高壓真空接觸器在海上風(fēng)電充氣環(huán)網(wǎng)柜中的應(yīng)用

李金輝 袁麗丹

高壓真空接觸器在海上風(fēng)電充氣環(huán)網(wǎng)柜中的應(yīng)用

李金輝 袁麗丹

（特變電工云集電氣有限公司，湖南 衡陽 421000）

充氣環(huán)網(wǎng)柜具有體積小、免維護(hù)、不受惡劣環(huán)境影響等特點(diǎn)，極度適于海上風(fēng)電應(yīng)用場(chǎng)景。海上風(fēng)電機(jī)組因海上風(fēng)能影響，需頻繁切入切出，對(duì)開關(guān)元件的機(jī)械壽命和機(jī)械操作的可靠性要求較高。本文結(jié)合充氣環(huán)網(wǎng)柜環(huán)境適應(yīng)性好等特點(diǎn)，研究將具有高壽命的真空接觸器放置于充氣箱體內(nèi)，且滿足與其他充氣環(huán)網(wǎng)柜方案并柜的可行性，最后進(jìn)行設(shè)計(jì)生產(chǎn)驗(yàn)證，并應(yīng)用于海上風(fēng)電風(fēng)機(jī)塔筒項(xiàng)目中。

充氣環(huán)網(wǎng)柜；真空接觸器；密封；波紋管；動(dòng)作時(shí)序

0 引言

充氣柜是將高壓元件安裝在一個(gè)密封箱體內(nèi)，內(nèi)充稍高于大氣壓力的氣體絕緣介質(zhì)，利用現(xiàn)代先進(jìn)加工工藝制成的成套系列化產(chǎn)品，在系統(tǒng)正常和故障情況下具有對(duì)電能分配的控制、保護(hù)、測(cè)量、監(jiān)視和通信功能。

充氣柜高壓元件全部密閉于氣箱中，不受外界環(huán)境條件（如高海拔、凝露、污穢、小動(dòng)物及化學(xué)物質(zhì)等）[1]的影響，且占地面積小，免維護(hù)[2-3]，滿足有空間限制、環(huán)境惡劣且可靠性要求高的場(chǎng)所，例如海上風(fēng)電風(fēng)機(jī)塔筒內(nèi)。

在海上風(fēng)機(jī)塔筒的電氣主接線系統(tǒng)中，與風(fēng)機(jī)直接相連的一般為充氣環(huán)網(wǎng)柜，其配套主開關(guān)為真空斷路器或負(fù)荷開關(guān)。因海上風(fēng)力發(fā)電受風(fēng)能資源限制，發(fā)電輸出隨機(jī)性強(qiáng)、波動(dòng)性大[4-5]，風(fēng)機(jī)需要頻繁切入切出，這就要求配套充氣環(huán)網(wǎng)柜具有更高的機(jī)械壽命來滿足系統(tǒng)的頻繁操作。

充氣環(huán)網(wǎng)柜主開關(guān)元件參數(shù)見表1。由表1可知，接觸器的機(jī)械壽命遠(yuǎn)大于斷路器及負(fù)荷開關(guān)，而提高后者的機(jī)械壽命，不僅成本極高，而且無法達(dá)到接觸器的性能程度，故經(jīng)綜合考量，采用接觸器是滿足風(fēng)機(jī)頻繁操作要求的最優(yōu)方案。

本文研究將真空接觸器應(yīng)用于充氣環(huán)網(wǎng)柜的可行性，在保障接觸器壽命長(zhǎng)、可頻繁操作[6-7]等優(yōu)點(diǎn)的前提下，制定可靠密封方案，并進(jìn)行投產(chǎn)驗(yàn)證及測(cè)試分析。

表1 充氣環(huán)網(wǎng)柜主開關(guān)元件參數(shù)

1 設(shè)計(jì)方案

1.1 海上風(fēng)電介紹

煤炭、石油等傳統(tǒng)能源發(fā)電會(huì)對(duì)環(huán)境造成較大損害，故近年來國(guó)家大力發(fā)展清潔能源，如風(fēng)能。陸上可利用的土地和風(fēng)力資源有限，且風(fēng)力發(fā)電噪聲過大[8]，因此具有風(fēng)速大、噪聲污染小、不占用土地資源等優(yōu)點(diǎn)的海上風(fēng)電占比不斷增大[9]。

