一种三相共筒式气体绝缘金属封闭开关柜
阅读说明：本技术 一种三相共筒式气体绝缘金属封闭开关柜 (Three-phase common-cylinder type gas-insulated metal-enclosed switch cabinet ) 是由 王东 于 2021-09-15 设计创作，主要内容包括：本发明技术方案公开了一种三相共筒式气体绝缘金属封闭开关柜,开关柜包括由前至后排布的包含操作面板、操作机构及其二次控制回路的控制室、安装部和用于泄压收集且整体中空的通道；安装部由下至上分别安装有连接室、断路器室和三工位开关室,断路器室为结构呈两个十字正交筒式结构的双筒式气室。本发明可满足较宽工作气压要求,适用于SF6和其他绝缘气体,满足不同电压等级的绝缘水平要求,并可进行组合优化以获得更好的性价比和适用性；又可改善和提高气室的散热效率提高额定电流,还可通过模块化的组合满足开关柜其他功能和参数要求,从而在提高元器件的可靠性、安全性和标准化、系列化程度同时,实现以更好的性价比向环保气体绝缘的绿色发展。(The invention discloses a three-phase common-cylinder type gas-insulated metal-enclosed switch cabinet, which comprises a control chamber, an installation part and an integrally hollow channel, wherein the control chamber is arranged from front to back and comprises an operation panel, an operation mechanism and a secondary control loop of the operation mechanism; the installation part is respectively provided with a connecting chamber, a breaker chamber and a three-station switch chamber from bottom to top, and the breaker chamber is a double-cylinder air chamber with two cross orthogonal cylinder structures. The invention can meet the requirement of wider working air pressure, is suitable for SF6 and other insulating gases, meets the requirements of insulating levels of different voltage grades, and can be combined and optimized to obtain better cost performance and applicability; the heat dissipation efficiency of the air chamber can be improved, the rated current can be increased, and other functions and parameter requirements of the switch cabinet can be met through modular combination, so that the green development from better cost performance to environment-friendly gas insulation is realized while the reliability, safety, standardization and serialization degree of components are improved.)
技术领域
本发明涉及金属封闭开关设备技术领域，尤其是涉及一种三相共筒式气体绝缘金属封闭开关柜。
背景技术
按照GB3906和IEC62271-200标准，3.6KV-52KV开关柜是工厂装配并经型式试验验证、户内或户外安装、包含A、B、C三相开关装置与相关控制、测量、保护、调节和智能化、数字化设备的组合以及与相关的辅件、外壳和支持件及其内部连接所构成的成套装置总称；可按主绝缘介质区分为：以大气空气为主要绝缘介质的空气绝缘开关柜(简称AIS)、以充气气体(如六氟化硫(以下简称SF6)或其他气体)为主要绝缘介质的气体绝缘开关柜(简称C-GIS或充气柜)。
