盧彥輝 張銀穗 孫英杰 王之軍

（平高集團(tuán)有限公司）

0 引言

電力系統(tǒng)中接地開(kāi)關(guān)是最重要的電力設(shè)備之一。在線路兩端安裝快速接地開(kāi)關(guān)，其實(shí)質(zhì)是將故障點(diǎn)的開(kāi)放性電弧轉(zhuǎn)化開(kāi)關(guān)內(nèi)壓縮性電弧，使流經(jīng)開(kāi)關(guān)的電流大大減小，容易開(kāi)斷[1]。根據(jù)IEC 62271-102和GB 1985—2004對(duì)E1級(jí)接地開(kāi)關(guān)的要求，快速接地開(kāi)關(guān)應(yīng)具有兩次關(guān)合短路電流的能力，其中一次關(guān)合在額定電壓波的峰值處，此時(shí)產(chǎn)生一個(gè)對(duì)稱(chēng)的短路電流以及最長(zhǎng)的預(yù)擊穿電弧，該電流為額定短路電流的對(duì)稱(chēng)分量；另一次關(guān)合在額定電壓波零點(diǎn)處，此時(shí)無(wú)預(yù)擊穿，產(chǎn)生一個(gè)完整的非對(duì)稱(chēng)短路電流，該電流為額定短路關(guān)合電流[2]。

某1100kV快速接地開(kāi)關(guān)在短路關(guān)合試驗(yàn)時(shí)失敗，動(dòng)靜觸頭燒毀嚴(yán)重，分析了試驗(yàn)失敗的可能原因，提出了樣機(jī)改進(jìn)方案，增加觸指接觸壓力和關(guān)合速度，優(yōu)化后的樣機(jī)順利完成短路關(guān)合試驗(yàn)。

1 快速開(kāi)關(guān)短路關(guān)合試驗(yàn)

該1100kV快速接地開(kāi)關(guān)要求短路關(guān)合電流有效值63kA，電流峰值171kA。試驗(yàn)時(shí)第一次關(guān)合電流峰值148kA，有效值71.4kA，未能達(dá)到要求；第二次關(guān)合時(shí)電流峰值145kA，有效值73.1kA，機(jī)構(gòu)彈簧只能分開(kāi)一半，內(nèi)部氣壓由0.41MPa迅速升至0.5MPa，殼體外殼溫度急劇升高，試驗(yàn)終止。

試驗(yàn)樣機(jī)解體后發(fā)現(xiàn)動(dòng)觸頭燒損較輕，動(dòng)觸指基本上無(wú)燒損，如圖1所示。靜觸頭及靜觸指燒損嚴(yán)重，幾乎完全熔化，如圖2所示。

圖1 動(dòng)觸頭端燒損情況

圖2 靜觸頭端燒損情況

2 短路關(guān)合試驗(yàn)失敗原因分析

從試驗(yàn)后樣機(jī)解體情況可以看出，快速接地開(kāi)關(guān)動(dòng)觸指幾乎無(wú)燒損，動(dòng)觸頭燒損較輕，靜觸頭及靜觸指燒損非常嚴(yán)重。靜觸頭端結(jié)構(gòu)如圖3所示。從現(xiàn)象分析可知，動(dòng)觸頭合閘運(yùn)動(dòng)至預(yù)擊穿位置時(shí)，動(dòng)觸頭和靜弧觸頭之間產(chǎn)生電弧，一方面可能合閘時(shí)間較長(zhǎng)，電弧燒蝕時(shí)間長(zhǎng)；另一方面動(dòng)觸頭和靜觸指接觸后由于觸指抱緊力不夠?qū)е陆佑|電阻較大，在短路電 流通過(guò)時(shí)發(fā)熱嚴(yán)重。因此分析試驗(yàn)失敗原因主要有三個(gè)方面：①靜弧觸頭或靜主觸指通流能力不足；②觸指接觸壓力太??；③合閘速度較低。

圖3 靜觸頭端結(jié)構(gòu)

2.1 靜弧觸頭和靜主觸指通流能力核算

由于產(chǎn)品之前已經(jīng)順利通過(guò)動(dòng)熱穩(wěn)定試驗(yàn)，可以確定靜主觸指通流沒(méi)有問(wèn)題。

雖然合閘時(shí)電流從動(dòng)觸頭經(jīng)靜主觸指流走，但是合閘到位之前預(yù)擊穿電弧經(jīng)過(guò)靜觸頭流走，因此靜弧 觸頭必須有短路電流耐受能力。根據(jù)計(jì) 算[3]，式中短路電流穩(wěn)定值Ig=63000A，短路的等效持續(xù)時(shí)間te=0.3s，材料的熱穩(wěn)定系數(shù)c=210，因此計(jì)算出最小通流面積Sg≥164mm2。經(jīng)核算，靜 弧觸頭實(shí)際最小截面積只有83mm2，不能滿足要求，因此需要優(yōu)化靜弧觸頭，優(yōu)化后的靜弧觸頭最小通流面積302mm2，如圖4所示。靜主觸指數(shù)量及布置做了相應(yīng)修改，如圖5所示。

