只受绝缘材料及绝缘结构和工艺处理的影响。而工厂生产不同于试验室，采用的都是材料、尺寸和规格已经成型的元器件，因此只能在元器件原有绝缘材料的基础上改进和改良。外绝缘则受大气条件的影响，如气压、气温、湿度、污秽及海拔高度等。AMS(KYN96)-40.5开关柜在高海拔地区应用，必须从内外两个层面通过工频耐压试验和雷电冲击耐压试验找出柜体内易产生闪络的薄弱区域，从而对其绝缘做加强或结构上的改进。试验要求满足工频耐压106kV／1min下无闪络击穿；雷电冲击耐压206kV正负极性各15次，放电次数不多于2次。
3.2 AMS(KYN96)-40.5开关柜的高海拔耐压试验发现的问题
工频耐压试验是对AMS(KYN96)-40.5在正常工作中要求对电隔离的部件之间施加一定的高电压，并持续1min以上，以验证其介质是否符合标准。
工频耐压试验的电压施加部位当触头在不同位置时在三相进线端和出线端与接地位置间施加试验电压(将其他的进出线端跟壳体接地)。试验中，为防止电压冲击，加压应从小于试验电压值的一半开始(约53kV)，从约5s的时间逐步升压到试验电压106kV。施压时间从达到106 kV时开始计算，持续1min。
雷电冲击耐压试验是对AMS(KYN96)-40.5电气间隙施加一个标准化波形的冲击电压波，来考核开关柜内外绝缘耐受瞬时高频过电压的能力。冲击耐压试验主要是用来检验电器的电气间隙、爬电距离(外绝缘)和有关电器固定绝缘的介电性能(内绝缘)。试验采用的是中国航天科工集团北京华天机电研究所400kV CCK-2511冲击电压设备及测量系统。冲击耐压试验的电压施加部位同工频耐压一样。
通过不断的反复试验，不断更改，发现有如下区域存在闪络击穿：
(1)接地开关静触头对安装板； (2)相间绝缘隔板的靠近接地开关的支撑杆；
(3)母线室中上分支母线对母线室隔板和母线室压力释放板；
(4)断路器的极柱绝缘拉杆处对机箱。
以上区域存在闪络击穿的原因分析如下：
(I)普通型AMS(KYN96)-40.5开关柜上ESW接地开关绝缘子的高度为360mm，爬距为820mm，满足不了高海拔时的爬距要求；
(2)相间绝缘隔板靠近接地开关的绝缘支撑杆的位置离带电体太近，电会通过绝缘板上绝缘杆的安装开孔沿绝缘杆表面爬，从而造成相间闪络；
(3)开关柜母线室中，上分支母线对母线室隔板的最近距离为260mm，A相上分支母线顶端离母线室压力释放板的最近距离为280mm，难以满足高海拔的要求；同时由于开关柜尺寸的限制，套管安装螺丝处有放电尖角，易产生放电；
(4)断路器的绝缘拉杆设计时考虑的爬距为810mm，无法满足高海拔的要求。
3.3 AMS(KYN96)-40.5柜的高海拔应用的改造及试验
通过工频耐压和雷电冲击耐压的绝缘试验，对绝缘缺陷进行分析，对开关柜的相关部位进行结构改进；对元器件进行调整和增加；采取必要的均匀电场措施，形成可靠的复合绝缘，以保证良好的电气性能。
结合以上试验结果和原因分析，对开关柜作如下改进：
(1)更换普通型ESW接地开关为高压型ESW接地开关，整体式接地开关上绝缘子高度由360mm调整为420ram,柜体结构中相应调整电缆连接铜排的尺寸；
(2)取消靠近接地开关的绝缘支撑杆。为保证绝缘板不摇晃，在电缆室靠后门处增加一处绝缘支撑杆；
(3)母线室隔板对分支母线侧的单面喷1.5mm环氧树脂，以增强绝缘；
(4)将母线室压力释放板的高度由30mm增加到60mm，以加大A相上分支母线对其距离到310mm；为保证开关柜的整体外观效果，断路器室压力释放板和电缆室压力释放板的高度统一加高到60mm