AIS因为以大气空气为绝缘介质，不仅外形尺寸大占地多，而且高压带电体的绝缘可靠性易受到大气、海拔高度、湿度、盐雾、粉尘、小动物等环境因素的影响，因此长期运行的可靠性受环境影响，并必须进行维护、检修或更换，不仅维护、检修成本高，而且因维护、检修引发设备和人身事故的风险也增加。
C-GIS将一次高电压元器件(如断路器或负荷开关、三工位开关等)、母线以及其他器件及其相互连接全部密封在充有绝缘气体(如SF6气体)的气室内，并通过密封的套管与外部电气相连，从而使全部高电压带电体的绝缘性能免受环境影响和免维护，提高运行可靠性；同时，如采用绝缘和散热性能优于空气的气体(如SF6气体)，则结构可以比较紧凑，其外形尺寸和占地面积都缩小。因此，C-GIS在可靠性要求高、维护比较困难、环境污染比较重、空间或占地比较紧张、沿海地区、高海拔地区等变电和配电领域得到很好应用，成为AIS的有效补充和替代。
但是一方面，目前的C-GIS仍主要使用SF6气体，虽然SF6是一种优良的绝缘和灭弧气体，但也是一种限制排放的强当量温室气体。按照联合国公布的数据，SF6的温室效应是二氧化碳(CO2)的23900倍，在大气中的自然分解时间长达3200年左右，难以满足绿色能源和可持续发展需要；而且到目前为止尚未找到理想的替代气体，即使如G3、C4、C5等新型气体其适用性、分解物和毒性等仍有待广泛的验证，而采用如氮气、干燥空气或CO2等环保气体，其绝缘性能仅约为SF6的1/3左右，而且其散热性能也较差，这些都限制了C-GIS的发展。
另一方面，目前C-GIS的密封气室是基于SF6优良的绝缘和散热性能设计的，其工作气压为微正压(即气室内的充气压力略高于大气压，如0.02-0.06MPa相对压)，因此主要采用不锈钢板焊接而成的箱式气室，既不利于通过提高气体压力(如0.3MPa相对压力及以下)提高气体绝缘能力，从而提高了环保气体向较高电压等级(如40.5KV及以上)发展的难度；又由于不锈钢板导热性能较差，不利于开关柜散热的需要，从而提高了C-GIS向较大电流等级(如2500A及以上)发展的难度；还不利于工厂生产和现场维护检修所需的抽真空(如-0.1MPa)需要；导致各制造厂的产品、不同绝缘气体、不同电压等级、不同电流等级的C-GIS结构形式、外形尺寸乃至安装、操作和维护要求不同，给用户设计、施工、安装和维护以及扩建和改造带来不便，也给制造厂自身生产带来不便，也限制了C-GIS的标准化、系列化发展。
再一方面，虽然也有C-GIS采用筒式的密封气室结构，但或者三相是分开的，即三个铝圆筒气室前后布置构成为三相C-GIS，又或者虽然三相在同一钢筒内，但不仅内装元器件(如断路器、三工位开关等)三相垂直三角形布置并分散安装，难以采用目前成熟应用的三相水平布置集成型式，而且所有元器件共处一室不能分隔从而降低了开关柜的可靠性，并且在安装现场要连接柜间母线时，需要打开每台开关柜的母线气室、连接好母线后再密封气室并处理气体(抽真空和充绝缘气体)，因此每台开关柜的母线气室不是独立而是几台或全部连通的，一旦有一台母线气室有问题就会影响其他，既提高了安装的要求和成本，也同样降低了开关柜母线的可靠性。
同时，由于开关柜要求具有在一定电流(常为额定短路开断电流，如：25KA、31.5KA)和一定时间(如0.5秒或1秒)内的耐内部电弧燃烧的能力，以确保万一故障情况下的人身、系统和设备安全，而采用铝、合金铝作为密封气室材料时，特别是三相发生短路时，由于其耐电弧性能较差也限制了应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种三相共筒式中压气体绝缘开关柜，可以在较宽工作气压(如-0.1MPa—0.3MPa相对气压)下工作，从而既适用于SF6也适用于其他绝缘气体，可通过不同绝缘气体、额定气压组合调整满足不同电压等级的绝缘水平要求，并可进行组合优化以获得更好的性价比和适用性；又可改善和提高密封气室的散热效率提高额定电流，还可通过模块化的组合实现开关柜其他功能和参数要求，从而在提高3.6KV-52KV C-GIS及其元器件的可靠性、安全性和标准化、系列化程度同时，实现以更好的性价比向环保气体绝缘的绿色发展。
为解决上述的技术问题，本发明技术方案提供一种三相共筒式气体绝缘金属封闭开关柜，其中，所述开关柜包括：
由前至后排布的包含操作面板、操作机构及其二次控制回路的控制室、安装部和用于泄压收集且整体中空的通道；
所述安装部由下至上分别安装有连接室、断路器室和三工位开关室，其中，
