劉 新 泉(江蘇省水利勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225000)

0 引 言

近年來，隨著許多大中型水利工程的建設(shè)，雙向排灌站的應(yīng)用越來越廣泛。雙向排灌站常用的一種方法是通過機(jī)組(水泵電動機(jī)組)正向和反向運(yùn)行實(shí)現(xiàn)泵站灌溉引水和防洪排澇功能，即通過電動機(jī)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)機(jī)組正向、反向運(yùn)行。小型排灌站一般裝設(shè)低壓電動機(jī)，在電動機(jī)主回路中裝設(shè)正向和反向交流接觸器，通過控制正向或反向交流接觸器吸合即可實(shí)現(xiàn)電動機(jī)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)[1]。低壓元器件體積小，低壓帶電安全距離小，因此一臺低壓開關(guān)柜能滿足主回路和二次控制回路元器件的安裝要求。大中型排灌站電機(jī)容量大，電壓等級高(通常選用10 kV)，配套的高壓元器件體積大，高壓帶電安全距離大，若采用低壓電動機(jī)接線控制方式，至少需要2～3臺高壓開關(guān)柜才能滿足元器件安裝要求。為了滿足柜間連接排的翻排和換相要求，柜體需要加寬或加深，設(shè)備多占地大，且控制和保護(hù)變得復(fù)雜。

1 以往電動機(jī)正反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)方式及存在問題

三相電動機(jī)定子上有3個繞組，當(dāng)電源按U、V、W相序接入電動機(jī)時，電流通過三相繞組在定子上形成正向旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)磁場，電動機(jī)轉(zhuǎn)子在其作用下正向旋轉(zhuǎn)。當(dāng)任意調(diào)整U、V、W中的2個相序接入電動機(jī)時，電流通過三相繞組就會在定子上形成反向旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)磁場，轉(zhuǎn)子在其作用下反向旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)電動機(jī)的反轉(zhuǎn)。

以往實(shí)現(xiàn)高壓電動機(jī)反轉(zhuǎn)通常是在開關(guān)柜或電動機(jī)側(cè)將3芯電纜中的任意2芯進(jìn)行調(diào)換，變換相序后使電動機(jī)反轉(zhuǎn)。由于電纜大都采用硬銅導(dǎo)體，導(dǎo)體外包絕緣、填充物和護(hù)套，電纜來回交叉搬動彎曲，長期下來會使電纜絕緣和保護(hù)層受傷，絕緣材料的電氣性能和機(jī)械性能劣化，使絕緣層變脆甚至斷裂，造成人為損傷，導(dǎo)致絕緣性能降低，影響泵站安全運(yùn)行。正常情況下，試驗(yàn)檢測人員每年對電氣設(shè)備包括電纜做一次預(yù)防性試驗(yàn)，如果按照這種操作方式，需要經(jīng)常對電纜進(jìn)行預(yù)防性耐壓測試，加快了絕緣老化程度，也增加了維護(hù)成本。電纜頭與母排之間采用螺栓連接，如果經(jīng)常拆裝，緊固件會磨損，導(dǎo)致連接部位松動變形，接觸電阻加大，電纜發(fā)熱嚴(yán)重，時間長久致使絕緣層破壞，造成相間短路、對地?fù)舸┓烹娚踔林稹Ａ硗?，如果泵站裝機(jī)臺數(shù)多、需要經(jīng)常正向和反向交錯運(yùn)行，操作人員需每臺機(jī)組來回反復(fù)改接線，不僅增加了操作人員的工作量，而且可能會因?yàn)殄e接線或漏接線導(dǎo)致人為事故的發(fā)生。

2 換相隔離手車的研制

基于上述操作方式存在安全隱患，筆者結(jié)合工程設(shè)計(jì)，開發(fā)研制了一種在雙向運(yùn)行泵站中使電動機(jī)反轉(zhuǎn)的換相隔離手車，該手車可以在不改變電動機(jī)定子接線相序的情況下使電動機(jī)反轉(zhuǎn)運(yùn)行。

