三相聯(lián)動雙斷口戶外高壓隔離負荷開關(guān)的研究

熊晉樹, 張 成, 李 軼, 王旻潔, 尹子宇

(1.國網(wǎng)上海青浦供電公司, 上海 201799; 2.上海電力大學, 上海 200090)

隨著居民用電負荷的日漸增長,高壓配電線路必將承載更多負荷,同時增加更多的分叉、分支線路。為加強高壓線路管理和維護,縮小停電范圍,需要在各區(qū)域分段點安裝高壓開關(guān)。特別是在郊區(qū)和農(nóng)村電網(wǎng)10 kV配電網(wǎng)線路中,廣泛使用高壓柱上開關(guān)產(chǎn)品,包括柱上隔離開關(guān)和柱上負荷開關(guān),可以實現(xiàn)線路分段和保護[1]。高壓隔離開關(guān)作為電力系統(tǒng)中用量最多的輸變電設(shè)備之一,面臨以下兩個方面的考驗:一方面,高壓隔離開關(guān)大多完全暴露于外部環(huán)境中,所以在投入運行期間必須長時間耐受大風、大雨、雷害、冰雪、霧霾等各種環(huán)境氣候條件的影響,一些特殊區(qū)域還會受到灰塵以及小動物的侵害;另一方面,SF6氣體憑借其物理和化學性能穩(wěn)定、絕緣和滅弧性能良好被廣泛應(yīng)用于高壓隔離開關(guān)中,但若管理、使用不當或未按正確的方法對其進行回收和再生處理,將導致SF6氣體及其在高溫電弧作用下產(chǎn)生的有毒氣體分解物排放到大氣中,從而對環(huán)境造成污染,并影響設(shè)備正常運行[2]。

目前,我國常用的主配電網(wǎng)高壓隔離開關(guān)均沿用20世紀60年代設(shè)計的產(chǎn)品,在系統(tǒng)運行時容易產(chǎn)生多種問題從而造成設(shè)備缺陷和故障,如因長時間未進行分、合操作導致開關(guān)無法拉開等,對主配電網(wǎng)運行造成極大安全隱患。

基于傳統(tǒng)高壓隔離開關(guān)存在的問題,本文設(shè)計了一種用于戶外的小型三相聯(lián)動雙斷口高壓隔離負荷開關(guān)(產(chǎn)品型號GFW-12/630-20,上海甬吉電氣有限公司)。該設(shè)備采用新型防護材料和金屬材料、新型加工工藝和新型開關(guān)內(nèi)部結(jié)構(gòu),具有無污染、長壽命、低成本、免維護和安全可靠等顯著優(yōu)勢,符合節(jié)能環(huán)保理念和國家電網(wǎng)技術(shù)規(guī)范要求。

1 傳統(tǒng)高壓隔離開關(guān)缺陷

在現(xiàn)有的戶外開關(guān)設(shè)備中,負荷開關(guān)(斷路器)與隔離開關(guān)基本上是分開獨立的,生產(chǎn)和加工工藝已基本定型[3]。戶外的10 kV柱上隔離開關(guān)大多是結(jié)構(gòu)簡單的刀閘方式,但其所處的大氣環(huán)境復雜,可能導致開關(guān)結(jié)構(gòu)部件銹蝕、進水受潮,從而發(fā)生卡澀或分合閘不到位,甚至導致開關(guān)拒合拒分[4]。同時,隔離開關(guān)的制造工藝、材料選擇和機構(gòu)方面存在以下問題:一是制造工藝水平和所用材料成本有限,導致許多老舊的隔離開關(guān)會出現(xiàn)平衡彈簧銹蝕的情況;二是倒閘三相拐臂的角度調(diào)整不對,且機構(gòu)輸出軸法蘭角度調(diào)整不到位時,扇形齒輪爆齒,導致萬向節(jié)法蘭與機構(gòu)法蘭連接螺絲被切斷、機構(gòu)的限位開關(guān)鑄鐵件被打斷,從而使得開關(guān)不能正常分、合閘。隔離開關(guān)運行時合閘不到位、分閘不徹底,有可能導致觸頭嚴重發(fā)熱,影響電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行,并造成極大的人身安全隱患。