所述断路器室为结构呈两个十字正交筒式结构的双筒式气室；
所述三工位开关室母线顶部扩展为结构呈两个十字正交筒式结构的双筒式气室或、母线侧面扩展为结构呈三个十字正交筒式结构的三筒式气室。
可选地，所述断路器室为两个圆筒轴线十字正交结构的双筒式气室，且筒口位置分别设置有第一前封板、第一后封板、与所述三工位开关室共用的中封板和下封板。
可选地，所述下封板上安装有固定于底部的进出线套管，安装于所述第一前封板内面的且与所述进出线套管连接的断路器极柱，安装于所述第一前封板外面的用于操作所述断路器极柱的第一操作机构，所述第一后封板外面安装第一泄压阀，所述下封板上且位于所述进出线套管外设置第一耐弧装置，设于所述断路器室内的三相所述断路器极柱水平一字排列。
可选地，所述三工位开关室为两个圆筒轴线十字正交结构的双筒式气室，且筒口位置分别设置第二前封板、第二后封板、与所述断路器室共用的所述中封板和上封板；所述中封板上安装有连接套管和设置于所述连接套管外的第二耐弧装置，所述第二前封板内面与三工位开关的前端安装，所述三工位开关的中端通过中间动触座与所述连接套管连接，所述三工位开关的后端通过设置于所述第二后封板上的支撑绝缘子支架与安装于所述上封板内面的母线外锥套管连接，所述第二后封板外面安装第二泄压阀，所述第二前封板外面安装有用于控制所述三工位开关的第二操作机构，设于所述三工位开关室内的三相所述三工位开关的前端、中端和后端水平一字排列。
可选地，所述第一泄压阀、所述第二泄压阀、所述连接室与所述通道联通。
可选地，所述三工位开关室为三个圆筒轴线十字正交结构的三筒式气室，且筒口位置分别设置第二前封板、与所述断路器室共用的所述中封板和第二后封板；所述中封板上安装有连接套管和设置于所述连接套管外的第二耐弧装置，所述第二前封板内面与所述三工位开关的前端安装，所述三工位开关的中端通过中间动触座与所述连接套管连接，所述三工位开关的后端通过设置于所述第二后封板上的所述支撑绝缘子支架与安装于所述三工位开关室的上方筒式气室中的母线及内锥套管连接，所述第二后封板外面安装第二泄压阀，所述第二前封板外面安装有用于控制所述三工位开关的第二操作机构，设于所述三工位开关室内的三相所述三工位开关的前端、中端和后端水平一字排列。
可选地，所述第一泄压阀、所述第二泄压阀、所述连接室与所述通道联通。
本发明技术方案的有益效果是：
本发明的一种三相共筒式中压气体绝缘开关柜，可以满足较宽工作气压(如-0.1MPa—0.3MPa相对气压)要求，既适用于SF6也适用于其他绝缘气体，在较小外形尺寸下通过不同绝缘气体、额定气压组合调整满足不同电压等级的绝缘水平要求，并可进行组合优化以获得更好的性价比和适用性；又可改善和提高气室的散热效率提高额定电流，还可通过模块化的组合满足开关柜其他功能和参数要求，从而在提高3.6KV-52KV C-GIS及其元器件的可靠性、安全性和标准化、系列化程度同时，实现以更好的性价比向环保气体绝缘的绿色发展。
附图说明
图1为本发明顶部扩展式的三相共筒式气体绝缘金属封闭开关柜的结构示意图；
图2为本发明顶部扩展式的三相共筒式气体绝缘金属封闭开关柜的内部结构示意图；
图3为本发明顶部扩展式的断路器室和三工位开关室的结构示意图；
图4为本发明顶部扩展式的断路器室和三工位开关室的双筒式立体图；
图5为本发明侧面扩展式的三相共筒式气体绝缘金属封闭开关柜的结构示意图；
图6为本发明侧面扩展式的三相共筒式气体绝缘金属封闭开关柜的内部结构示意图；
图7为本发明侧面扩展式的断路器室和三工位开关室的结构示意图；
图8为本发明侧面扩展式的三工位开关室的三筒式立体图。
具体实施方式
：
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
请参见图1、图2、图3和图4所示，示出了一种实施例的三相共筒式气体绝缘金属封闭开关柜，其中，开关柜包括：
由前至后排布的包含操作面板、操作机构及其二次控制回路的控制室1、安装部和用于泄压收集且整体中空的通道29；
安装部由下至上分别安装有连接室2、断路器室5和三工位开关室3/4，其中，
断路器室5为结构呈两个十字正交筒式结构的双筒式气室；
三工位开关室母线顶部扩展3为结构呈两个十字正交筒式结构的双筒式气室(如图1和图4所示)或、母线侧面扩展4为结构呈三个十字正交筒式结构的三筒式气室(如图5和图8所示)。
如图2、图3所示本实施例中，断路器室5为两个圆筒轴线十字正交结构的筒式气室，且筒口位置分别设置有第一前封板13、第一后封板15、与三工位开关室3共用的中封板16和下封板17。下封板17上安装有固定于底部的进出线套管19，安装于第一前封板13内面的且与进出线套管19连接的断路器极柱10，安装于第一前封板13外面的用于操作断路器极柱10的第一操作机构20，第一后封板15外面安装第一泄压阀33，下封板17上且位于进出线套管19外设置第一耐弧装置21，设于断路器室5内的三相断路器极柱10水平一字排列。