2016—2021年，海上風(fēng)電保持高速增長(zhǎng)。2016—2021年中國(guó)海上風(fēng)電新增和累計(jì)裝機(jī)容量如圖1所示：2016年新增裝機(jī)容量?jī)H有0.59×103MW，到2018年新增裝機(jī)容量達(dá)1.73×103MW[10]，較2016年增長(zhǎng)近2倍；2020年，中國(guó)海上風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量首次突破1萬MW大關(guān)達(dá)到1.09×104MW；2021年，中國(guó)海上風(fēng)電發(fā)展達(dá)到高潮，新增并網(wǎng)容量1.69×104MW，累計(jì)裝機(jī)容量2.78×104MW，一躍成為世界第一大海上風(fēng)電裝機(jī)量國(guó)家[11-12]。

圖1 2016—2021年中國(guó)海上風(fēng)電新增和累計(jì)裝機(jī)容量

中國(guó)風(fēng)電整機(jī)市場(chǎng)份額較為集中，2021年我國(guó)共有7家整機(jī)制造企業(yè)有海上風(fēng)電新增裝機(jī)[13]。2021年中國(guó)海上風(fēng)電制造企業(yè)新增裝機(jī)容量及占比如圖2所示，其中電氣風(fēng)電新增裝機(jī)876臺(tái)，容量為490.1萬kW，占比為29.0%，位居第一。截至2021年年底，海上風(fēng)電整機(jī)制造企業(yè)共13家，其中海上風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量超過100萬kW的整機(jī)企業(yè)共有6家，這6家企業(yè)海上風(fēng)電機(jī)組累計(jì)裝機(jī)容量合計(jì)為2 470.7萬kW，占海上累計(jì)裝機(jī)容量的89%。

圖2 2021年中國(guó)海上風(fēng)電制造企業(yè)新增裝機(jī)容量及占比

隨著2022年國(guó)家補(bǔ)貼正式退出，中國(guó)海上風(fēng)電市場(chǎng)增速預(yù)計(jì)將放緩，全球風(fēng)能理事會(huì)（global wind energy council, GWEC）數(shù)據(jù)顯示，未來中國(guó)海上風(fēng)電將保持穩(wěn)定增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，預(yù)計(jì)到2030年我國(guó)海上風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)量將達(dá)到60GW[14]，2023—2030年中國(guó)海上發(fā)電累計(jì)裝機(jī)容量預(yù)測(cè)如圖3所示。

圖3 2023—2030年中國(guó)海上發(fā)電累計(jì)裝機(jī)容量預(yù)測(cè)

1.2 風(fēng)機(jī)系統(tǒng)電氣主接線方案

目前，我國(guó)在運(yùn)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)中，基于雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的風(fēng)電機(jī)組使用最為廣泛。本文即采用雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)組成的風(fēng)機(jī)系統(tǒng)[15-16]，其電氣主接線如圖4所示，雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)受風(fēng)力作用，將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電壓和頻率持續(xù)變化的電能，經(jīng)變流器轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的電壓和頻率后再接入電網(wǎng)，然后經(jīng)升壓變壓器升壓后儲(chǔ)存或傳送出去[17-18]。

在電氣主接線中，選用接觸器柜與風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)相連，利用接觸器可快速切斷交、直流電流、可頻繁操作及可控制大容量電路的特點(diǎn)，直接控制風(fēng)電機(jī)組的并網(wǎng)，通過與繼電器的配合，可實(shí)現(xiàn)定時(shí)操作、定量控制和聯(lián)鎖控制[19]，保障風(fēng)電功率的有效輸出，合理調(diào)配運(yùn)營(yíng)成本。

1.3 高壓真空接觸器柜方案

接觸器柜具有空氣絕緣和氣體絕緣兩種型式，但空氣絕緣接觸器柜無法適應(yīng)海上運(yùn)行的惡劣環(huán)境，需做額外防護(hù)，極大增加了生產(chǎn)及維護(hù)成本。因此，結(jié)合海上風(fēng)電實(shí)際需求和成本控制，本文采用氣體絕緣接觸器柜方案。

