Milyen komponensekből áll a közép-feszültségű gyűrűháló elosztókapcsoló berendezés tervezése?

Mint egy szakértő, aki évek óta mélyen be van avatkozva a villamos rendszerek tervezésének területére, mindig is nagy figyelmet fordítottam a közép-feszültségű gyűrűs elosztó berendezések technológiai fejlődésére és alkalmazási gyakorlatára. Mint a villamos rendszer másodlagos elosztási láncának alapvető eleme, ilyen felszerelések tervezése és teljesítménye közvetlenül összefügg az ellátási háló biztonságos és stabil működésével. A következő részben szakmai elemzést adok a gyűrűs elosztó berendezések kulcsfontosságú tervezási pontjairól, iparági normákat és mérnöki gyakorlatokat kombinálva.

1. Az általános tervezési logika és az architektúra tervezése

A gyűrűs elosztó váltók tervezése szigorúan meg kell feleljen a villamos rendszer működési követelményeinek és országos szabványoknak. A tervezésben a használati esetek, irányítási objektumok, valamint a legfontosabb villamos elemek jellemzőire kell összpontosítani, hogy funkcionális egységek rendszerét kialakítsa. A fő kapcsolók főleg áramtörők és terhelés-kapcsolók konfigurációjában jelennek meg, kevesebb esetben pedig kombinált villamos berendezések. A tervezés során előnyt adnak a “terhelés-kapcsoló + védő” kombinált áramkörnek – ez a típus bonyolult szerkezetű, és segíthet meghatározni a felszerelés általános szerkezetét, elrendezését és külső méreteit. Más áramkörök, mint például a tiszta terhelés-kapcsoló áramkörök, amennyiben lehetséges, kihasználhatják ezen kifejlett tervezéseket, standardizáció és univerzalitás érdekében.

Az említett alapokon kívül többféle szekrény is létrejön: terhelés-kapcsoló szekrények, kombinált villamos berendezések szekrényei, áramtörő szekrények, több-áramkörű szekrények stb. Az elsődleges vezető áramkör tervezése során három alapvető elemet kell rendszeresen megtartani: az áramerősítő képesség, az elektromos erőkkel szembeni ellenállóképesség és a hővezetés hatékonysága:

• Alkatrészek elrendezése: A záróelektromos erő ügyes felhasználása révén biztosítja, hogy a mozgó kapcsolók ne nyúljanak vissza a dinamikus és hőstabilitási tesztek során, így mechanikai és elektromos teljesítmény koordinációját elérve.

• Fővezeték kiválasztása: Kör vagy lap alakú fővezetékek pontos illesztése az áramerősítő képességhez, ahol a jelenlegi sűrűséget megfelelően kontrollálják, és egyensúlyt tartanak a vezetés és a hővezetés között.

• Elektromos kapcsolat optimalizálása: A dinamikus és statikus kapcsolók, csúszó/rögzített kapcsolatok alacsony kapcsolódási ellenállást kell biztosítson. Különböző fémvezetők összekötésekor, mint például cinkelés és ezüstözés, elektrokémiai korroziónak kitett helyeket minimalizálják, és elkerülik a kapcsolódási hibák rejtett veszélyét.

A szekrények tervezése a “biztonság először, folyamat-hozzáigazítás, és kényelmes karbantartás” elvét követi: a védelmi szint legalább IP3X, a partició anyaga (fém/nem fém) szükség szerint kerül kiválasztásra, és nyomás-leküldő eszközöket és hibavillám korlátozó intézkedéseket állítanak be – belső villámláskor a magas nyomású gázok a leküldő csatornán keresztül kerülhetnek el, garantálva a felszerelés és a személyzet biztonságát.

