引言

低壓開關(guān)柜廣泛應用于配電、照明和電機控制等電能轉(zhuǎn)換和控制場合,影響著國民經(jīng)濟和生活的各個方面。低壓開關(guān)柜里安裝了許多電氣元件和發(fā)熱零部件(例如銅母線、絕緣導線等),為防止過壓或過熱引起的停電、停工甚至傷人、火災等事故,除了選擇質(zhì)量優(yōu)良的電氣元件外,低壓開關(guān)柜內(nèi)部合理的結(jié)構(gòu)設計和合理的原材料選擇至關(guān)重要。優(yōu)秀的結(jié)構(gòu)設計不僅會充分考慮所有內(nèi)裝元器件和所有載流部件的散熱、強度、絕緣、各種防護、耐壓等性能,還會充分考慮機械應力、電氣應力、熱應力和環(huán)境壓力等因素造成的不利影響,從而保障低壓開關(guān)柜安全可靠運行。

此外,絕緣材料的設計選型也與低壓開關(guān)柜的性能密切相關(guān),本文將對此進行闡述,并結(jié)合應用案例進行分析,希望能給同行帶來一些啟發(fā)。

1耐壓性能的要求對絕緣材料選擇的影響

電氣設備運行時,在正常使用條件下承受的是工作電壓,由于系統(tǒng)電壓的不穩(wěn)定性以及系統(tǒng)外部的影響,電氣設備還會承受各種過電壓,例如暫時過電壓、操作過電壓、雷擊過電壓等,如果電壓過高,就有可能造成絕緣材料的擊穿。因此,電氣設備需要具備耐受上述各種電壓的能力。

通常,設備的絕緣電壓應等于或大于所在系統(tǒng)的工作電壓。絕緣電壓是選擇工頻耐受電壓和爬電距離要參考的電壓值。施加工頻耐受電壓可以衡量電路耐受暫時過電壓的能力,施加沖擊耐受電壓可以衡量其耐受瞬態(tài)過電壓的能力。

在低壓系統(tǒng)中,常見的工作電壓為400V,A、B、C三相,當過電壓類別為V類(即電源進線點水平)時,國家標準規(guī)定的額定沖擊耐受電壓為6kV。A、B、C三相母線系統(tǒng)通常選擇銅排,由絕緣件支撐,如圖1所示。圖中淺灰色表示絕緣支撐件,深灰色表示導體一銅排。a為電氣間隙(即兩個導體之間的最短直線距離),b為爬電距離(即兩個導體之間沿絕緣材料表面的最短距離)。任何情況下,爬電距離都不應小于相應的最小電氣間隙,即b≥a。

圖1電氣間隙和爬電距離示意圖

最小電氣間隙由所在系統(tǒng)的額定沖擊耐受電壓決定。比如,當額定沖擊耐受電壓為6kV時,電氣間隙最小為5.5mm,即a≥5.5mm。低壓開關(guān)柜的產(chǎn)品標準《低壓成套開關(guān)設備和控制設備第1部分:總則》(GB/T7251.1一2013)的10.9.3.5條規(guī)定,如果電氣間隙達到了標準規(guī)定的最小電氣間隙的1.5倍,則可以免除沖擊耐受電壓試驗,只需用測量的方法進行電氣間隙的驗證即可。

最小爬電距離由額定絕緣電壓、環(huán)境污染等級和材料組別三者共同確定。例如,在額定絕緣電壓為690V、環(huán)境污染等級為3、材料組別為Ⅱ的條件下,最小爬電距離為9mm:而材料組別為Ia的條件下,最小爬電距離為10mm。由此可以看出,材料組別越高,需要的最小爬電距離越小,結(jié)構(gòu)可以設計得越緊湊。

材料組別分類如表1所示。

在進行結(jié)構(gòu)設計時,A、B、C三相導體間要保持一定的電氣間隙和爬電距離,否則會被擊穿,造成短路甚至火災等事故。因為電氣間隙a最小要求為5.5mm,爬電距離b最小要求為9mm(假設選擇材料組別為I)。為了同時滿足最小a和最小b的要求,要么將電氣間隙放大到9mm,要么將灰色的絕緣材料的表面由平面設計改為凸起表面設計,以增加爬電距離到9mm,如圖2(b)所示,虛線部分相加為爬電距離。如果選擇電氣間隙≥1.5×5.5.8.25mm,那么就可以免做沖擊耐受電壓的試驗。因此,選擇電氣間隙≥9mm,則同時可以滿足最小爬電距離的要求,還可以免做沖擊耐受電壓的試驗。在實際結(jié)構(gòu)設計時,要從整體出發(fā)多方權(quán)衡到底選擇多大尺寸。

2耐熱性能的要求對絕緣材料選擇的影響

電氣設備運行時,除了承受工作電流,有時還會承受各種過電流,例如短路造成的過電流等。只要有電流流過,導體就會發(fā)熱,溫度就會升高,因此,絕緣材料的耐熱性能要考慮正常發(fā)熱和非正常發(fā)熱情況下的耐受能力。