(5)柜间穿墙套管的安装螺栓增加绝缘帽，最大限度地均衡连接处的电场，消除螺栓的放电尖端；
(6)由于断路器的空间尺寸和结构的影响，绝缘拉杆无法通过增加本身的爬距来提高绝缘耐压水平，所以特别在拉杆底部套上一个绝缘爬距增加器。
通过以上改进后的整柜工频耐压和雷电冲击耐压数据如表3、表4所示。
4 ANS(KYN96)-40.5柜高海拔改进的效果
按以上改造方案的AMS(KYN96)-40，5开关柜，提高了开关柜的整体绝缘水平，却没有增加柜体的尺寸，节省了占地面积，更有利于环保，提供了抵御高海拔地区严酷环境的能力，延长了设备的使用寿命。而且安装便捷，维护量很小，减轻了管理人员的劳动强度，明显降低了运行维护费用。
按改造方案的AMS(KYN96)-40，5开关柜从2006年起已陆续投运到内蒙古锡林郭勒吉相华亚风电场二期49，5MW工程35kV开关柜、新疆塔河重质原油改质项目35kV中压开关柜、云南昆钢大红山35kV中压开关柜等高海拔项目中，到目前为止未发生任何绝缘闪络或击穿等破坏性放电事故。同时，改造方案转让给云南开关厂和锦州第一开关厂，并投运到相关项目中运行状况良好。
实践证明，AMS(KYN96)-40.5开关柜的高海拔应用的改造方案是稳定可靠、安全适用的，有比较科学合理的技术参数、机械特性和操作方法，值得借鉴和参考。
5 结语
为适应市场需求，AMS(KYN96)-40.5开关柜的高海拔改造是必须的。同时，我们应该看到，目前国内的同类型开关柜普遍不能满足高海拔的要求。如何探索提高开关柜本身的绝缘耐压水平，对开关柜的绝缘留有足够的欲度依然是我们必须面i临的问题。
关键词 AMS(KYN96)-40.5开关柜加强绝缘绝缘试验
0 引言
AMS(KYN96)-40.5是阿海珐输配电华电开关(厦门)有限公司设计开发的一款先进的40.5kV中置式金属铠装封闭开关设备，2005年起在国家高压电器质量监督检验中心和德国IPH实验站以及荷兰KAMA实验站通过了全套的型式试验。该产品具有方案齐全、电气参数高(额定电流3150A、额定短路开断电流31.5kA)的特性；配置性能可靠的VEP户内中压固封式真空断路器及FEP户内SF6断路器和具有短路关合能力及快速合闸机构的ESw型接地开关；采用电场均压、屏蔽设计，具有成熟可靠的“五防”闭锁装置，完全实现柜前关门操作的特点。已在国内市场中大量使用，为发电厂、电网及公用变电站中的电动机、变压器、电容器及大多数配电线路提供可靠的集中控制及保护功能；在国外市场如南非，澳大利亚，沙特等国家也得到广泛应用。 AMS(KYN96)-40.5同其他普通开关柜一样，其使用环境是按海拔高度在1000m以下的标准设计的。当海拔升高时空气密度降低，散热条件变坏，高压元器件在运行中温升要增加。其额定电流虽保持不变，但空气绝缘强度在减弱，这就使得元器件外表绝缘强度也随之减弱，极易发生绝缘击穿或闪络等破坏性放电事故。为此，AMS(KYN96)-40.5要在高海拔电网安全使用，就必须通过绝缘试验准确查找其缺陷原因，开展绝缘加强的改造工作。同时，考虑到我国大部分地区海拔高度超过1000m，研究和探讨开关柜在高海拔地区的应用很有实际意义和使用价值。
1 高海拔对开关柜的影响
随着海拔的提高空气密度就相应的降低，空气密度降低后散热就困难，绝缘击穿电压就降低。所以要解决普通开关柜在高海拔地区的使用问题，必须考虑散热和绝缘两方面。