2. Többdimenziós megfontolások az izolációs szerkezet tervezéséhez

A váltók hosszú távon kell bírják a maximális működési feszültséget és a rövid ideig tartó túlfeszültséget (atmoszferikus és belső túlfeszültséget). Az izolációs tervezésnek körülbelül néznie kell a környezeti alkalmazkodási, anyagválasztási, szerkezeti optimalizálási és folyamat-irányítási tényezőkre:

(1) Elektromos mező optimalizálása és izolációs koordináció

A vezetők alakja közvetlenül befolyásolja a szekrény belső elektromos mezőjének eloszlását. A tervezésben kerek copper bar-ok, kerek vezetők használata ajánlott, és a dinamikus és statikus kapcsolóhelyek, belső vezetők, és támogató elektródák alakjának optimalizálása, hogy eltüntesse a hegyes pontokat és széleket, és homogénné tegye az elektromos mezőt. Véges elem analízis szoftverek (pl. ANSYS Maxwell) segítségével a gyenge izolációs hivatkozásokat pontosan meghatározhatjuk. Elrendezési és szerkezeti optimalizálás (mint például a kivédési technológia alkalmazása) segítségével az elektromos mezőt homogénné tehetjük, és csökkenthetjük a maximális mezőerőt, javítva az izolációs megbízhatóságot.

(2) Több izolációs médium alkalmazási logikája

• Légizoláció: Lég alapú kompozit izoláció esetén a tervezésben szigorúan követendő a szabványokban meghatározott elektromos tisztatávolság és lassú viszony, hogy egyensúlyt találjanak az izolációs teljesítmény és a felszerelés kompaktsága között.

• Gázizoláció: Gázizolált szekrényeknél leginkább SF₆, N₂, száraz tömörített levegő, vagy vegyes gázokat használnak izolációs médiumként (alacsony nyomás tartományban). Bár a gáznyomás nem magas, a szellőzési tervezés kulcsfontosságú – figyelmet kell fordítani a gáz komponenseinek változásaira a hosszú távú működés során (például a levegő betörése és a izolációs gáz kifolyása). Izolációs gáz nélküli, villámfelbomlás-termék nélküli gázfeltöltött szekrényekben a nedvességtartalom szigorúan be kell tartani: amikor a nominális nyomás ≤ 0.05MPa, akkor ≤ 2000μL/L; ha > 0.05MPa, a nedvességtartalom engedélyezett értéke a -10°C-nél mért vízgőz sättító nyomás alapján számítandó.

• Interfész és szilárd izoláció: Szilárd izolációs részek összeillesztésekor gumihab, például silikon gumit használnak, hogy kivegyék a levegőréseket, és javítsák az interfész izolációs szintjét (ami a felületi nyomás, a finomság, és a kapcsolódási hossz függvénye). Epoxy树脂和硅橡胶等材料用于浇注和硫化封装高压元件，并覆盖接地/半导体层，可以显著提高安全水平，减小设备体积，并简化布局。

3. 机械传动和联锁系统的精确设计

机械传动涵盖了断路器操作机构、隔离开关、接地开关和门联锁等环节。设计需要从原理、布局、受力方式（压力/拉力）、跨度、传动比、行程角度和机械效率等方面进行优化：简化结构，减少零件数量，降低操作力，实现“合理受力、可靠传动、稳定运行、方便操作维护”。

“五防”联锁是确保操作安全的核心——优先采用机械联锁（由杠杆、连杆、挡板等组成锁具，程序清晰、直观可靠）；如果部件距离较远或难以实现机械联锁，则补充电气联锁；智能柜可以叠加微机软件编程联锁（与机械联锁结合使用），构建多层次的安全保护系统。

4. 可靠接地系统的构建

接地设计需要覆盖“操作安全”和“故障承受”的双重要求：

• 在维护期间，接地开关应按规定可靠地将主电路接地。

• 外壳底部框架配备适合故障条件的接地导体和端子，柜体之间通过导体连接，接地开关与接地导体之间有专用回路。

• 接地导体、连接回路和柜体之间的连接必须能够承受额定短时/峰值耐受电流。

• 框架、盖板、门、隔板等组件电气连续，以确保功能单元的接地连接。

• 外壳金属部件任意一点到接地导体通过30A直流电压降≤3V，确保接地的有效性。

5. 技术演进和发展方向

随着电网改造和电缆下地进程的推进，多回路配电单元迅速向“小型化、模块化、自动化”迭代，推动了SF₆和复合绝缘技术以及高性能元件的创新发展。未来需重点关注制造工艺升级（如精密加工和一体化封装）、电缆连接器优化、限流熔断器迭代、小型操作机构研发及辅助元件创新，以提升国内环网柜的设计制造水平。发展“全工况适应、免维护、高可靠性、小型化”的新一代环网柜，实现配电网自动化将成为行业突破的关键方向。