此外,10 kV戶外高壓負荷開關(guān)一般采用外部全密封的真空開關(guān)或采用SF6為絕緣介質(zhì)的真空滅弧,開關(guān)整體體積較大且造價較高[5]。在分閘位置時,無法查看觸頭之間的絕緣距離和斷開標志,不適合作為隔離開關(guān)使用。同時,開關(guān)設(shè)備中的SF6極易泄漏,不符合環(huán)保要求。

2 新型開關(guān)設(shè)計原理

目前電力系統(tǒng)中采用的是三相交流供電,系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性在很大程度上取決于3個相位之間的平衡和同步。三相聯(lián)動的核心原理在于確保操作隔離開關(guān)時,3個電源相位同時打開或關(guān)閉,以防止電流在不同相位中產(chǎn)生不均勻分布,從而危害電力系統(tǒng)安全運行。隔離開關(guān)作為電力系統(tǒng)中的關(guān)鍵開關(guān)設(shè)備,主要作用是將電源與電路或設(shè)備分離,以確保在操作過程中沒有電流流經(jīng)被隔離的部分。隔離開關(guān)的三相聯(lián)動涉及3個相位的開關(guān)協(xié)調(diào)操作,對于防止電擊、設(shè)備損壞和維護工作的安全性至關(guān)重要。

本文設(shè)計了一種適用于額定電壓12 kV、頻率50/60 Hz的架空線路戶外三相聯(lián)動雙斷口隔離負荷開關(guān)。該隔離開關(guān)主要由機架、機構(gòu)箱以及包含在全封閉式機構(gòu)箱內(nèi)部的開關(guān)機械結(jié)構(gòu)和開關(guān)操作機構(gòu)組成,整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

本文所設(shè)計的開關(guān)在有電壓帶負荷情況下的合閘、分閘狀態(tài)如圖2所示。該開關(guān)結(jié)構(gòu)由連扳、拐臂、主軸、真空滅弧室、可見斷口,以及布置在外殼上的防護板、外加傘裙和有機玻璃組成。

圖2 三相聯(lián)動雙斷口隔離負荷開關(guān)的合閘、分閘狀態(tài)

由圖2可以看出,該開關(guān)在分閘時有明顯可見的電氣安全隔離距離,采用水平進出線與上下垂直斷開方式,使得工作電場與斷開方向成90°,并將動觸頭安裝在靜觸頭的下方。每相高壓進線和出線采用雙斷口結(jié)構(gòu),包括2個雙真空開關(guān)的斷口和2根隔離導電桿與動觸頭的斷口,使得隔離開距平均分配在兩側(cè),有利于壓縮裝置體積,既能滿足負荷開關(guān)的技術(shù)要求,又能像隔離開關(guān)一樣,具有可見斷口,而且分閘時裸露觸頭不帶電[6]。由于采用雙斷口設(shè)計,開關(guān)在斷開時會形成明顯斷口,從而達到符合規(guī)定的絕緣距離,避免出現(xiàn)開關(guān)接觸不良的問題。此外,全封閉桿刀式設(shè)計和內(nèi)部觸頭的倒裝形式,使得開關(guān)的關(guān)鍵部分不會直接暴露于外部環(huán)境中,極大降低了惡劣天氣影響、避免了小動物的侵害,有效保證開關(guān)的正常運行。隔離觸頭套和隔離導電桿上的觸頭座采用耐電弧燒蝕的鎢銅合金制作,不會因過電流而發(fā)熱熔化、燒壞或造成凹痕。

為保證三相聯(lián)動的可靠性和同步性,每相動觸頭的觸頭座都通過連扳、拐臂與主軸相連,并在縱梁上沿兩根導向桿上下運行達到同步分閘與合閘。開關(guān)操作機構(gòu)示意如圖3所示。其中,開關(guān)的分、合閘操作是通過兩工位彈簧操作機構(gòu)實現(xiàn)的。

圖3 開關(guān)操作機構(gòu)示意

開關(guān)的合閘、分閘過程如下。

(1) 在開關(guān)分閘狀態(tài)下,拉動開關(guān)至合閘狀態(tài),刀閘在合閘過程中先與滅弧室動觸頭接觸,滅弧室由分離狀態(tài)變?yōu)殚]合狀態(tài)。此時,開關(guān)處于合閘狀態(tài)。