高海拔对散热影响及温升要求在GB763-90《交流高压电器在长期工作时的发热》标准中有明确规定，“当电器设备在海拔高度超过1000m时，其温升应按每超过300m(以海拔高度1000m为起点)降低0.9(90)％计算”，例如在海拔3000m时，则降低温升为6％，而在GB／T11022-1999《高压开关设备和控制设备标准的共用技术要求》规定的高压开关各部件、绝缘材料在空气中允许温升范围为30～75K。F级和H级绝缘材料允许温升范围为115～140K，则要求降低零部件温升1.8～4.5K。
TB／Z102-71中高压电器使用于高海拔地区的技术要求见表1。
从表1中可以看出，由海拔1000m上升到3000m时，环境最高温度从40℃降为30℃，即下降了10℃，足以抵消由于海拔升高，要求降低温升的标准。因此，一般情况下，各类标准中不规定海拔高度对温升的影响。产品设计时可以不考虑海拔对温升的影响。
本文探讨AMS(KYN96)-40.5中压开关柜在海拔高度为2000m应用时的绝缘耐压的改进和试验。
2 AMS(KYN96)-40.5的基本结构
AMS(KYN96)-40.5中置式中压开关柜的基本结构如图1所示。
3 ANS(KYN96)-40.5柜的高海拔耐压试验
3.1试验方案
根据GB311.1-1997(2007)的规定，当高压电器用于海拔1000m以上，但不超过4000m时，其外绝缘试验电压应为额定耐受电压乘以海拔修正系数，即Ka=1／(1.1-H×10-4)。(H为安装地点的海拔高度)，如按海拔高度为2000m计算，则Ka=1／(1.12000×10-4)=1.1111，依此可求得1min工频耐压为95kV×1.1111=105.56kV，雷电冲击耐压为185kV×1.1111=205.56kV。试验柜体的主要设备配置如表2。 根据普通型AMS(KYN96)-40.5开关柜在西安高压开关研究所做的型式试验报告(No.05189)的试验结果以及平时对该类开关柜的耐压情况测试，其1min工频耐压水平为97kV，雷电冲击耐压为190kV。要满足海拔高度为2000m的需求必须加强绝缘，提高工频耐压和雷电冲击耐压水平。内绝缘由于封装在设备内部(主要是指绝缘件)，故只受绝缘材料及绝缘结构和工艺处理的影响。而工厂生产不同于试验室，采用的都是材料、尺寸和规格已经成型的元器件，因此只能在元器件原有绝缘材料的基础上改进和改良。外绝缘则受大气条件的影响，如气压、气温、湿度、污秽及海拔高度等。AMS(KYN96)-40.5开关柜在高海拔地区应用，必须从内外两个层面通过工频耐压试验和雷电冲击耐压试验找出柜体内易产生闪络的薄弱区域，从而对其绝缘做加强或结构上的改进。试验要求满足工频耐压106kV／1min下无闪络击穿；雷电冲击耐压206kV正负极性各15次，放电次数不多于2次。
3.2 AMS(KYN96)-40.5开关柜的高海拔耐压试验发现的问题
工频耐压试验是对AMS(KYN96)-40.5在正常工作中要求对电隔离的部件之间施加一定的高电压，并持续1min以上，以验证其介质是否符合标准。
工频耐压试验的电压施加部位当触头在不同位置时在三相进线端和出线端与接地位置间施加试验电压(将其他的进出线端跟壳体接地)。试验中，为防止电压冲击，加压应从小于试验电压值的一半开始(约53kV)，从约5s的时间逐步升压到试验电压106kV。施压时间从达到106 kV时开始计算，持续1min。
雷电冲击耐压试验是对AMS(KYN96)-40.5电气间隙施加一个标准化波形的冲击电压波，来考核开关柜内外绝缘耐受瞬时高频过电压的能力。冲击耐压试验主要是用来检验电器的电气间隙、爬电距离(外绝缘)和有关电器固定绝缘的介电性能(内绝缘)。试验采用的是中国航天科工集团北京华天机电研究所400kV CCK-2511冲击电压设备及测量系统。冲击耐压试验的电压施加部位同工频耐压一样。
