China
English35kV 变电站高压开关柜的绝缘设计与温升控制
一、 绝缘设计：构筑系统的“免疫系统”
绝缘系统的目标，是在设备整个生命周期内，承受各种过电压（工频、雷电、操作冲击）而不发生故障。其设计遵循“场强均匀化”和“绝缘裕度”两大核心原则。
1.1 绝缘介质的选择与组合
现代35kV开关柜主要采用三种绝缘介质组合方式：
绝缘介质 | 应用场景 | 优点 | 缺点 | 设计要点 |
大气绝缘（空气） | 作为主绝缘和断口绝缘 | 成本低、自恢复、环保 | 绝缘强度低（3kV/mm），受湿度、灰尘影响大 | 关键：保证足够的净空气距离 |
固体绝缘（环氧树脂/SMC） | 断路器灭弧室、绝缘子、穿墙套管、触头盒 | 绝缘强度高（20kV/mm），机械强度好，可塑性强 | 成本高，损坏不可恢复，有老化问题 | 关键：优化浇注工艺，避免内部气隙；控制场强≤2kV/mm |
复合绝缘（空气+固体） | 主导电回路对地、相间 | 结合两者优点，缩小柜体尺寸 | 界面处的电场控制是难点 | 关键：加装屏蔽罩/均压环，均匀化电场 |
结论：当前主流设计为 “空气为主，固体为辅，复合绝缘关键部位” 的模式。KYN61-40.5等型号的中置式开关柜即是此设计的典型代表。
1.2 绝缘距离的确定
根据GB/T 11022《高压开关设备和控制设备标准的共用技术要求》，35kV系统的额定绝缘水平为：
额定电压（Ur）: 40.5kV
1min工频耐受电压（Ud）: 95kV (断口间 118kV)
雷电冲击耐受电压（Up）: 185kV (断口间 215kV)
基于此，最小空气净距（相间、相对地）通常设计为 ≥300mm。考虑制造公差和安全裕度，实际产品一般控制在 360mm~400mm。
高海拔修正：对于海拔高于1000m的地区，需进行修正。公式为：`实际距离 = 标准距离 × 海拔修正系数Ka`。例如，2000m海拔的修正系数约为1.13，则最小净距需增至约340mm。
1.3 电场优化设计：均压与屏蔽
这是绝缘设计的精髓，目的是消除局部电场集中。
均压措施：
主导电回路：所有直角和尖角部位进行倒圆角处理（R≥5mm）。
断路器断口：在动、静触头端部加装均压环（屏蔽罩），使断口间的电场分布均匀，提高绝缘强度。
屏蔽措施：
高压部件：在电流互感器（CT）、电压互感器（PT）、支持绝缘子等部件周围设置接地屏蔽，避免其对柜体产生强电场。
现代设计工具：采用电场有限元仿真（FEM），在设计阶段即可模拟电场的分布情况，优化屏蔽罩的形状和位置，实现“精准设计”。
二、 温升控制：管理系统的“新陈代谢”
温升（ΔT）是设备发热与散热的平衡结果。国标（GB/T 11022）规定，35kV开关柜在额定电流下，各部位的温升限值如下：
主导电回路（触头、接线端子）: ≤65K (环境温度40℃时，最高温度≤105℃)
可接触的金属外壳: ≤30K
绝缘材料表面: ≤70K
2.1 发热源分析
1. 主导电回路电阻损耗（I²R）：这是最主要的发热源，包括断路器触头、隔离开关触头、静触头、电缆连接点的接触电阻和导体本身的体电阻。
2. 涡流损耗：交变磁场在钢板外壳上感应出涡流，产生热量。这是柜体发热的主要原因。
3. 磁滞损耗：存在于CT、PT等铁芯元件中。
2.2 散热途径与强化措施
温升控制的核心是 “开源节流”：减少发热（降低电阻），增强散热。
散热途径 | 强化措施 | 说明 |
传导 | 1. 优化接触电阻： - 触头镀银（厚度≥8μm） - 规定足够的接触压力（如200-250N） - 涂抹导电膏2. 使用高导电材料：- 主母线采用T2系列紫铜排 | 这是最有效的措施，从源头减少发热。 |
对流 | 1. 自然对流： - 在柜体顶部、底部设计合理的通风百叶窗 - 确保“低进高出”的气流通道2. 强制风冷： - 对大电流柜（如3150A以上），加装智能温控风机 | 避免通风死区。强制风冷需考虑防尘和噪音。 |
辐射 | 1. 表面处理： - 保持柜体表面深色（如皱纹漆），提高辐射系数2. 增加散热面积： - 在发热点（如断路器安装板）加装散热翅片 | 辐射散热量相对较小，是辅助手段。 |
抑制涡流 | 1. 非导磁材料： - 在母线穿越的开孔处使用不锈钢板或非导磁铝板作为隔磁条2. 结构优化： - 避免形成闭合的导磁回路 | 此措施能显著降低柜体发热。 |
三、 绝缘与温升的相互影响：恶性循环与解决之道
绝缘和温升并非独立存在，而是紧密耦合，可能形成恶性循环：
> 接触不良 → 接触电阻增大 → 局部过热（温升超标）→ 绝缘材料（如触头盒）高温老化，性能下降 → 绝缘性能劣化，形成局部放电 → 局部放电进一步腐蚀导电件，加剧接触不良 → … 最终导致绝缘击穿或电弧短路。
解决之道：
1. 在线监测：在重要开关柜上安装无线测温系统（传感器置于触头、电缆接头等处），实时监测温升。
2. 状态检修：结合红外热像仪定期巡检，发现隐性发热点。
3. 质量把控：在设备出厂前，必须通过温升试验，验证其在1.1倍额定电流下的温升是否符合设计预期。
四、 总结：优秀设计的黄金法则
1. 绝缘是根本：通过电场仿真优化结构，保证足够的绝缘距离和绝缘裕度，确保耐压水平达标。
2. 温升是关键：通过降低接触电阻和抑制涡流从源头减热，通过优化散热通道增强散热能力。
3. 监测是保障：将“定期检修”变为“预测性维护”，通过在线测温等手段，主动发现隐患。
最终目标：打造一个绝缘强度充裕、温升水平稳定、在整个生命周期内免维护或少维护的高可靠性35kV开关柜，为电网的安全稳定运行提供坚实保障。