本实施例中，三工位开关室3为两个圆筒轴线十字正交结构的双筒式气室，且筒口位置分别设置第二前封板12、第二后封板14、与断路器室5共用的中封板16和上封板161；中封板16上安装有连接套管18和设置于连接套管18外的第二耐弧装置211，第二前封板12内面与三工位开关9的前端安装，三工位开关9的中端通过中间动触座11与连接套管18连接，三工位开关9的后端通过设置于第二后封板14上的支撑绝缘子支架25与安装于上封板161内面的母线外锥套管23连接，第二后封板14外面安装第二泄压阀331，第二前封板12外面安装有用于控制三工位开关9的第二操作机构22，设于三工位开关室3内的三相(包括A相、B相、C相)三工位开关9的前端、中端和后端水平一字排列。
本实施例中，第一泄压阀33、第二泄压阀331、连接室2与通道29联通。
如图5、图6、图7和图8所示，本实施例中，三工位开关室4为三个圆筒轴线十字正交结构的三筒式气室，且筒口位置分别设置第二前封板12、与断路器室5共用的中封板16和第二后封板14；中封板16上安装有连接套管18和设置于连接套管18外的第二耐弧装置211，第二前封板12内面与三工位开关9的前端安装，三工位开关9的中端通过中间动触座11与连接套管18连接，三工位开关9的后端通过设置于第二后封板14上的支撑绝缘子支架25与安装于三工位开关室4的上方筒式气室7中的母线内锥套管24连接，第二后封板14外面安装第二泄压阀331，第二前封板12外面安装有用于控制三工位开关9的第二操作机构22，设于三工位开关室4内的三相(包括A相、B相、C相)三工位开关9的前端、中端和后端水平一字排列。
本实施例中，第一泄压阀33、第二泄压阀331、连接室2与通道29联通。
通过以下说明进一步地认识本发明的特性和功能。
一种三相共筒式中压气体绝缘开关柜，按其母线扩展方式分为两种结构，第一种是母线顶部扩展结构(如图1-图4的结构)，包括：包含位于前面的操作面板、操动机构及其二次控制回路的控制室1，位于中下部用于进出线连接的连接室(如电缆、管母，也叫电缆室)2，位于中上部包含三工位开关(或和母线)并密封在充有绝缘气体的筒式气室内的三工位开关室3，位于中中部包含断路器(或负荷开关)并密封在充有绝缘气体的筒式气室内的断路器室5，位于后面用于泄压收集的通道29等隔室构成；第二种是母线侧面扩展结构(如图5-图8的结构)，除位于中上部的三工位开关室4有所不同外，其余均与第一种相同。
如图1-图8所示，三工位开关室3、4分别和断路器室5上、下连接构成开关柜顶部扩展和侧面扩展结构的主回路，相互间可用金属板分隔、气体系统独立并采用模块化设计，三工位开关室3、4和断路器室5均采用三相共筒式结构，即A、B、C三相在同一筒式气室内，筒式气室6、7、8(顶部扩展的三工位开关室的内部气室为筒式气室6，侧面扩展的三工位开关室的内部气室为筒式气室7，断路器室的内部气室为筒式气室8)采用两圆筒或三圆筒轴线十字正交组合结构并由铝、合金铝或钢制成，三工位开关室3、4内安装的三工位开关9和断路器室5内安装的断路器(或负荷开关)极柱10在筒式气室6、7、8内A、B、C三相水平一字排列并分别与操动机构22、20连成为整体，母线顶部扩展和侧面扩展都采用插拔式扩展连接方式。
如图3、图4所示，筒式气室6、8采用两圆筒(如外径为400mm、600mm、800mm等)轴线十字正交组合而成的气室结构，以使内部安装的三相元器件(如三工位开关9、断路器极柱10等)及其相互连接所需绝缘距离在较小圆筒尺寸下得到满足；筒式气室7为实现母线侧面扩展，在筒式气室6两圆筒轴线十字正交气室的上面、其轴线垂直于两圆筒轴线十字正交平面增加一个相交圆筒，构成三圆筒轴线十字正交结构，用于母线侧面扩展；筒式气室6、7、8采用防腐和传热较好的铝、合金铝或钢制成，并可增加棱片以进一步提高散热性能；筒式气室6、7、8的前、后面可安装有气密结构的第一、第二前封板13、12和第一、第二后封板15、14，筒式气室6、8安装有气密结构的上封板161、中封板16和下封板17，筒式气室8的上封板161可成为筒式气室6的下封板(即中封板16)；筒式气室7只有与筒式气室8共用的封板16；以此构成或组合后构成三工位开关室3、4和断路器室5的密封功能，从而利用筒式结构耐压能力大、机械变形小的特点，在一定范围内(如-0.1MPa—0.3MPa相对压力)满足所充绝缘气体的工作要求。