圖4 風(fēng)機(jī)系統(tǒng)電氣主接線

1）真空接觸器介紹

真空接觸器是利用真空作為絕緣和滅弧介質(zhì)的接觸器元件，一般由真空滅弧室組件、電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制電路組件[20]三部分組成，具有電弧不外噴、熄弧能力強(qiáng)、分?jǐn)嗨俣瓤?、耐壓等?jí)高、電壽命長(zhǎng)、噪聲小等優(yōu)點(diǎn)[21]，故本文采用真空接觸器做進(jìn)一步研究。

2）充氣式接觸器柜

（1）密封方案

對(duì)于充氣式接觸器柜，關(guān)鍵是如何在保證密封性的前提下，實(shí)現(xiàn)真空接觸器的可靠動(dòng)作。其密封方案有整體密封和局部密封兩種。

整體密封是將真空接觸器整體密封于充氣箱體內(nèi)，此方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，技術(shù)也較為成熟，但因其控制電路線束需引出充氣箱體，密封成本較高，經(jīng)濟(jì)性較差。

局部密封是只將真空滅弧室組件封閉于密封箱體內(nèi)，電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制電路組件放置于密封箱體外，中間采用特制的傳動(dòng)密封組件傳動(dòng)。此方案僅對(duì)常規(guī)真空接觸器進(jìn)行局部?jī)?yōu)化，成本較整體密封方案大幅降低。

綜上所述，局部密封方案的可行性較整體密封方案更強(qiáng)，具有更大的研究意義。

（2）充氣式接觸器柜

本文論述的充氣式接觸器柜采用局部密封方案，充氣式接觸器結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示，真空滅弧室組件在充氣箱體內(nèi)，電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)在充氣箱體外，整體結(jié)構(gòu)采用三相獨(dú)立的環(huán)氧材料整體澆注半筒形絕緣框架。

圖5 充氣式接觸器結(jié)構(gòu)示意圖

真空滅弧室組件通過導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、觸頭彈簧等與分合板相連，分合板固定在轉(zhuǎn)軸上，其另一端通過傳動(dòng)密封組件與電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)相連。合閘時(shí)，電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)線圈通電，線圈中通過的電流產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，從而產(chǎn)生電磁吸力。當(dāng)電磁吸力大于彈簧拉力時(shí)，動(dòng)鐵心運(yùn)動(dòng)與靜鐵心吸合[22]，帶動(dòng)電磁鐵吸合，使分合板向上運(yùn)動(dòng)，并推動(dòng)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、觸頭彈簧，使真空滅弧室組件內(nèi)觸頭閉合，并提供觸頭壓力，保證閉合可靠；分閘時(shí)，電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)線圈斷電，電磁吸力減小到小于彈簧拉力時(shí)，動(dòng)鐵心與靜鐵心斷開[23]，電磁鐵失力，在分閘彈簧的作用下，分合板向下拉動(dòng)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，使真空滅弧室組件內(nèi)觸頭分開，完成可靠分?jǐn)郲24]。

電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)在起動(dòng)吸合電磁鐵時(shí)需要較大的起動(dòng)功率，而合閘后其需保持的功率大為減少，故電磁線圈需要在起動(dòng)和保持之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，其轉(zhuǎn)換由輔助開關(guān)同步進(jìn)行。輔助開關(guān)也可提供給外部控制節(jié)點(diǎn)使用。

該真空接觸器采用直流電磁系統(tǒng)，控制電路提供整流裝置，可直接用交流電源控制。

（3）傳動(dòng)密封組件

因密封方案的關(guān)鍵是如何在保證密封性的前提下，實(shí)現(xiàn)真空接觸器的可靠動(dòng)作，故傳動(dòng)密封組件的選用和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尤為重要。

充氣柜連接氣箱內(nèi)外一般會(huì)采用骨架油封、磁流體密封及金屬波紋管密封等幾種形式，骨架油封和磁流體密封主要用于旋轉(zhuǎn)密封，而波紋管則用于軸向運(yùn)動(dòng)密封。骨架油封耐磨性較差，動(dòng)作次數(shù)多時(shí)無法可靠保證密封性能，無法滿足真空接觸器機(jī)械操作頻繁、次數(shù)多的要求；磁流體密封成本較高，批量生產(chǎn)時(shí)經(jīng)濟(jì)效益差，不做優(yōu)先考慮；金屬波紋管既可滿足機(jī)械操作頻繁、次數(shù)多的要求，成本又較磁流體密封低，且易與真空滅弧室組件及電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)配合，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，故本次密封方案的傳動(dòng)密封組件選用金屬波紋管組件。