此外,絕緣材料的絕緣性能與溫度也有著密切的關(guān)系,溫度越高,絕緣材料的絕緣性能越差。為保證絕緣強度,每種絕緣材料都有一個適當?shù)淖罡咴试S工作溫度,在此溫度以下,材料可以長期安全地使用,超過這個溫度就會加速老化。在國家標準《電氣絕緣耐熱性和表示方法》(GB/T11021一201<)中,絕緣材料的最高允許工作溫度被稱為耐熱等級。從絕緣材料的耐熱等級(表2)可知,A級絕緣材料在最高105℃的溫度下就可以長期安全地使用。通常在選擇絕緣材料的耐熱等級時會考慮高一級的材料,也就是留有一定的裕量。

絕緣材料耐熱性能直接影響低壓開關(guān)柜的結(jié)構(gòu)設計。最新的國家標準GB/T7251.1一2013中表6規(guī)定了低壓開關(guān)柜的溫升限值要求,即在周圍空氣平均溫度不超過35℃時的限值。例如:用于連接外部絕緣導線的端子的溫升不能超過70℃,加上周圍空氣溫度35℃,也就是連接外部絕緣導線端子的溫度不能超過105℃。因此,在選擇用于連接外部絕緣導線端子處的絕緣材料時,選擇A級絕緣材料就可以滿足要求。但在實際使用中,也可以選擇E級絕緣材料,使其具有更高一級的安全系數(shù)。

上面講述的是正常發(fā)熱情況下絕緣材料的溫度選擇,在非正常發(fā)熱情況下,比如在短路時導體能夠產(chǎn)生高達200~250℃的溫度,那么絕緣材料就要選擇短時耐熱溫度超過200~250℃的。

另外,過電流是一種能夠產(chǎn)生較大熱量甚至導致著火的非正常條件下的電流,因此,絕緣材料還需要有一定的能夠耐受由于過電流引起的非正常發(fā)熱和著火的能力。通常用灼熱絲耐熱試驗來衡量絕緣材料耐受非正常發(fā)熱和著火的能力。

對于需要在其上直接安裝載流部件的絕緣材料,要求能夠耐受960℃的灼熱絲頂部溫度:對于嵌入墻內(nèi)的外殼,要求耐受850℃:對于其他部件,包括要安裝保護導體的部件,要求耐受650℃。

因此,對于耐熱性能的要求,在選擇絕緣材料時,要考慮絕緣材料的長期工作溫度或耐熱等級、短時耐熱溫度和灼熱絲耐受溫度。

3電動力對絕緣材料機械強度的影響

在正常工作條件下,低壓開關(guān)柜運行時通常只受到重力及結(jié)構(gòu)應力的作用:在非正常條件下,比如短路時,會受到熱應力和電動力的綜合影響,比如母線夾在短路時就要承受由于短路引起的電動力。母線夾之間的距離與電動力有很大的關(guān)系,通常通過計算和短路試驗來驗證母線系統(tǒng)的動熱穩(wěn)定性。

如某母線系統(tǒng),選擇矩形銅導體截面尺寸為60mm×10mm,A、B、C三相之間的相間距c=200mm,母線夾之間的距離L=600mm,三相預期短路峰值電流Ipk=73.5kA?？梢韵扔糜嬎愕姆椒▉眚炞C該導體的固有頻率及最大電動力,再用短路試驗來進一步驗證可靠性。

計算過程如下:

導體的斷面二次矩:

導體的一階固有頻率為:

當導體支撐方式為多等跨簡支時,Nf=3.56,E=11.9×1010Pa,代入公式中求得:

固有頻率f1在35~135Hz范圍以外,故動應力系數(shù)8=1。因此,最大電動力為:

將數(shù)值代入上式中,得到最大電動力:

4設計時絕緣材料其他性能的選擇

低壓開關(guān)柜里的許多零部件結(jié)構(gòu)并不復雜,比如母線系統(tǒng)、母線夾、絕緣子等,一般選用熱固性塑料,比如BMC、SMC或者電工膠木等,這些原材料里通常含有玻纖,因此強度很高,又有很好的耐熱性(耐熱等級通常為F級),絕緣強度高,得到了廣泛應用。

低壓開關(guān)柜里也有一些結(jié)構(gòu)比較復雜的零部件,比如多功能板、抽屜里的一次插座等絕緣支撐件,通常選用熱塑性塑料,比如尼龍加玻纖等,此種塑料的流動性好,模具加工較容易,機械強度高,還可以添加合適的阻燃劑起到很好的阻燃作用。

在實際設計中,有時還要考慮環(huán)保要求,尤其是在碳達峰、碳中和的戰(zhàn)略背景下,要選擇環(huán)保材料,比如低煙無鹵阻燃的材料等,適應時代發(fā)展的需求。

5結(jié)語

總之,絕緣材料是低壓開關(guān)柜的重要組成部分,在進行絕緣材料選型及設計時,要綜合考慮上述各方面的影響,通過正確的原材料選擇、合理的結(jié)構(gòu)設計和必要的試驗驗證,選擇既能滿足功能、性能要求,又易于獲得,加工工藝性好、性價比高,同時還兼顧環(huán)保要求的材料。