10kV提升到20kV

10kV提升到20kV

——开关设备改造升压的可行性分析

前言

江苏省电力公司结合江苏经济发展迅速，用电负荷增长快，城市负荷密度高而土地制约严峻等实际情况，总结研究了苏州工业园区20kV配电运行的实际经验，积极推广20kV电压供电和10kV配电系统的升压改造工程。采用20kV配电电压等级相比10kV而言，具有节约投资、节约用地、节能降耗等一系列优点。已建成的10kV城市配网，在未来的若干年内，用电负荷将增加较大，需要进行升压改造。本文针对10kV和20kV配电网主开关设备——开关柜和断路器的比较分析，对10kV升压为20kV的技术手段，进行了可行性分析。

正文

1．现有10kV、20kV开关设备技术状况和结构分析

目前在10kV和20kV系统中，主要的开关设备是金属封闭开关设备（中置柜）和断路器。 1．1两种电压等级的开关设备绝缘水平（江苏省电力公司企业标准Q/GDW-10-315-2008）：

空气净距/mm 工频耐压/kV 雷电冲击耐压/kV 相间、相对地 相对地 断口 相对地 断口

10kV 125 42 48 75 84

20kV 180 50/（65） 65/（79） 95/（125） 110/

（145）

注：括号外数据为中性点经低电阻接地系统、括号内数据为中性点经消弧线圈接地或不接地

系统 1．2柜体部分 10kV、20kV柜体外形尺寸： 柜型 外形尺寸（深×宽×高） KYN28A-12 1500×800×2200 KYN28A-24 1900×1000×2400

10kV中置柜的外形尺寸要比20kV小很多，主要原因是绝缘距离的不同。

完全空气绝缘柜体宽度＝铜排宽度（100mm）×3＋相间净距×2＋相对地净距×2，那么对于10kV，柜体宽度＝100×3＋125×2＋125×2＝800mm。所以10kV选择800mm的柜宽。同理，对于20kV，柜体宽度＝100×3＋180×2＋180×2＝1020mm。所以20kV选择1000mm柜宽也

是比较合理的。

从产品可靠性角度来说，空气绝缘是最可靠的，只要保证不同相导体间，导体和对地之间的

绝缘净距，绝缘是可以得到保证的。

KYN28A-12开关设备结构示意图 KYN28A-24开关设备结构示意图 再从上面两张开关柜结构图可以看出，由于10kV与24kV开关设备绝缘水平的差异，导致结构布置的不同。10kV中置柜母线穿墙套管垂直布置，可以满足125mm的绝缘净距的要求；24kV中置柜必须采用1000的柜宽，同时穿墙套管呈品字型排布，才能够满足180mm

的绝缘净距的要求。 1．3断路器部分

断路器同样基于绝缘的要求，断路器外形尺寸特别是触臂的深度和爬电距离，差异较大。10kV断路器极柱上下出线间距为275mm，20kV断路器为了增大爬距，上下极间距为310mm，断路

器的体积因此增大。

10kV断路器外爬距≥240mm，触臂长度较短，触臂外绝缘使用PBT套管即可达到要求。20kV断路器外爬距要求≥240mm，必须将触臂长度加长，并且采用表面硫化涂覆的绝缘方式，厚

度达到2mm以上，保证绝缘的可靠。

VBC-12/1250-31.5外形尺

寸 VBC-24/1250-31.5外形尺寸

1．4其他元件

柜内所有的绝缘材料如母线套管、触头盒、支撑绝缘子由于电压等级的提高，必须加大爬距，

因此外形尺寸变大。

10kV触头盒外形尺寸 20kV触头盒外形尺寸

柜内所装的器件如电流互感器、电压互感器、接地开关、避雷器等等，外形体积也比10kV

的大很多。

2．参照10kV柜宽设计生产20kV柜体

2．1 800mm的柜体

10kV开关柜通常采用进线柜、联络柜1000mm，出线柜800mm的方案，有些制造厂在24kV电压等级，也使用了这样的柜宽方案。那么，绝缘水平的不适应性便凸现出来。主要是在工频耐压上，当系统中性点不接地时，此工频耐压值要明显高于国际标准和国家标准的50kV/1min，达到65kV/1min。由于800mm柜的空间限制，要达到这一要求，相对来讲比较