常見的金屬波紋管有壓制波紋管和焊接波紋管兩種，壓制波紋管采用薄壁管拉長(zhǎng)和成型的辦法在壓力機(jī)上或用液壓壓模制成[25]，焊接波紋管則是用薄膜片內(nèi)、外圓焊接制成。經(jīng)對(duì)比，焊接波紋管的壓力和溫度可應(yīng)用范圍更廣，疲勞持久限更長(zhǎng)，尺寸也更為緊湊，具有更為優(yōu)越的性能[26]。

傳動(dòng)密封組件結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示，采用焊接波紋管，壓縮補(bǔ)償量可達(dá)50%，完全滿足真空接觸器的軸向位移量要求，波紋管導(dǎo)桿兩端采用螺紋連接，一端與真空滅弧室組件中分合板相連，另一端與電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)導(dǎo)向桿相連。在固定波紋管兩端時(shí)，波紋管導(dǎo)桿因受力會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而導(dǎo)致膜片發(fā)生變形，嚴(yán)重時(shí)會(huì)降低密封性能，影響使用。因此，本次設(shè)計(jì)時(shí)在導(dǎo)桿中間加設(shè)方塊卡槽，在固定兩端時(shí)，用工具卡住方塊卡槽，直接從根本上避免導(dǎo)桿轉(zhuǎn)動(dòng)，保障產(chǎn)品性能。

圖6 傳動(dòng)密封組件結(jié)構(gòu)示意圖

2 應(yīng)用實(shí)例

依據(jù)上述密封方案及設(shè)計(jì)原理，選用合適的配套件，完成充氣式接觸器柜的實(shí)際設(shè)計(jì)生產(chǎn)及驗(yàn)證。真空滅弧室組件如圖7所示，電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)如圖8所示，充氣式接觸器柜應(yīng)用實(shí)例如圖9所示，該產(chǎn)品生產(chǎn)完成后，按照技術(shù)要求在廠內(nèi)完成了相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證工作，如絕緣試驗(yàn)、密封試驗(yàn)、二次調(diào)試等項(xiàng)目，產(chǎn)品可安裝在海上風(fēng)電機(jī)組的塔筒內(nèi)平臺(tái)上，能夠?yàn)橹髯儔浩鬟M(jìn)行配電和分?jǐn)啵⒖稍陔娋W(wǎng)故障或電網(wǎng)短路的情況下，提供反饋觸點(diǎn)反饋故障信息。

圖7 真空滅弧室組件

為進(jìn)一步驗(yàn)證產(chǎn)品的力學(xué)和電氣性能，依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3906—2020《3.6kV～40.5kV交流金屬封閉開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備》和GB/T 14808—2016《高壓交流接觸器、基于接觸器的控制器及電動(dòng)機(jī)起動(dòng)器》中的相關(guān)規(guī)定，本文對(duì)上述充氣式接觸器柜完成了在國(guó)家電器產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)檢測(cè)中心的型式試驗(yàn)驗(yàn)證工作，驗(yàn)證內(nèi)容包括但不限于力學(xué)性能、絕緣性能、關(guān)合和開斷能力、密封性能、溫升性能、電磁兼容性能等項(xiàng)目，驗(yàn)證結(jié)果如圖10所示。

圖8 電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)

圖9 充氣式接觸器柜應(yīng)用實(shí)例

本文還驗(yàn)證了此充氣式接觸器柜與其他充氣柜方案并柜使用的可行性，充氣式接觸器柜并柜應(yīng)用實(shí)例如圖11所示，圖11中最左邊為充氣式接觸器柜，其外形尺寸為600mm×950mm×1 950mm，且CT、PT等高壓電氣元件均已安裝于柜內(nèi)，完全滿足小型化、智能化的配電網(wǎng)要求。

