Welche Komponenten machen das Design von mittelspannungstechnischen Ringnetzverteilungsschaltanlagen aus

Als Experte, der sich seit vielen Jahren intensiv mit der Gestaltung von Stromversorgungssystemen beschäftigt, habe ich stets auf die technologische Entwicklung und Anwendungspraxis von Mittelspannungsringverteilern geachtet. Als Kernkomponente im sekundären Verteilernetz des Stromsystems sind Design und Leistung dieser Geräte direkt mit dem sicheren und stabilen Betrieb des Versorgungsnetzes verbunden. Im Folgenden finden Sie eine professionelle Analyse der wichtigsten Designaspekte von Ringverteilern, die Branchenstandards und Ingenieurpraktiken kombiniert.

1. Gesamtdesignlogik und Architekturplanung

Das Design von Ringverteilerschaltanlagen muss streng den Betriebsanforderungen des Stromsystems und den nationalen Standards entsprechen. Es sollte auf Einsatzszenarien, Steuerobjekte und die Eigenschaften der kernelektrischen Komponenten fokussieren, um ein funktionales Einheitensystem zu erstellen. Die Hauptschalter werden hauptsächlich als Schaltgeräte und Lastschalter konfiguriert, und in einigen Fällen werden kombinierte elektrische Geräte verwendet. Beim Design wird der Kombinationsschaltung “Lastschalter + Sicherung” Vorrang eingeräumt – diese Schaltung hat eine komplexe Struktur und kann als Referenz für die Bestimmung der Gesamtstruktur, Anordnung und äußeren Abmessungen des Geräts dienen. Andere Schaltkreise, wie reine Lastschaltkreise, sollten soweit möglich ihre reif gestaltete Konstruktion wiederverwenden, um Standardisierung und Universalität zu erreichen.

Basierend auf dieser Grundlage entstehen verschiedene Arten von Gehäusen: Lastschaltgehäuse, kombinierte elektrische Gerätegehäuse, Schaltgerätgehäuse, Mehrgängige Gehäuse usw. Das Design des primären Leitungskreises muss systematisch drei Kernaspekte berücksichtigen: Stromtragfähigkeit, elektrische Spannungsfestigkeit und Wärmeabgabe:

• Komponentenanordnung: Geschickte Nutzung der Abschlusskraft, um sicherzustellen, dass die beweglichen Kontakte während der dynamischen und thermischen Stabilitätstests nicht zurückziehen, und damit die Koordination der mechanischen und elektrischen Leistung erreicht wird.

• Stromleiterauswahl: Präzise Anpassung von runden oder flachen Stromleitern gemäß der Stromtragfähigkeit, angemessene Kontrolle der Stromdichte und Ausgewogenheit zwischen Stromtragfähigkeit und Wärmeabgabe.

• Optimierung der elektrischen Verbindung: Die dynamischen und statischen Kontakte, Gleit-/Festverbindungen müssen einen geringen Kontaktwiderstand gewährleisten. Bei der Verbindung unterschiedlicher Metalle werden Prozesse wie Zinnieren und Silberbeschichten verwendet, um elektrochemische Korrosion zu unterdrücken und das Risiko eines Kontaktversagens zu beseitigen.

Das Design der Abteile folgt dem Prinzip “Sicherheit an erster Stelle, Prozessanpassung und bequeme Bedienung und Wartung”: Der Schutzgrad ist mindestens IP3X, das Trennmaterial (Metall/Nichtmetall) wird nach Bedarf ausgewählt, und Druckentlastungsgeräte und Fehlerbogengrenzmaßnahmen werden konfiguriert – bei internen Bogenfehlern kann Hochdruckgas durch den Entlastungskanal abgegeben werden, um die Sicherheit von Gerät und Personal zu gewährleisten.

2. Mehrdimensionale Überlegungen zum Design der Isolierstruktur

Schaltanlagen müssen längere Zeit die maximale Betriebsspannung und kurzfristige Überspannungen (atmosphärische und interne Überspannungen) aushalten. Das Isolationsdesign muss umfassend Faktoren wie Umweltanpassung, Materialauswahl, Strukturoptimierung und Prozesskontrolle berücksichtigen:

(1) Optimierung des elektrischen Feldes und Isolationskoordination

Die Form der Leiter beeinflusst direkt die elektrische Feldverteilung innerhalb des Gehäuses. Im Design sollten gerundete Kupferstangen, runde Leiterstangen verwendet und die Formen der dynamischen und statischen Kontakthalter, inneren Leiter und Stützelektroden optimiert werden, um scharfe Kanten und Ecken zu eliminieren und das elektrische Feld gleichmäßiger zu machen. Mit Hilfe von Finite-Elemente-Analysesoftware (wie ANSYS Maxwell) können schwache Isolationsstellen präzise lokalisiert werden. Durch Layoutanpassung und Strukturoptimierung (z.B. Anwendung von Schildtechnologie) kann das elektrische Feld gleichmäßiger gemacht und die maximale Feldstärke reduziert werden, was die Isolationszuverlässigkeit verbessert.

(2) Anwendungslogik mehrerer Isolationsmedien

• Luftisolierung: Für kompakte Isolation mit Luft als Hauptkörper müssen im Design die vorgeschriebenen elektrischen Abstände und Kriechwege strikt eingehalten werden, um die Isolationsleistung und die Kompaktheit des Geräts auszugleichen.

