三工位隔離接地開關(guān)三相動(dòng)熱穩(wěn)定性能驗(yàn)證

朱科　杜少云　張宇　肖鶴旋

（河南平芝高壓開關(guān)有限公司，河南　平頂山　467013）

三工位隔離接地開關(guān)三相動(dòng)熱穩(wěn)定性能驗(yàn)證

朱科杜少云張宇肖鶴旋

（河南平芝高壓開關(guān)有限公司，河南平頂山467013）

按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB1985規(guī)定的隔離接地開關(guān)（以下簡(jiǎn)稱DS/ES）型式試驗(yàn)要求，電氣開關(guān)設(shè)備必須滿足動(dòng)穩(wěn)定和熱穩(wěn)定性能的要求。本文介紹了一種三相共箱式三工位DS/ES和三相動(dòng)、熱穩(wěn)定（以下簡(jiǎn)稱STC）試驗(yàn)失敗與成功的過程，整理相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)并綜合分析。為了有效地應(yīng)對(duì)動(dòng)、熱穩(wěn)定性能的要求，探討DS/ES接觸部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的應(yīng)用。

隔離接地開關(guān)；三工位；三相共箱式；動(dòng)穩(wěn)定&熱穩(wěn)定；三相試驗(yàn)

電氣設(shè)備動(dòng)、熱穩(wěn)定性能試驗(yàn)驗(yàn)證，不僅考核了設(shè)備承載短時(shí)大電流熱效應(yīng)的能力，也驗(yàn)證了設(shè)備整體絕緣和機(jī)械強(qiáng)度。隨著國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB術(shù)語與國(guó)際化標(biāo)準(zhǔn)IEC術(shù)語的進(jìn)一步融合規(guī)范，術(shù)語“動(dòng)穩(wěn)定和熱穩(wěn)定性能”被“額定峰值耐受和額定短時(shí)耐受”替代。額定短時(shí)耐受性能試驗(yàn)（即：熱穩(wěn)定試驗(yàn)），在規(guī)定的使用和性能條件下，在額定短路持續(xù)時(shí)間內(nèi)，電器在關(guān)合位置所能承載的額定短時(shí)電流有效值。額定短路持續(xù)時(shí)間，在電氣設(shè)備合閘位置時(shí)能承載額定短時(shí)耐受電流的時(shí)間間隔。額定峰值耐受性能試驗(yàn)（即：動(dòng)穩(wěn)定試驗(yàn)），在規(guī)定的使用和性能條件下，機(jī)械開關(guān)在合閘位置時(shí)能承載的額定短路耐受電流第一個(gè)大半波的電流峰值。通常，額定峰值耐受電流標(biāo)準(zhǔn)值等于2.5倍額定短時(shí)耐受電流。當(dāng)系統(tǒng)直流分量的衰減時(shí)間常數(shù)大于45ms，并結(jié)合電力系統(tǒng)特性和電氣開關(guān)設(shè)備的操作特點(diǎn)，額定峰值耐受電流標(biāo)準(zhǔn)值會(huì)大于2.5倍額定短時(shí)耐受電流，按照IEC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定可以為2.6倍，2.7倍，如若遇到此種特殊倍數(shù)要求，需要在相關(guān)技術(shù)條件中明確。

1　三相共箱式三工位DS/ES

本文介紹的三相共箱式三工位DS/ES，動(dòng)、熱穩(wěn)定性能驗(yàn)證的目標(biāo)值如下：額定短時(shí)耐受電流40kA（rms），額定短路持續(xù)時(shí)間3s，額定峰值耐受電流100kA（peak），峰值耐受時(shí)間為20ms（0.3/15=0.02s）。動(dòng)、熱穩(wěn)定性能試驗(yàn)采用三相直接試驗(yàn)法，相間電壓按照試驗(yàn)理論上不需要施加，但由于試驗(yàn)站內(nèi)電氣設(shè)備實(shí)際電壓控制能力和水平受限，直接試驗(yàn)時(shí)相間電壓基本上等于系統(tǒng)電壓，且不大于3000V，同時(shí)對(duì)三相試驗(yàn)回路有相對(duì)嚴(yán)格地要求，保持三相系統(tǒng)電流基本平衡。

圖一　DS/ES三維內(nèi)部構(gòu)造

圖二　DS/ES三相動(dòng)、熱穩(wěn)定試驗(yàn)姿態(tài)