3 真空接觸器動(dòng)作時(shí)序測(cè)試

為了能夠更好地實(shí)現(xiàn)后臺(tái)通信，保障并網(wǎng)的及時(shí)性和可靠性，針對(duì)本文設(shè)計(jì)生產(chǎn)的真空接觸器，對(duì)其主觸頭、常開觸點(diǎn)、常閉觸點(diǎn)在通電和斷電時(shí)的反饋信號(hào)及動(dòng)作時(shí)序進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試回路示意圖如圖12所示，其中K3為真空接觸器。

測(cè)試結(jié)果如圖13所示，在真空接觸器線圈得電后，約69.2ms后主觸頭開始動(dòng)作，主觸頭動(dòng)作5.8ms后常閉觸點(diǎn)動(dòng)作，常開觸點(diǎn)在主觸頭動(dòng)作7.4ms后才開始動(dòng)作；在真空接觸器線圈斷電后，約57.1ms后常開觸點(diǎn)首先開始動(dòng)作，常開觸點(diǎn)動(dòng)作2ms后，常閉觸點(diǎn)與主觸頭幾乎同時(shí)動(dòng)作。

圖10 充氣式接觸器柜第三方型式試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果

圖11 充氣式接觸器柜并柜應(yīng)用實(shí)例

圖12 測(cè)試回路示意圖

圖13 真空接觸器測(cè)試結(jié)果

由測(cè)試結(jié)果可得，本文所述充氣式接觸器柜能夠保證動(dòng)作的及時(shí)性，進(jìn)而保障配套發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行的可靠性。

4 結(jié)論

本文將真空接觸器應(yīng)用于充氣環(huán)網(wǎng)柜中，既保留了充氣柜體積小、免維護(hù)、不受惡劣環(huán)境影響等優(yōu)點(diǎn)，又滿足了風(fēng)機(jī)系統(tǒng)頻繁操作、壽命長(zhǎng)的要求，并大幅降低了后期的維護(hù)成本，具體如下：

1）與其他充氣環(huán)網(wǎng)柜主開關(guān)元件的性能參數(shù)對(duì)比表明，真空接觸器30萬次的機(jī)械壽命比斷路器或負(fù)荷開關(guān)具有更大的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

2）結(jié)合對(duì)海上風(fēng)電相關(guān)特點(diǎn)的分析，對(duì)我國(guó)海上風(fēng)電新增和累計(jì)裝機(jī)容量進(jìn)行研究，佐證本文真空接觸器方案的應(yīng)用前景。

3）從風(fēng)機(jī)系統(tǒng)電氣主接線方案引入分析，進(jìn)行充氣式接觸器柜方案的論述，如整體密封方案與局部密封方案的對(duì)比分析、充氣式接觸器柜結(jié)構(gòu)及原理、傳動(dòng)密封結(jié)構(gòu)方案等。

4）根據(jù)所述方案，進(jìn)行實(shí)際投產(chǎn)驗(yàn)證、第三方型式試驗(yàn)驗(yàn)證及與其他充氣柜方案并柜使用的可行性驗(yàn)證。

5）進(jìn)行接觸器動(dòng)作時(shí)序分析，進(jìn)一步證明充氣式接觸器柜的動(dòng)作及時(shí)性和可靠性。

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Application of high voltage vacuum contactor in inflatable ring main unit of offshore wind power

LI Jinhui YUAN Lidan

(TBEA Yunji Electrical Co., Ltd, Hengyang, Hu’nan 421000)

The inflatable ring main unit has the characteristics of small size, maintenance free, and free from harsh environment, which is extremely suitable for offshore wind power application scenarios. Due to the impact of offshore wind energy, offshore wind turbines need to be cut in and out frequently, which requires high mechanical life and reliability of mechanical operation of switches. In combination with the characteristics of good environmental adaptability of the inflatable ring network cabinet, this paper studies the feasibility of placing the long-life vacuum contactor in the inflatable box and meeting the requirements of cabinet merging with other inflatable ring network cabinet schemes. Finally, the design and production verification are carried out and the inflatable ring main unit is applied to the offshore wind turbine sleeve project.

inflatable ring main unit; vacuum contactor; seal up; bellows; action sequence

2023-08-07

2023-09-01

李金輝（1991—），男，河南省開封市人，碩士，工程師，主要從事中高壓氣體絕緣開關(guān)柜的技術(shù)研發(fā)、生產(chǎn)工藝及試驗(yàn)驗(yàn)證等方面的研究工作。