(2) 在分閘過程中,活動拐臂先與滅弧室動觸頭分離,使工作電流轉(zhuǎn)移到真空滅弧室,由真空滅弧室滅弧?；顒庸毡垡浦亮硪环€(wěn)定位置時,形成可見隔離斷口。此時,開關(guān)處于分閘狀態(tài)。

機構(gòu)傳動采用掛簧傳輸方式,分合閘部件少,可靠性高,在實現(xiàn)快速分合閘的同時,避免了開關(guān)部件過多、傳動距離過長而引起的傳動卡澀問題。上述開關(guān)合閘狀態(tài)兩工位彈簧機構(gòu)示意如圖4所示。

圖4 開關(guān)合閘狀態(tài)兩工位彈簧機構(gòu)示意

此外,本文所設(shè)計的開關(guān)設(shè)備中滅弧、絕緣支柱采用了環(huán)氧樹脂固體絕緣技術(shù)和外包硅橡膠絕緣技術(shù),使得帶電部位能夠全部包裹在絕緣件內(nèi),并且融合了兩種技術(shù)的優(yōu)點,延長了設(shè)備使用壽命,提高了設(shè)備安全性能。

3 新型開關(guān)試驗結(jié)果

在每相進/出線端加裝高精度電流互感器,并在開關(guān)操作機構(gòu)處加裝標準智能化接口,對一、二次設(shè)備進行聯(lián)合,得到三相聯(lián)動雙斷口隔離負荷開關(guān)實物,以滿足更為簡單便捷的測量、通訊、顯示、記錄、提示等需求。全封閉隔離負荷開關(guān)外觀結(jié)構(gòu)如圖5所示。隔離負荷開關(guān)內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖5 全封閉隔離負荷開關(guān)外觀結(jié)構(gòu)

圖6 隔離負荷開關(guān)內(nèi)部結(jié)構(gòu)

為提高該隔離負荷開關(guān)的操作可靠性,在實物開關(guān)上加裝了閉鎖裝置,可實現(xiàn)機械閉鎖和電氣閉鎖。閉鎖部分安裝示意如圖7所示。

圖7 閉鎖部分安裝示意

根據(jù)相關(guān)標準,本文設(shè)計的三相聯(lián)動雙斷口全封閉式隔離負荷開關(guān)各部件參數(shù)要求如表1所示。

表1 開關(guān)各部件參數(shù)要求

對該隔離負荷開關(guān)進行型式試驗,得到其可靠參數(shù)見表2。其中:干試的額定短時工頻耐受電壓與額定雷電沖擊耐受電壓均為相間及對地與斷口處的實驗值;濕試的額定短時工頻耐受電壓為相間及對地的實驗值;S1表示接地故障條件;觸頭開距與接觸行程均為隔離斷口處的測試值。

表2 該隔離負荷開關(guān)可靠參數(shù)

將表2的型式試驗數(shù)據(jù)與表1的設(shè)定值進行對比可知,在額定電壓為12 kV、額定電流為630 A的環(huán)境下,本文設(shè)計的隔離負荷開關(guān)在面對各種故障(包括短路、雷電沖擊等)的情況下均體現(xiàn)良好性能,最大開斷電流能夠達到630 A,并且分合閘速度達到了相關(guān)國家標準,具備良好的機械穩(wěn)定性。

4 結(jié) 語

本文設(shè)計了一種用于戶外的小型三相聯(lián)動雙斷口高壓真空隔離負荷開關(guān),通過改進高壓隔離開關(guān)的內(nèi)部機械結(jié)構(gòu)、優(yōu)化斷口結(jié)構(gòu)形狀和材料選型等,顯著提高了開關(guān)的開斷容量和可靠性,減少了安全隱患,提高了配電網(wǎng)的供電可靠性,并延長了設(shè)備的使用壽命。此外,該隔離負荷開關(guān)達到了相關(guān)國家標準和設(shè)計之初的參數(shù)要求,主要適用于10 kV配電網(wǎng)線路,是一款合格且具有廣闊應(yīng)用前景的新型配電設(shè)備。