2　DS/ES三相STC試驗(yàn)

三相直接法STC試驗(yàn)過程，試品內(nèi)為零表壓SF6，電阻為銅排至ES接地座，當(dāng)試驗(yàn)電流持續(xù)時(shí)間達(dá)到2.5s左右時(shí)，試驗(yàn)記錄波形顯示A、B兩相沒能耐受住額定短時(shí)電流，從而放電→擊穿→燒毀，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表一所示，STC失敗記錄詳見圖三。

表一　DS/ES試驗(yàn)數(shù)據(jù)（失敗）

圖三　STC失敗記錄

3　查找、分析失敗原因

三工位隔離接地開關(guān)在動(dòng)、熱穩(wěn)定試驗(yàn)遭遇失敗后，我們首先對(duì)試驗(yàn)樣機(jī)安全排毒處置，然后進(jìn)行了解體檢查，通過對(duì)毀壞零部件的仔細(xì)勘查和殼體內(nèi)部燒蝕及殘留痕跡進(jìn)行分析，從而進(jìn)一步研討，排除了制造間隙和關(guān)鍵尺寸不良的問題。隨后經(jīng)查閱DS/ES原始設(shè)計(jì)資料發(fā)現(xiàn)，接地開關(guān)側(cè)裝螺旋彈簧觸指的槽深直徑為￠85.4mm和隔離開關(guān)側(cè)裝螺旋彈簧觸指的槽深直徑￠84.8mm不一致，雖然直徑方向只有0.6mm，單邊也不過0.3mm的差距，但足以影響到整個(gè)接觸部位的接觸電阻，因?yàn)榻佑|電阻不均勻會(huì)導(dǎo)致三相電流失衡，從而引發(fā)三相STC試驗(yàn)的失敗。再者經(jīng)過核算DS/ES靜觸頭端單段式￠1.3mm線徑的螺旋彈簧觸指，得出該單段式結(jié)構(gòu)難以滿足短時(shí)通流40kA的結(jié)論。經(jīng)過研討和相似結(jié)構(gòu)類比，確定重新設(shè)計(jì)彈簧觸指，合理控制接觸點(diǎn)的壓力和間隙擠壓變形量，整體控制觸頭接觸部的接觸電阻，從上述方面入手制定應(yīng)對(duì)STC性能的措施。

4　靜端螺旋彈簧觸指和環(huán)槽設(shè)計(jì)校核

目前彈簧觸指有兩種材料被普遍應(yīng)用于電氣開關(guān)設(shè)備，一種是鈹青銅，另一種是鋯鉻銅。鋯鉻銅的彈性較鈹青銅差，壓縮變形量要合理控制，一般應(yīng)在1～1.5mm范圍內(nèi)。鋯鉻銅的導(dǎo)電率較鈹青銅高，將近一倍，這使得彈簧觸指接觸點(diǎn)的接觸電阻降低。鋯鉻銅的導(dǎo)電性與彈性是一把雙刃劍，導(dǎo)電率高使接觸電阻低，彈性差壓變形量小接觸壓力小導(dǎo)致接觸電阻增大，因此材料的選擇需要通過動(dòng)、熱穩(wěn)定性能試驗(yàn)研究來驗(yàn)證。

根據(jù)熱平衡公式：J12/ρ1= J22/ρ2，則J22=ρ2* J12/ρ1； 若ρ2=2ρ1，則J2=J1；

由鈹青銅額定電流密度［Jr1］=5～6A/mm2，短時(shí)耐受電流密度為［Jk1］=100A/mm2，當(dāng)鈹青銅的導(dǎo)電率為34%，鋯鉻銅的導(dǎo)電率為70%，則可以知道：鋯鉻銅的額定電流密度為［Jr2］=7.15～8.58A/mm2，短時(shí)耐受電流密度為［Jk2］=143A/mm2。