断路器室5包含密封在筒式气室8内的三相断路器极柱10、连接套管18、进出线套管19、泄压阀33和绝缘气体等，其总体布置采用前后和上下方式以适合筒式气室的结构特点，即断路器极柱10安装在筒式气室8第一前封板13内表面，连接套管18位于断路器极柱10上方，用于与三工位开关9直接进行电气连接，进出线套管19位于断路器极柱10下方并安装在筒式气室8下封板17上，用于与外部的电缆、避雷器、电压互感器等进行插拔式绝缘的电气连接，三相布置利用筒式气室8的十字正交结构实现断路器极柱10的A、B、C三相共筒和水平一字排列；断路器极柱10的操动机构20安装在筒式气室8第一前封板13外表面，通过密封传动方式驱动筒式气室8内的断路器极柱10，使断路器集成为整体；第一泄压阀33安装在筒式气室8的第一后封板15上；在筒式气室8内下封板17上、进出线套管19周围安装第一耐弧装置21，提高内部电弧能力。
三工位开关室3用于顶部扩展时，包含密封在筒式气室6内的三相三工位开关9(隔离和接地)、母线外锥套管23、第二泄压阀331和绝缘气体等。
三工位开关室4用于侧面扩展时，包含密封在筒式气室7内的三相三工位开关9(隔离和接地)、母线及其母线内锥套管24、第二泄压阀331和绝缘气体等。
其总体布置采用前后和上下方式以适合筒式气室3、4的结构特点，即三工位开关9的前端(接地端)固定在筒式气室6、7的第二前封板12内面，中间动触座11通过固定在中封板16上的连接套管18与断路器极柱10连接，后端在三工位开关室3内与母线外锥套管23连接、在三工位开关室4与内锥套管24构成的母线连接，并均通过支撑绝缘子及支架25固定在筒式气室6、7的第二后封板14内，三相布置利用筒式气室6、7的十字正交结构实现三相共筒和水平一字排列；三工位开关9的操动机构22安装在筒式气室6、7的第二前封板12外表面，并通过密封传动方式驱动气室内的三工位开关9并集成为整体；第二泄压阀33安装在筒式气室6、7的第二后封板14上；在筒式气室6、7内的中封板16上、连接套管18周围安装第二耐弧装置211，提高耐燃弧能力。
三工位开关室3、4和断路器室5可简化合成为一个隔室，隔室包含了开关柜的主回路并处在同一密封气体系统的筒式气室内；筒式气室可以是一体结构也可以是三工位开关室3或4和断路器室5的筒式气室6或7与8的组合，三工位开关和断路器极柱在筒式气室6、7、8内同样是上下布置、三相水平一字排列并集成整体。
三工位开关室3、4和断路器室5内充有绝缘气体，绝缘气体可以是SF6，也可以是氮气、干燥空气或其他气体以及混合气体等多种适用气体；而且由于筒式气室6、7、8的结构特点，通过气体-固体复合绝缘配合以及带电元器件结构和电场的优化，不仅可以灵活选择绝缘气体及其额定充气压力满足不同电压等级(如12KV/SF6/0.1MPa、12KV/干燥空气/0.12MPa、12KV/C5/0.12MPa、40.5KV/SF6/0.12MPa、40.5KV/N2/0.25MPa等选择和组合)的绝缘要求，适合各种绝缘气体使用(其充气压力一般不超过0.3MPa(相对压力))，并可进行组合优化以获得更好的性价比和适用性；还可在改善散热性能同时，使C-GIS不同规格的产品外形尺寸(包括安装尺寸)和结构尽量统一或减少差异，形成筒式气室6、7、8及其内装元器件(如三工位开关和断路器、套管等)的模块化设计和专业化生产(如12KV/1250A与40.5KV/1250A、12KV/2500A与40.5KV/2500A等可使用相同外形尺寸的筒式气室6、7、8或其组合)，并易于实现较大额定电流(如3150A、4000A等)，从而提高C-GIS及其元器件的可靠性、安全性和标准化、系列化程度，在实现绿色发展的同时降低成本并便于安装、使用和维护。
综上所述，本发明的一种三相共筒式中压气体绝缘开关柜，可以满足较宽工作气压(如-0.1MPa—0.3MPa相对气压)要求，既适用于SF6也适用于其他绝缘气体，在较小外形尺寸下通过不同绝缘气体、额定气压组合调整满足不同电压等级的绝缘水平要求，并可进行组合优化以获得更好的性价比和适用性；又可改善和提高气室的散热效率提高额定电流，还可通过模块化的组合满足开关柜其他功能和参数要求，从而在提高3.6KV-52KV C-GIS及其元器件的可靠性、安全性和标准化、系列化程度同时，实现以更好的性价比向环保气体绝缘的绿色发展。
以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所做出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。
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