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1 电气主接线概述

电气主接线是由高压电器通过连接线按其功能要求组成接受和分配电能的电路，构成传输强电流、高电压的网络，又称为一次接线或电气主系统。电气主接线是发电厂、变电站电气部分的主体，主接线的拟定与设备的选择、配电装置的布置、继电保护和自动装置的确定、运行可靠性、经济性以及电力系统的稳定性和调度的灵活性等密切相关。电气主接线的基本接线形式为有母线接线和无母线接线，其中，有母线接线包括单母线分段接线、双母线接线。

（1）单母线分段接线。单母线分段接线是将一段母线用断路器分为两段，其优点是接线简单清晰，设备少，投资小，运行操作方便；缺点是母线故障或检修时会造成部分回路停电，可靠性和灵活性较差。

（2）双母线接线。双母线接线是将工作线、电源线和出线通过一台断路器和两组隔离开关连接到两组母线上，且两组母线都是工作线，每一回路都可以通过母线联络断路器并列运行。与单母线相比，其优点是供电可靠性高，可以轮流检修母线而不使供电中断；缺点是每一回路都增加了一组隔离开关，使配电装置的构架及占地面积、投资费用相应增加，在改变运行方式时容易发生误操作，且不宜实现自动化。

气体绝缘金属封闭开关设备属于中压领域的配电设备，气箱由不锈钢板焊接而成，一次通流部分封装在密闭的气室内，气室内部气体的相对压力为0.05MPa左右，气体一般为纯净的SF6气体或其他混合气体。该系列产品被大量使用在各种不同场所的单母线系统，近年来双母线接线方式使用气体绝缘金属封闭开关设备的项目越来越多，无论是单母线系统还是双母线系统，主接线的拟定都和系统所使用的开关设备结构设计有关。

2 双母线气体绝缘金属封闭开关设备的缺点

双母线接线是基于单母线接线的缺点提出来的，双母线接线中的一组为工作母线，另一组为备用母线，并通过母联断路器并联运行。早期的40.5kV双母线接线的气体绝缘金属封闭开关设备的缺点如下：

（1）产品体积大，成本高，占地面积较大，投资费用较高。气箱部分焊接为一整体，造成气箱体积大，搬运困难，且设置的气室多，密封面多，密封结构复杂，漏气的风险高，产品运行后，检修及维护不方便。

（2）未实现自动化控制，运行安全程度不高。气体绝缘金属封闭开关设备的隔离、接地开关未实现电动操作；断路器、电缆室的压力释放通道不符合相关标准和用户要求，影响着相邻开关设备之间的安全运行和操作维护者的人身安全。

（3）操作费时费力。当任何一段母线出现故障时，必须在短时间内切除相关电源和线路的故障，通过人工操作，费时费力，效率低，容易发生误操作，并且在短时间内无法实现快速切除故障和及时送电。

（4）温升问题。40.5kV气体绝缘金属封闭开关设备是将母线、三工位开关、断路器、电流互感器等元器件安装于气室中，为了防止气体的泄漏，一次导电部分和绝缘气体完全封闭在密封的气室中，气室的防护等级一般为IP65～IP67，为了满足耐腐蚀和高强度的要求，大多数气箱由不锈钢板焊接而成，气箱内部产生的热量只有通过不锈钢板的表面与外界实现热量交换，而不锈钢板的导热率很低，通过不锈钢板传导出去的热量较少，因此气体绝缘开关设备尤其是大电流设备的温升问题尤为突出。

3 双母线气体绝缘金属封闭开关设备的设计

现阶段，40.5kV双母线气体绝缘金属封闭开关设备的设计有效地利用开关设备的空间，在完成功能设计的基础上，减小了开关设备的体积和占地面积，改善了开关设备的温升问题，以保证压力释放通道符合相关标准和用户要求，确保开关设备的安全运行和操作维护者的人身安全，详细设计介绍如下。

3.1 总体结构设计

40.5kV双母线气体绝缘金属封闭开关设备总体结构设计如图1所示，开关设备分为前柜、第一母线室、第二母线室、断路气室、连接气室、后柜和电缆室七个部分，各部分通过螺栓连接为一个整体，前柜为低压室，其他隔室均为高压室。在自然冷却的情况下，额定电流可达到2000～2500A，满足大多数用户的需求。