• Gasisolierung: Gasgefüllte Schaltanlagen verwenden hauptsächlich SF₆, N₂, trocknen verdichteten Luft oder Mischgase als Isolationsmedien (im Niederdruckbereich). Obwohl der Gasdruck nicht hoch ist, ist das Abdichtungsdesign entscheidend – es muss auf die Veränderungen der Gaskomponenten infolge von Permeation während des langfristigen Betriebs (wie Luftdiffusion und Austritt von Isoliergas) geachtet werden. Für gasgefüllte Abteile ohne Bogenzerfallsprodukte muss der Feuchtegehalt präzise kontrolliert werden: bei einem Nennwertdruck ≤ 0,05 MPa sollte er ≤ 2000 µL/L betragen; bei > 0,05 MPa wird der zulässige Feuchtegehalt nach dem gesättigten Wasserdampfdruck bei -10°C berechnet.

• Schnittstelle und feste Isolierung: Wenn feste Isolierungsteile aneinandergrenzen, werden elastische Materialien wie Silikonkautschuk verwendet, um Lufträume zu eliminieren und die Schnittstellenisolierung zu verbessern (abhängig von Oberflächenbelastung, Oberflächenbeschaffenheit und Kontaktlänge). Das Verwenden von Materialien wie Epoxidharz und Silikonkautschuk zur Gieß- und Vulkanisierung sowie zur Verpackung von Hochvoltkomponenten und deren Beschichtung mit einer Erdungs-/halbleitenden Schicht kann die Sicherheitsstufe erheblich verbessern, das Volumen des Geräts reduzieren und die Anordnung vereinfachen.

3. Präzises Design des mechanischen Getriebes und des Verriegelungssystems

Das mechanische Getriebe umfasst Elemente wie Betriebsmechanismen von Schaltgeräten, Unterbrechern, Erdungsschaltern und Türverriegelungen. Das Design muss in Dimensionen wie Prinzip, Anordnung, Kraftmodus (Druck/Zug), Spannweite, Übersetzungsverhältnis, Hubwinkel und mechanische Effizienz optimiert werden: Vereinfachung der Struktur, Reduzierung der Teilezahl und Senkung der Betriebskraft, um “angemessenes Kraftaufkommen, zuverlässige Übertragung, stabiler Betrieb und bequeme Bedienung und Wartung” zu erreichen.

Die “Fünf-Sicherheits”-Verriegelung ist das Kernstück der Sicherstellung des Betriebssicherheits – mechanische Verriegelung wird bevorzugt (bestehend aus Hebeln, Verbindungsstangen, Blenden usw., um ein Schloss zu bilden, mit klaren Verfahren, intuitiv und zuverlässig); wenn die Komponenten weit auseinander liegen oder eine mechanische Verriegelung schwer umsetzbar ist, wird eine elektrische Verriegelung ergänzt; intelligente Schaltanlagen können mit Mikrocomputer-Softwareprogrammierungsverriegelung (in Kombination mit mechanischer Verriegelung) überlagert werden, um ein mehrstufiges Sicherheitsschutzsystem aufzubauen.

4. Aufbau eines zuverlässigen Erdungssystems

Das Erdungsdesign muss die doppelten Anforderungen von “Betriebssicherheit” und “Fehlerbelastbarkeit” abdecken:

• Während der Wartung kann der Erdungsschalter den Hauptkreis gemäß Vorschrift sicher erden.

• Der Bodenrahmen des Gehäuses ist mit Erdungsleitern und Enden ausgestattet, die für Fehlersituationen geeignet sind, und die Gehäuse sind durch Leiter miteinander verbunden, wobei ein dedizierter Kreis zwischen dem Erdungsschalter und dem Erdungsleiter besteht.

• Die Erdungsleiter, Verbindungskreise und Verbindungen zwischen den Gehäusen müssen den Nennkurzzeit-/Spitzenbelaststrom aushalten.

• Der Rahmen, die Abdeckplatte, die Tür, die Trennwände und andere Komponenten sind elektrisch zusammenhängend, um die Erdungsverbindung der Funktioneinheiten sicherzustellen.

• Der Gleichspannungsabfall von jedem Punkt der metallischen Gehäuseteile bis zum Erdungsleiter bei 30 A beträgt ≤ 3 V, um die Wirksamkeit der Erdung sicherzustellen.

5. Technologische Entwicklung und Entwicklungsrichtung

Mit dem Fortschritt der Netzausbau- und Kabeluntergrundprojekte entwickeln sich Mehrgängige Verteilungseinheiten schnell in Richtung “Miniaturisierung, Modularisierung und Automatisierung”, was die innovative Entwicklung von SF₆- und kombinierten Isolations Technologien und leistungsfähigen Komponenten antreibt. In Zukunft ist es notwendig, sich auf die Verbesserung der Fertigungsprozesse (wie Präzisionsbearbeitung und integrierte Verpackung), die Optimierung von Kabelanschlüssen, die Iteration von Strömungsbegrenzern, die Forschung und Entwicklung kleiner Betriebsmechanismen und die Innovation von Hilfskomponenten zu konzentrieren, um das Design- und Fertigungsniveau der heimischen Ringverteiler zu verbessern. Die Entwicklung einer neuen Generation von Ringverteilern mit “voller Arbeitsbedingungsanpassung, wartungsfrei, hoher Zuverlässigkeit und Miniaturisierung” zur Unterstützung der Verteilungsautomatisierung wird zu einer Schlüsselrichtung für branchenübergreifende Durchbrüche werden.