2.1 設(shè)計(jì)思路

在電動機(jī)高壓開關(guān)柜前側(cè)設(shè)置一臺隔離手車柜，該柜配備2臺隔離手車，一臺手車按A-A、B-B、C-C接線(正向運(yùn)行手車，即常規(guī)隔離手車)，另一臺手車按A-C、B-B、C-A接線(反向運(yùn)行手車，即換相隔離手車)。當(dāng)泵站運(yùn)行在灌溉引水工況時，將正向運(yùn)行手車推進(jìn)工作位置，機(jī)組實(shí)現(xiàn)正向運(yùn)行；運(yùn)行在防洪排澇工況時，將反向運(yùn)行手車推進(jìn)工作位置，機(jī)組實(shí)現(xiàn)反向運(yùn)行。按照這種接線方式，需要設(shè)計(jì)一種使電動機(jī)反轉(zhuǎn)的換相隔離手車，一次操作即可實(shí)現(xiàn)所有機(jī)組正向或反向運(yùn)行，可消除因改變電纜接線換相序帶來的不利影響。

2.2 手車基本結(jié)構(gòu)

換相隔離手車采用銅排式隔離手車形式，由底盤車、絕緣罩、觸臂套管(絕緣筒)、換相連接銅排、動觸頭、絕緣子、框架及內(nèi)部機(jī)構(gòu)組成。其總體結(jié)構(gòu)為前后布置形式，采用復(fù)合絕緣結(jié)構(gòu)。導(dǎo)電部分安裝于絕緣筒內(nèi)，絕緣筒采用環(huán)氧樹脂APG壓力凝膠工藝澆注而成，以絕緣筒為絕緣骨架，對地絕緣由絕緣筒的內(nèi)外面承受，相間由筒壁與空氣復(fù)合絕緣承受。隔離手車配用專用推進(jìn)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)工作位置和試驗(yàn)位置的互換。為防止帶負(fù)荷誤操作，專用推進(jìn)機(jī)構(gòu)上設(shè)置閉鎖電磁鐵，實(shí)現(xiàn)手車工作位置和試驗(yàn)位置的鎖定，并設(shè)有行程開關(guān)，實(shí)現(xiàn)“工作”和“試驗(yàn)”位置顯示。當(dāng)手車處于工作位置或試驗(yàn)位置時，閉鎖電磁鐵不通電，無法推進(jìn)或退出手車。二次部分設(shè)置于機(jī)構(gòu)箱體和專用推進(jìn)機(jī)構(gòu)內(nèi)，手車配用航空插頭，帶有試驗(yàn)位置和工作位置。

2.3 一次接線設(shè)計(jì)

換相隔離手車的框架、底盤車、推進(jìn)機(jī)構(gòu)及限位等部件與常規(guī)的隔離手車相同，區(qū)別主要在于固定絕緣子、觸臂套管的規(guī)格以及連接銅排加工處理的工藝不同。常規(guī)隔離手車A、B、C三相上、下觸頭間是用一根豎向銅排連接各自梅花觸頭，換相隔離手車采用前后布置形式，銅排換相排序由“近”到“遠(yuǎn)”、由“左”到“右”分別為A相-C相連接、B相-B相連接、C相-A相連接，即A相上觸頭與C相下觸頭用一根┏┛形銅排連接各自梅花觸頭，B相上、下觸頭間用一根┃豎向銅排連接各自梅花觸頭，C相上觸頭與A相下觸頭用一根┗┓形銅排連接各自梅花觸頭，實(shí)現(xiàn)A-C、B-B、C-A接線(即A相和C相調(diào)換相序)，換相排之間及相與地之間需保證有足夠的電氣間隙。一次接線并不復(fù)雜，難點(diǎn)在于標(biāo)準(zhǔn)的隔離手車空間狹小，如何在有限的空間里實(shí)現(xiàn)銅排換相且滿足規(guī)定的電氣間隙要求，將不同載流量的換相隔離手車制造成標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)與尺寸的通用產(chǎn)品，與常規(guī)隔離手車實(shí)現(xiàn)互換，筆者走訪了相關(guān)零部件生產(chǎn)制造廠和母線加工處理廠，了解其構(gòu)造、組裝和母線加工處理工藝及試驗(yàn)，采用不同的絕緣處理方式，克服因銅排截面不同(寬邊和窄邊規(guī)格不同)無法用統(tǒng)一的制造方法達(dá)到規(guī)定電氣間隙的技術(shù)難點(diǎn)，解決了換相排序難的問題。