困难。

为了满足上述的绝缘水平要求，一般在设计上除了均匀电场分布外，在绝缘隔离上要比

1000mm开关柜加强，需要采用复合绝缘的方法：

（1） 主母线和分支母线使用热缩套管包覆，或采用环氧树脂硫化。在母线边缘采用圆角过渡，并且在母线室的母线搭接部位安装圆弧形的均压件，使电场分布均匀。 （2） 在导体对地和相间安装SMC绝缘隔板。同时，考虑到电场中不同介质的场强

梯度，在安装时要注意高压导体与绝缘隔板之间的空气间隙。

使用复合绝缘的方式，环境条件的影响特别要引起重视，或者说复合绝缘材料对环境因素要求更高了。开关柜运行的环境条件是导致开关柜发生绝缘闪络的主要原因之一，SMC绝缘板具有一定的吸湿性，受潮后绝缘性能会大大降低，表面积污严重，在潮湿天气，柜内湿度较

高，引起绝缘表面结露而爬电或放电，击穿造成事故。

800mm的柜宽，对柜体散热也提出了较高的要求，绝缘隔板的使用，空气对流散热受到一些

影响，必须认真考虑。

对于2000A以上的大电流柜子，一般都是用作进线柜或母联柜，考虑到温升的裕度，同时断路器一次导电部分的体积较大，厂家都选择了1000mm的柜宽，10kV和20kV在这一点上没有什么区别。但是需要强调一点，10kV4000A的断路器配柜普遍采用风机强迫风冷的方式，20kV在3150A（固封极柱式）额定电流，基本上就需要风机散热了，否则温升很难控制。

2．2 配套元器件

目前，针对1250A及以下的出线柜，制造厂已经能够提供配800mm柜宽的断路器，例如扬州北辰的VBC-24/1250-25 P210型真空断路器。800mm的柜子主要需解决的是断路器进柜后的绝缘配合问题，柜内的活门导轨部分要重新设计改进，以保证65kV/1min的工频耐

压合格。

由于20kV电压等级的电压互感器、电流互感器、避雷器等元器件体积较大，在设

计安装这些器件的时候，需要合理考虑柜内布置，否则又会对温升造成不良影响。

3 在现有10kV柜体上进行技术改造

3．1结构上的改动

通常，断路器从试验位置到工作位置，10kV断路器手车的行程是200mm，20kV断路器手车的行程是300mm。如果在现有10kV柜体上进行改造，那么20kV手车的行程必须做到和10kV

一致，柜体断路器手车室的深度才可以匹配，手车进出的导轨，活门机构才能够统一起来。

具体改动主要有：

（1） 触头盒的深度需要减小，但固定触头盒的安装板由原来的不锈钢板改成绝缘

板（加大绝缘爬距），总体来看静触头到其他导体或对地的爬电距离不能减小。 （2） 断路器触臂长度减小到和10kV断路器一样长，避免结构上出现干涉，使用目

前可靠性较高的固封极柱式断路器。

（3） 断路器使用10kV的手车，手车闭锁相应的机构部分需要重新调整。 对于柜内一些元器件，如接地开关，互感器等等，由于安装孔位置的不同，目前市

场上还没有完全满足要求的产品。 3．2 绝缘上的加强

柜体内部绝缘同样需要采用复合绝缘的方式，由于10kV柜体的深度较小、空间较小，复合绝缘的使用将会大大增加。导电铜排需重新加工，所有铜排端面必须倒成圆弧角过渡，避免

发生尖端放电现象。 3．3经济性分析

以一台开关柜（不含断路器）十万元计算，整个开关柜壳体的成本不到成套开关柜的十分之一，约在一万元左右。在现场进行改造，所消耗的人力、物力及时间，将会远远超过重新生

产一台开关柜壳体的费用及工期。即使能完成的话，其可靠性也有待进行验证。

结语

采用20kV电压配电，是配网发展的必然趋势。在10kV升压至20kV的过程中，作为配网主设备的开关设备，主要需解决好绝缘配合问题。同时，国内电气制造业应积极推出

20kV产品，投放市场，满足城市配电系统的需要。

与10KV电压供电相比，20KV具有如下优点：

（1） 在短路电流相同时，变电容量提高1倍，可减少变电站布点数。 （2） 采用相同导线，送电能力提高到原来的2倍。

（3） 满足同样末端电压质量，供电半径可增至1.6倍，供电面积增大到原来的2.5倍，可扩大110KV变电站供电面积。

（4） 在输送同样负荷情况下，线路压降可减少75％。 （5） 输送同样功率，电能损耗可降低75％等。 24kV个节能环保,可持续发展的好项目，利国利民。