圖4 靜弧觸頭優(yōu)化前后（下方為優(yōu)化后）

圖5 靜主觸指優(yōu)化前后（右方為優(yōu)化后）

2.2 觸指接觸壓力核算

觸頭通過(guò)短路電流時(shí)，電流流經(jīng)接觸點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)電流收縮現(xiàn)象，產(chǎn)生收縮電動(dòng)力[4-5]。準(zhǔn)確計(jì)算短路電流產(chǎn)生的收縮電動(dòng)力比較困難，因此常用實(shí)驗(yàn)得到的經(jīng)驗(yàn)公式校核觸頭動(dòng)穩(wěn)定性。根據(jù)文獻(xiàn)[6]中經(jīng)驗(yàn)公式

式中，Im為每片觸指流過(guò)的短路電流（峰值），A，本文中該值為7773A；Kb=5000，為銅-銅梅花觸頭系數(shù)；Fj為每個(gè)觸點(diǎn)的向心抱緊力。由式（1）求得Fj≥23.7N。

為了得出板簧實(shí)際的壓力值，選取新的板簧樣品，通過(guò)壓力測(cè)試儀器測(cè)得相關(guān)數(shù)據(jù)生成如圖6壓力與壓縮量關(guān)系曲線。然后根據(jù)板簧工作時(shí)的壓縮量，計(jì)算得出單片觸指接觸壓力約為10.7N，明顯小于最小要求值23.7N。

圖6 壓力測(cè)試儀測(cè)得的板簧壓力值曲線

基于以上計(jì)算分析，對(duì)樣機(jī)靜觸頭端結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改，增加板簧壓縮量，同時(shí)，參照相關(guān)產(chǎn)品的接觸壓力，最后確定優(yōu)化后的觸指接觸壓力為41N。

2.3 合閘速度核算

短路關(guān)合試驗(yàn)時(shí)，觸頭電動(dòng)力及觸頭接觸壓力形成的摩擦力是關(guān)合時(shí)的主要阻力，關(guān)合時(shí)合閘操作功必須大于阻力消耗的功才能可靠關(guān)合[2]，即

式中，m為動(dòng)觸頭運(yùn)動(dòng)部件歸化到動(dòng)觸頭處的歸化質(zhì) 量，取4.1kg；FD為觸頭電動(dòng)力；Fj為觸頭的總接 觸壓力；LC為動(dòng)觸頭插入靜觸指的深度；FDH為預(yù)擊穿時(shí)動(dòng)觸頭的電動(dòng)力；LDH為預(yù)擊穿時(shí)動(dòng)觸頭與靜弧觸頭間的距離；f為摩擦系數(shù)。

式中，C為回路系數(shù)；Im為峰值短路電流。

因此，

因此，

由上式計(jì)算得出v≥3.76m/s，考慮到設(shè)計(jì)時(shí)需有一定安全系數(shù)，合閘速度取4.2m/s。

實(shí)際短路關(guān)合試驗(yàn)時(shí)合閘速度3.7m/s，速度較低，可能是試驗(yàn)失敗的原因之一。為了增加快速接地開(kāi)關(guān)合閘速度，需對(duì)彈簧機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整改進(jìn)。

3 樣機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)與試驗(yàn)測(cè)試

根據(jù)以上原因分析，對(duì)樣機(jī)進(jìn)行了相應(yīng)改進(jìn)： ①由于靜弧觸頭通流能力不足，改進(jìn)了靜弧觸頭尺寸，相應(yīng)增加了觸指數(shù)量；②由于測(cè)得的觸指接觸壓力比計(jì)算得出的接觸壓力小得多，因此增加了觸指接觸壓力，保證觸頭接觸時(shí)接觸電阻足夠?。虎坭b于實(shí)際試驗(yàn)時(shí)的合閘速度小于計(jì)算分析得出所需的合閘速度，因此通過(guò)增加彈簧預(yù)壓縮量的方式提高了彈簧機(jī)構(gòu)合閘速度。基于以上原因分析及改進(jìn)措施，重新投制了相關(guān)零部件，樣機(jī)重新裝配后順利完成短路關(guān)合試驗(yàn)。

圖8 短路關(guān)合試驗(yàn)照片

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)1100kV快速接地開(kāi)關(guān)試驗(yàn)樣機(jī)某次短路關(guān)合試驗(yàn)失敗原因分析，提出優(yōu)化改進(jìn)措施。樣機(jī)根據(jù)改進(jìn)措施完成優(yōu)化設(shè)計(jì)，并順利通過(guò)短路關(guān)合試驗(yàn)。驗(yàn)證了分析的正確性，同時(shí)為以后快速接地開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)提供參考。主要得出以下結(jié)論：

1）快速接地開(kāi)關(guān)試驗(yàn)樣機(jī)靜觸頭最小截面積由83mm2增加為302mm2，保證了足夠通流能力。

2）觸指接觸壓力由10.7N增加為41N，關(guān)合短路電流時(shí)沒(méi)有發(fā)生熔焊或熔化現(xiàn)象。

3）短路關(guān)合速度由3.7m/s提高到4.2m/s，實(shí)現(xiàn)安全可靠關(guān)合。

[1]林莘, 何柏娜, 徐建源. 特高壓快速接地開(kāi)關(guān)的研制[J]. 電器工業(yè), 2007(4): 51-54.

[2]張猛, 馬曾銳. ZF8-550/4000-63 GIS的研制[J]. 高壓電器, 2007, 43(6): 440-443.

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[5]S. Handa, S. Matsuda. Auto-extinction characteristics of secondary arc on UHV transmission lines[C]. CIREPI Peport 181023, January 1982.

[6]黎斌. SF6高壓電器設(shè)計(jì)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2010.