首先，選取低、中、高3種不同規(guī)格長度的支柱絕緣子，高差不小于125 mm；選取長、中、短3種不同規(guī)格長度的觸臂套管，與低、中、高支柱絕緣子配套連接，總長控制在598 mm以內(nèi)。其次，加工制作┏┛和┗┓換相連接排，銅排采用冷壓折彎技術(shù)一體化成平彎形[2]，表面光潔平整，無裂紋、折皺；工序：下料、銅排調(diào)直、調(diào)平、去毛刺，端面倒角、曲彎、沖孔、表面處理等。最后分別將低、中、高支柱絕緣子與對應(yīng)的長、中、短觸臂套管進(jìn)行組裝，按由“近”到“遠(yuǎn)”、由“左”到“右”順序安裝┏┛、┃和┗┓ 3種連接排。

對于載流量小的銅排，由于其寬邊和窄邊比較小，采用上述方法基本能達(dá)到規(guī)定的電氣間隙，絕緣和耐壓試驗(yàn)也符合要求。考慮運(yùn)行環(huán)境潮濕和污穢等因素，在銅排表面外套熱縮護(hù)套，在相間、相地之間設(shè)置環(huán)氧樹脂板加強(qiáng)絕緣，確保運(yùn)行安全。對于載流量大的銅排，由于其寬邊和窄邊大，有的甚至是多拼母排，按照上述方法組裝后無法達(dá)到國標(biāo)規(guī)定的空氣中電氣間隙和爬電距離，必須采用特殊工藝進(jìn)行處理。目前采用的是流化床涂覆工藝，在銅排表面涂覆阻燃性絕緣粉末：以環(huán)氧樹脂為基料，以硅微粉或氧化鋁為填料，以十二溴聯(lián)苯醚為阻燃劑，加入適量的固化劑和流平劑，通過特定的加工處理流程制成絕緣粉末，采用流化床涂覆工藝對表面進(jìn)行絕緣處理，銅排具有更高的電氣性能、機(jī)械性能和耐熱性，特別是對于折彎形狀比較復(fù)雜的寬邊銅排，采用此工藝比熱縮護(hù)套更具優(yōu)勢，避免了護(hù)套絕緣老化和散熱條件差的問題[3]。這種生產(chǎn)工藝加工過程較為復(fù)雜，銅排連接處不能作噴涂處理，搭接處搪錫、壓花、涂導(dǎo)電膏，降低接觸電阻，增加導(dǎo)電性能；在現(xiàn)場出現(xiàn)碰傷后無法補(bǔ)救，所以一般設(shè)置絕緣罩和隔板加以防護(hù)，同時也提高了整體絕緣水平。通過這種復(fù)合絕緣處理方式來加強(qiáng)相間和相對地絕緣，達(dá)到降低對絕緣距離的要求[4]。上述工序完成后進(jìn)行絕緣電阻測量和交流耐壓試驗(yàn)，主回路相間、相對地工頻耐壓按42 kV/min試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果滿足要求才可以證明裝置合格[5]。

2.4 二次接線設(shè)計(jì)

二次接線主要涉及電流回路、電壓回路和控制回路。

電流回路：由于一次接線實(shí)現(xiàn)了A相和C相的相序調(diào)換，通過電流互感器采集的二次回路信號也相應(yīng)實(shí)現(xiàn)了A相和C相的相序調(diào)換，因此電流回路不需要進(jìn)行改接線。

電壓回路：電壓信號是公用信號，電動機(jī)饋線回路與進(jìn)線及其他饋線回路的電壓信號均取自同一組電壓互感器，在正向運(yùn)行時，由于沒有改變一次接線，因此電流與電壓的相序是相對應(yīng)的。反向運(yùn)行時，由于電動機(jī)母線A相與C相的相序進(jìn)行了互換，因此電壓互感器送給電動機(jī)饋線回路的電壓信號也需要互換，電壓回路二次接線需進(jìn)行改接線，確保電流與電壓相序是相對應(yīng)的。