图1 双母线气体绝缘金属封闭开关设备的总体结构设计

3.2 气箱结构组合设计

40.5kV双母线气体绝缘金属封闭开关设备各模块组合的结构设计如图2所示，前、后柜和电缆室为独立的设计模块；将第一母线室、第二母线室、断路器室、连接气室进行结构组合设计，第一母线室和断路器室组合为前气箱，第二母线室和连接气室组合为后气箱。前气箱、后气箱均由不锈钢板焊接而成，前气箱焊接为一个L形气箱，包括第一母线室和断路室，第一母线室和断路室之间用不锈钢板和安装在其上的导电连接法兰隔开，形成两个独立的隔室；后气箱焊接为一个长方形气箱，包括第二母线室和连接气室，第二母线室和连接气室之间也用不锈钢板和安装在其上的导电连接法兰隔开，形成两个独立的隔室；后气箱放置于前气箱L形的折弯处，并通过上下连接板及连接螺栓固定为一个整体。

图2 双层双母线气体绝缘金属封闭开关设备气箱的组合结构设计

3.3 密封法兰的设计

密封法兰为机械加工的金属件如图3所示，未开密封槽的面端与前气箱的连接面密封焊接，开密封槽的端面，在密封槽内镶嵌密封圈，该端面与后气箱的连接面相连接，并用螺钉紧固。密封法兰解决了气体绝缘金属封闭开关设备气箱间气室的连接问题，使开关设备各气箱间的连接安全可靠，既保证了铜排的可靠连接，又保证了铜排的电气间隙，结构简单。

图3 母联方案

3.4 断路器的设计

双母线断路器采用模块化结构和鸭嘴式触头插入式的柔性连接，如图4所示，即前后气箱内部的元器件装配完成后，断路器作为一个整体横向插入气箱，完成气箱的最后装配，使断路器的装配和维护更简单。

图4 断路器装配

3.5 满足防止内部故障电弧要求的设计

40.5kV双母线气体绝缘金属封闭开关设备内部故障电弧释放示意图如图5所示，按照国家标准要求和用户的要求，应将IAC等级水平作为开关设备设计的关键指标，内部故障电弧允许持续时间应不小于0.5s，该产品断路器室、第一母线室、第二母线室和电缆室均设有独立的泄压通道和压力释放装置，压力释放装置喷口朝向避开了巡视通道和其他设备，因此该系列开关设备的内部电弧等级(IAC级)设计为AFLR，内部故障电弧允许持续时间不小于0.5s。

图5 双母线开关设备内部故障电弧释放示意图

4 拓展设计

4.1 双母线电气主系统方案拓展设计

为了满足电气主系统各种设计方案、相关标准和用户的要求，在开关设备外形尺寸、组合气箱外形尺寸不变的情况下，每相可以安装多个电缆锥、多个电流互感器，还可以连接插接式避雷器、插接式电压互感器、试验接头等，形成各种拓展方案，开关设备的母线室可以适当加高外形尺寸以用来直接安装母线插接式避雷器或母线插接式电压互感器，进行母线的保护和计量，母线室的尺寸加高不影响开关设备的功能（如图6所示）。

图6 多方案拓展设计

4.2 系列化的拓展设计

根据电气主系统设计方案的要求，双母线40.5kV气体绝缘金属封闭开关设备为组合式气箱的结构设计，双气箱时可满足双母线双层锥（母线额定电流为2000～2500A）和双母线单层锥（母线额定电流为1250A）的要求，形成双母线系列开关设备，拆去后气箱，在多数元器件不变、部分结构尺寸不变的情况下，同样满足单母线双层锥（母线额定电流为2000～2500A）和单母线单层锥（母线额定电流为1250A）的要求，形成单母线系列开关设备，满足更多用户的需求（如图7所示）。

图7 多方案拓展设计

5 结束语

40.5kV双母线气体绝缘金属封闭开关设备利用双层布置母线锥解决了气体绝缘金属封开关设备的温升问题，使双母线的任意一条母线温升低，体积小，双层布置的母线锥可根据电流大小设计为单层母线锥，开关设备通用性强，扩展方便。该开关设备采用组合式双气箱，每个气箱设置两个气室，易于各气箱零部件的加工和气箱的整体焊接，组合式双气箱的4个气室通过组合和连接，使结构设计方案灵活多变，既满足双母线气体绝缘金属封闭开关设备各种设计方案的要求，又满足单母线气体绝缘金属封闭开关设备各种设计方案的要求。气箱通用化、标准化程度高，断路器采用模块化结构和触头插入式的柔性连接，使断路器的装配、更换简单，有效降低了装配成本和减小开关设备的外形尺寸。各元器件通过有效组合和安装，使各隔室的元器件安装方便，满足各自性能的要求。各隔室通过合理设计布局和连通，保证在开关设备产生内部电弧时，高温高压的气体在压力释放通道的导流下全部从柜顶释放，不伤及人员，不影响开关柜相互独立的隔室之间和相邻的开关柜之间的安全运行。在实际工程的应用中，该开关设备的方案灵活多变，易于选用，并有利于组织工程设计和批量生产。