半个多世纪前，中压配电设备还是水泥隔墙、尺寸大、不安全。如今已是紧凑、安全、工厂化的金属封闭开关设备。我国从苏联引进品种极少，现在则琳琅满目。本书旨在提供实用型技术书籍，涵盖原理、结构、计算、运行、动向，重点解决工程实际问题，提供数据曲线。摘编了日本电气学会多部报告，也包含国内经验。全书由钱家骊总成，徐国政审定。联系：100084 北京清华大学电机系 qianj@tsinghua.edu.cn
钱家骊 2006年4月 于清华园
正式名称金属封闭开关设备，本书指中压级(3.6~40.5kV)。是一种组合式电器，集断路器、负荷开关、互感器、母线等于一个金属柜内。早期变电站分立采购安装，现均采用工厂化开关柜，大大缩短工期，提高质量。主要四大类：通用空气绝缘、气体绝缘C-GIS、环网柜、F-C柜。
40.5kV开关柜10493面，12kV 113855面，12kV真空断路器133519台，环网柜35065面。产值超十亿元。增速极快，2002年12kV柜增长42%。主要厂家：长江电气、天水长城、厦门ABB、北开等。民营企业实力增长迅速。
| 电压等级 | 2002年产量(面) | 主要企业 |
|---|---|---|
| 40.5kV | 10493 | 天水长城、北开、平高 |
| 12kV | 113855 | 长江电气、天水长城、森源、ABB |
| 环网柜 | 35065 | 宁波天安、广州白云、上海天灵 |
应用广泛：电力、煤炭、冶金、高层建筑等。当前要求：容量大、小型化、高可靠、耐环境、低造价、无公害。分类：按结构分开放、封闭、密封式（SF₆绝缘、固体绝缘）；按元件分通用型、F-C、环网柜；按断路器安装方式分固定式、移开式（手车/中置）。
表1.4 开关柜功能：遮蔽、隔离、绝缘、通电、控制、保护、计量、监测等。
主要依据GB3906—1991 (参照IEC298)。正常使用条件：环境温度≤40℃，海拔≤1000m，湿度≤95%。户内、户外分级。绝缘水平见表1.6 (12kV工频耐受42kV，冲击75kV)。外壳防护等级IP2X~IP5X。温升极限见表1.12(铜触头在空气中75℃，镀银105℃)。内部故障试验要求燃弧0.8~1s，指示器为黑色棉布，不得点燃。
固定柜结构简单、便宜，无隔离触头问题；移开式(手车)检修方便。国内外典型产品：NXAIR(西门子)、ZS3.2(ABB)、KYN28A、W21-12等。采用敷铝锌板，组装结构，手车推进方式有丝杠、蜗轮等。
| 型号 | 参数 | 特点 |
|---|---|---|
| NXAIR | 12kV/1250A | 镀锌钢板独立隔室，中置手车，SIPROTEC4保护 |
| KYN28A-12 | 7.2~12kV, 630~3150A | 敷铝锌板，中置式，电缆连接高度>800mm |
| PV-40.5(GE) | 40.5kV, 1600~3150A | 管状母线，环氧浸涂，手车丝杆推进 |
环网供电(RMU)用于城市环网，提高可靠性。典型单元：两个负荷开关+熔断器保护变压器。整体式或组合式。国内外产品如8DJ10(SF₆)、RM6、Uniswitch、XGN15等。采用SF₆或压气式负荷开关，三工位，密封焊接。
| 型号/公司 | 绝缘介质 | 额定电流 | 结构特点 |
|---|---|---|---|
| 8DJ10(西门子) | SF₆ | 630A | 不锈钢焊接气箱，三工位开关，可扩展 |
| RM6(梅兰日兰) | SF₆ | 630A | 开关密封于SF₆气箱，可视接地 |
| XGN15-12(国产) | SF₆ | 630A | 敷铝锌板，FLN36开关，可扩展 |
C-GIS压力≤0.3MPa，长方形柜，体积小。采用三工位隔离开关，不锈钢焊接气箱，单相插接母线。典型产品：8DC11(西门子)、ZX1/ZX2(ABB)、WS-G(三菱)等。配真空断路器或SF₆断路器，年泄漏率<0.1%。
用于高压电动机频繁操作。结构有双层、双列。配真空接触器+限流熔断器。典型：8BK30(西门子)、Unigear ZVC(ABB)、国产KYN28A-7.2(J·R)等。主母线电流最大4000A，短路开断40kA。
热源：焦耳热 \(P = I^2R\)，集肤效应，邻近效应，触头电阻(经验公式 \(R=k(P r)^{-n}\))，涡流及磁滞损耗，介质损耗。传热方式：传导、对流、辐射。