控制回路：電壓信號的互換主要是通過2個中間繼電器來實(shí)現(xiàn)的，一個中間繼電器用于正向運(yùn)行，另一個中間繼電器用于反向運(yùn)行。當(dāng)正向運(yùn)行手車處于工作位置時，正向運(yùn)行中間繼電器接通，電壓信號為A-B-C相序；當(dāng)反向運(yùn)行手車處于工作位置時，反向運(yùn)行中間繼電器接通，電壓信號為C-B-A相序。這樣電壓信號與電流信號相序始終保持一致。為防止中間繼電器拒動或誤動，可采用雙繼電器并聯(lián)工作，保證信號正確發(fā)出。

上述控制回路接線在柜內(nèi)二次儀表室完成，換相隔離手車的位置接點(diǎn)通過航空插頭轉(zhuǎn)接送出，其中用于正向和反向運(yùn)行的特征接點(diǎn)需分開設(shè)置，當(dāng)正向或反向運(yùn)行手車位于工作位置時，該手車的特征接點(diǎn)接通各自的控制回路，確保正向或反向運(yùn)行信號準(zhǔn)確發(fā)出。

根據(jù)以上一次接線和二次接線的設(shè)計(jì)與研制，通過使用不同的運(yùn)行手車，達(dá)到一次操作即可實(shí)現(xiàn)一次和二次接線的互換，實(shí)現(xiàn)所有機(jī)組正向或者反向運(yùn)行。

3 應(yīng)用情況

第1臺換相隔離手車應(yīng)用于江蘇省秦淮新河抽水站改造工程，經(jīng)過一段時間機(jī)組正向和反向運(yùn)行，證明該裝置性能穩(wěn)定，操作方便。隨后，省內(nèi)其他一些雙向運(yùn)行泵站(如蘇州裴家圩泵站、仙人大港泵站、無錫梅梁湖泵站、金壇石橋泵站、常州大通河西泵站、遙觀北泵站、淮安里運(yùn)河泵站、 太倉十八港南泵站等工程)也紛紛采用了該設(shè)計(jì)思路，通過使用換相隔離手車實(shí)現(xiàn)電動機(jī)反轉(zhuǎn)，達(dá)到機(jī)組正向和反向運(yùn)行目的，機(jī)組運(yùn)行安全可靠、操作簡便、易于管理，提高了設(shè)備使用壽命，同時也大大減輕了運(yùn)行人員的工作量。

4 結(jié) 語

換相隔離手車從研制出來到現(xiàn)在廣泛使用已經(jīng)過了很長一段時間，其間經(jīng)過了結(jié)構(gòu)調(diào)整、絕緣處理幾次改進(jìn)，裝置運(yùn)用日漸成熟。需要注意的是，在選擇大截面銅排規(guī)格時要安排好長寬比，方便銅排成形，盡量利用空氣絕緣，達(dá)到規(guī)范要求的電氣間隙。另外，從技術(shù)角度看，換相隔離手車還有改進(jìn)和提升的空間，如選用多拼母排時可以采用管形絕緣母線，母線可以和觸臂套管合為一體；母排不規(guī)則折彎難以成形時可以采用軟母線。這些方法都可以在今后的工程實(shí)踐中繼續(xù)研制。

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[1] 孫美君，吳曉斌. 工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊[M].3版. 北京：中國電力出版社，2005：657-658.

[2] GB50149-2010，電氣裝置安裝工程：母線裝置施工及驗(yàn)收規(guī)范[S].

[3] 朱龍余. 流化床涂覆在高壓開關(guān)柜母線絕緣上的應(yīng)用[J]. 現(xiàn)代涂料與涂裝，2005，(1): 46-47.

[4] DL/T 404-2007，3.6～40.5 kV交流金屬封閉開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備[S].

[5] GB50150-2006，電氣裝置安裝工程 電氣設(shè)備交接試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)[S].