通过不断的反复试验，不断更改，发现有如下区域存在闪络击穿：
(1)接地开关静触头对安装板； (2)相间绝缘隔板的靠近接地开关的支撑杆；
(3)母线室中上分支母线对母线室隔板和母线室压力释放板；
(4)断路器的极柱绝缘拉杆处对机箱。
以上区域存在闪络击穿的原因分析如下：
(I)普通型AMS(KYN96)-40.5开关柜上ESW接地开关绝缘子的高度为360mm，爬距为820mm，满足不了高海拔时的爬距要求；
(2)相间绝缘隔板靠近接地开关的绝缘支撑杆的位置离带电体太近，电会通过绝缘板上绝缘杆的安装开孔沿绝缘杆表面爬，从而造成相间闪络；
(3)开关柜母线室中，上分支母线对母线室隔板的最近距离为260mm，A相上分支母线顶端离母线室压力释放板的最近距离为280mm，难以满足高海拔的要求；同时由于开关柜尺寸的限制，套管安装螺丝处有放电尖角，易产生放电；
(4)断路器的绝缘拉杆设计时考虑的爬距为810mm，无法满足高海拔的要求。
3.3 AMS(KYN96)-40.5柜的高海拔应用的改造及试验
通过工频耐压和雷电冲击耐压的绝缘试验，对绝缘缺陷进行分析，对开关柜的相关部位进行结构改进；对元器件进行调整和增加；采取必要的均匀电场措施，形成可靠的复合绝缘，以保证良好的电气性能。
结合以上试验结果和原因分析，对开关柜作如下改进：
(1)更换普通型ESW接地开关为高压型ESW接地开关，整体式接地开关上绝缘子高度由360mm调整为420ram,柜体结构中相应调整电缆连接铜排的尺寸；
(2)取消靠近接地开关的绝缘支撑杆。为保证绝缘板不摇晃，在电缆室靠后门处增加一处绝缘支撑杆；
(3)母线室隔板对分支母线侧的单面喷1.5mm环氧树脂，以增强绝缘；
(4)将母线室压力释放板的高度由30mm增加到60mm，以加大A相上分支母线对其距离到310mm；为保证开关柜的整体外观效果，断路器室压力释放板和电缆室压力释放板的高度统一加高到60mm
(5)柜间穿墙套管的安装螺栓增加绝缘帽，最大限度地均衡连接处的电场，消除螺栓的放电尖端；
(6)由于断路器的空间尺寸和结构的影响，绝缘拉杆无法通过增加本身的爬距来提高绝缘耐压水平，所以特别在拉杆底部套上一个绝缘爬距增加器。
通过以上改进后的整柜工频耐压和雷电冲击耐压数据如表3、表4所示。
4 ANS(KYN96)-40.5柜高海拔改进的效果
按以上改造方案的AMS(KYN96)-40，5开关柜，提高了开关柜的整体绝缘水平，却没有增加柜体的尺寸，节省了占地面积，更有利于环保，提供了抵御高海拔地区严酷环境的能力，延长了设备的使用寿命。而且安装便捷，维护量很小，减轻了管理人员的劳动强度，明显降低了运行维护费用。
按改造方案的AMS(KYN96)-40，5开关柜从2006年起已陆续投运到内蒙古锡林郭勒吉相华亚风电场二期49，5MW工程35kV开关柜、新疆塔河重质原油改质项目35kV中压开关柜、云南昆钢大红山35kV中压开关柜等高海拔项目中，到目前为止未发生任何绝缘闪络或击穿等破坏性放电事故。同时，改造方案转让给云南开关厂和锦州第一开关厂，并投运到相关项目中运行状况良好。
实践证明，AMS(KYN96)-40.5开关柜的高海拔应用的改造方案是稳定可靠、安全适用的，有比较科学合理的技术参数、机械特性和操作方法，值得借鉴和参考。
5 结语
为适应市场需求，AMS(KYN96)-40.5开关柜的高海拔改造是必须的。同时，我们应该看到，目前国内的同类型开关柜普遍不能满足高海拔的要求。如何探索提高开关柜本身的绝缘耐压水平，对开关柜的绝缘留有足够的欲度依然是我们必须面i临的问题。