固体表面辐射：\(P_r = 5.67\times 10^{-8} S_c \epsilon[(273+T_1)^4-(273+T_2)^4]\)。自然对流：\(P_c = 1.86 S_c \Delta \theta^{1.25}\)。
平均温升估算：热平衡 \(P = P_r + P_c\)。密封柜：散热面积按侧+顶+底，例3.2得柜内温升15K。自然通风增加排气口热功率 \(P_v\)，例3.3加通风口后允许损耗增加59%。强迫空气冷却可用 \(P_B = C_p \rho \Delta t_a V\) 计算。
表3.9 阻力系数ζ：打孔板、网板百叶窗等取值不同。
绝缘材料寿命与温度关系：\(L = L_0 \exp(E/RT)\)。耐热等级Y(90℃)到C(>250℃)。环氧树脂玻璃化温度 \(T_g\) 附近物性突变，许用温度较 \(T_g\) 低10~30℃。防止开裂措施：降低热膨胀系数，增加韧性，优化金具形状。
附录3.1 载流量摘录 (铜扁母线30K温升，窄边直立)：
| 尺寸(mm) | 直流(A) | 交流(A) |
|---|---|---|
| 6×25 | 380 | 380 |
| 10×100 | 1690 | 1540 |
| 12×150 | 2630 | 2280 |
复合绝缘(屏障)可减小间隙50%。沿面放电受湿度影响大，湿度>90%时放电电压明显下降。对策：加大爬距、强迫通风、加热器、除湿器。
SF₆均匀电场下绝缘强度约为空气3倍。非均匀电场下压力影响小。三结合点处电场集中，接触角θ=0°时最优。水分和分解物会导致绝缘劣化，需控制。
环氧树脂浇注，外部接地层，体积仅为空气绝缘的10~20%。击穿特性 \(U = A d^{0.68}\)，长时寿命30年时设计场强约15kV/mm。界面压力建议2kg/cm²，注意热应力开裂。
日本电场计算技术普遍用于小型化(缩小10~40%)，模拟电荷法、有限元法常用。
电弧能量巨大(40kA·1s达38MJ)，产生高温高压，可“火烧连营”。压力过程分为四阶段，需设释压板。ABB NXAIR释压板在0.224MPa开启，门体螺栓耐压0.361MPa。抗故障措施：加强绝缘、柜体强度、排气通道、快速保护。
压力≤0.3MPa，长方形柜，占地较空气绝缘减少50~70%。采用低压SF₆，三工位开关，不锈钢焊接柜体。出线方式有气体绝缘母线、电缆母线。减小温室效应策略：降低泄漏、采用混合气体、年泄漏率<0.1%。
表6.1 占地面积减少比例：72kV占地20%，36kV占地30%。
10年间事故1608次，6~10kV占63.2%，绝缘事故占37.7%，拒分拒合占26.2%。事故率从0.133降至0.045。真空开关设备事故168次，绝缘故障突出。
| 年份 | 事故次数 | 事故率(台·次/百台年) |
|---|---|---|
| 1990 | 179 | 0.133 |
| 1995 | 157 | 0.079 |
| 1999 | 122 | 0.045 |
| 地点 | 事故简况 | 原因 |
|---|---|---|
| 揭阳变电站 | 上隔离开关烧熔，弧光短路 | 触头长期过热 |
| 中山变电站 | 电容器断路器爆炸 | 合闸不到位起弧 |
| 重庆变电站 | 旋转隔离开关触头发热引发三相短路，越级跳闸 | 接触不良+机构卡涩 |
状态维修基础。监测项目：分合闸线圈电流、回路完好性、动触头行程、储能电机电流、机械振动、SF₆气体密度/水分、局部放电、触头温度等。
图8.2 线圈电流波形 五个阶段：铁芯启动、运动、停止、稳态、燃弧。霍尔传感器测量。
振动信号分析：时频分析、动态时间规整(DTW)、状态图法。电寿命累计：\(Q = \sum I^a\)。
实例：GKZJ-1系统用于KYN18A，监测9类22路信号，具备通信和控制。
[1] 徐国政等. 高压断路器的原理和应用. 清华大学出版社,2001
[2] 李建基. 中压开关设备趋势. 2002
[3] IEC 298(1990), GB3906-91, DL/T593-96
……(共80余条)
效率最高的位置：两手持物H=500~600mm；操动杠杆H=750mm，振幅250mm；两手下压H=500mm；手转轮盘H=800~900mm；锤击向下H=500~600mm；水平推拉H=850~950mm；踏车角度29°~35°。