額定電流通流能力Ir=2mnrs0［Jr］/kS，額定短時(shí)耐受電流通流能力Ik=2mnrs0［Jk］/kS，

式中kS為設(shè)計(jì)裕度系數(shù)，m為彈簧觸頭并聯(lián)條數(shù)，nr為彈簧額定圈數(shù)，s0為銅絲截面積；

取kS=1.1時(shí)，按照73圈的彈簧觸指線徑為￠1.6mm，則Ir=1.87～2.3kA，Ik=38kA；

取kS=1.2時(shí)，按照73圈的彈簧觸指線徑為￠1.6mm，則Ir=1.71～2.1kA，Ik=35kA；

螺旋彈簧觸指為83圈，但由于動(dòng)觸頭桿上齒條的存在，與動(dòng)觸頭桿實(shí)際有效的接觸圈數(shù)為73圈，彈簧觸頭極限圈數(shù)：nm=πD1（h1-f）/［ d0（d+0.5 d0）］ ，其中h1=11.4，f=1.5～2.0，計(jì)算得nm=95～90；由此彈簧83圈時(shí)并未并圈。

由額定圈數(shù) nr=nm-（10～20）可知此彈簧83圈可行，依據(jù)以上計(jì)算，重新設(shè)計(jì)了83圈、￠1.6mm線徑的螺旋彈簧觸指，觸指槽深直徑調(diào)整為￠83.8mm，并綜合研討后決定實(shí)施修改方案，重新組織樣機(jī)再做STC試驗(yàn)。

5　再次STC試驗(yàn)成功

三相直接STC試驗(yàn)回路如圖四，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表二，圖五為試驗(yàn)記錄，根據(jù)隔離接地開關(guān)三相動(dòng)、熱穩(wěn)定試驗(yàn)資料，開關(guān)靜端結(jié)構(gòu)改進(jìn)后順利通過了動(dòng)、熱穩(wěn)定性能試驗(yàn)的驗(yàn)證，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如下：三相電阻差值基本控制范圍在0.3～0.6μΩ；三相電流有效值為41.7kA （A相）、42.0kA（B相）、40.7kA （C相）；三相電流持續(xù)時(shí)間為3.055s（A相）、3.055s（B相）、3.05s（C相）；三相額定峰值電流為104 kA（A相）、60.1kA（B相）、97.3 kA（C相）；額定短路耐受電流40kA；等效時(shí)間為3.278s；額定峰值耐受電流出現(xiàn)在三相中的其中一相上，峰值電流值為額定峰值電流1.04倍；試驗(yàn)數(shù)據(jù)滿足預(yù)定的動(dòng)、熱穩(wěn)定性能驗(yàn)證目標(biāo)，技術(shù)參數(shù)符合GB1985國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖四　三相試驗(yàn)回路（直接法）

表二　DS/ES試驗(yàn)數(shù)據(jù)（成功）

圖五　STC成功記錄

6　結(jié)論

6.1回顧整個(gè)STC驗(yàn)證試驗(yàn)過程，透過詳實(shí)的數(shù)據(jù)記錄分析，充分說明解決STC失敗的方法是科學(xué)的，解決問題的程序是嚴(yán)謹(jǐn)?shù)摹Ｈの桓綦x接地開關(guān)三相STC試驗(yàn)由失敗到成功，也充分驗(yàn)證了彈簧觸指結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、計(jì)算方法是成熟和可靠的；

6.2本型三相共箱式三工位隔離接地開關(guān)，其靜端接地構(gòu)造：螺旋彈簧觸指的槽深直徑為￠83.8mm，彈簧觸指線徑為￠1.6mm，彈簧圈數(shù)為83圈。通過動(dòng)、熱穩(wěn)定性能試驗(yàn)驗(yàn)證，完全滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB1985和技術(shù)條件的要求，即額定短時(shí)耐受電流40kA，額定斷路持續(xù)時(shí)間3s，額定峰值耐受電流100kA。

［1］黎斌、張正周《彈簧觸頭設(shè)計(jì)II》.高壓電器 2009年6月第3期45卷

［2］徐國(guó)政等，高壓斷路器原理和應(yīng)用［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2000，268～285

［3］黎斌《SF6高壓電器設(shè)計(jì)》機(jī)械工業(yè)出版社，ISBN7-［4］杜少云、朱科《GIS母線中金屬異物運(yùn)動(dòng)的探討》華通技術(shù)2004年01期 31-1445/TM

111-12057-4

TM564

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1003-5168（2015）11-078-03

朱科（1974 -），男，高級(jí)工程師，研究方向：高壓開關(guān)設(shè)備的設(shè)計(jì)研發(fā)及技術(shù)管理。