邱正新，劉本學，張賽鵬，李付永，敖 明，馮世濤，張 任

(1.平高集團有限公司, 河南 平頂山 467001； 2.鄭州大學 機械與動力工程學院, 河南 鄭州 450001； 3.國家電網(wǎng)吉林省電力有限公司 電力科學研究院, 吉林 長春 130021)

0 引言

高壓隔離開關是電網(wǎng)中使用最廣泛、使用量最大的高壓開關設備，其使用量是高壓斷路器使用數(shù)量的2～4倍[1-2]。其結構包含了多連桿機構、鎖死機構、傳動機構等，結構所用材料有普通碳鋼、鋁合金、銅等不同環(huán)境溫度差異性材料。當隔離開關在敞開的自然環(huán)境中運行時，由于受到各種惡劣環(huán)境對產品的影響，會出現(xiàn)觸頭發(fā)熱、操作卡滯等故障[3]。如在我國內蒙古地區(qū)，冬季局部地區(qū)氣溫最低可達到-57.6 ℃；新疆最高氣溫可達47 ℃，地表溫度最高75.8 ℃，金屬體的溫度更高，因此產品的熱脹冷縮變形嚴重。極端天氣下的產品工作與常溫下的表現(xiàn)差別巨大。高低溫會影響到電力設備零部件材料的物理屬性，直接影響其機械特性，間接影響其電氣特性。但由于現(xiàn)場環(huán)境的影響，事故發(fā)生時很難找到根本的原因，難以作出有效的處理。因此開展超高低溫研究對惡劣環(huán)境下隔離開關的安全運行具有重要的實用價值和一定的理論意義。

目前對于高壓隔離開關的研究主要集中在動靜觸頭的發(fā)熱及其在線監(jiān)測[4-5]、機械振動對高壓隔離開關變形性能的影響[6]、隔離開關故障及診斷[7]等方面，關于隔離開關的超高低溫研究尚屬空白。筆者選擇受環(huán)境溫度影響較明顯的剪刀式GW46-126隔離開關作為研究對象，進行超高低溫度環(huán)境對其機械特性和電學特性影響的試驗研究。根據(jù)試驗結果，筆者分析隔離開關特性與環(huán)境溫度變化的關系，總結隔離開關觸頭可靠性、溫升、機構及機械傳動等高低溫技術適應性要求，提供滿足高低溫環(huán)境的隔離開關研發(fā)設計相關的技術支持。

1 隔離開關結構

剪刀式GW46-126 型高壓交流隔離開關外形圖如圖1所示，主要由主刀靜觸頭、主閘刀、絕緣子、底座及操作機構等部分組成。工作原理為：隔離開關的分、合閘運動是由電動操作機構帶動旋轉絕緣子旋轉，導電箱體里的空間四連桿通過法蘭與旋轉絕緣子連接，電動操作機構工作時，導電箱體里的空間四連桿帶動一側閘刀運動，同時與此相連的交叉四連桿帶動另一側閘刀運動，從而實現(xiàn)隔離開關的分閘與合閘[8]。

圖1 隔離開關Figure 1 Isolation switch

2 試驗平臺建立

2.1 試驗原理

為得到該產品的性能，首先將GW46-126隔離開關置于具有高低溫調節(jié)功能的氣候試驗室內(如圖2所示)，在氣候試驗室模擬產品的環(huán)境溫度變化，在設定的試驗溫度下,依照GB/T 2423.1—2008《電工電子產品環(huán)境試驗 第2部分：試驗方法 試驗A：低溫》與GB/T 2423.2—2008[9-10]《電工電子產品環(huán)境試驗 第2部分：試驗方法 試驗B：高溫》，對GW46-126隔離開關進行耐溫試驗測試(主要進行機械特性測試和部分電學特性測試)，并記錄GW46-126隔離開關機械特性參數(shù)與電學參數(shù)的試驗數(shù)據(jù)，研究其隨溫度改變而產生的變化規(guī)律，分析環(huán)境溫度對產品特性的影響。

圖2 隔離開關室內試驗Figure 2 Laboratory experiment of isolating switch

進行測試時，需要安裝接觸壓力傳感器、位置傳感器、扭矩傳感器和角傳感器。氣候試驗室可調整溫度范圍為-65～90 ℃，容積為6 m(長)×6 m(寬)×5.5 m(高)。

2.2 試驗方案

隔離開關運行包括長期合閘運行與短時停電維護兩種狀態(tài)。筆者針對該開關的分、合閘狀態(tài)制定了試驗方案，主要包含合閘靜態(tài)保持狀態(tài)與電動分合閘操作兩種狀態(tài)。在氣候試驗室內安放三相GW46-126隔離開關試品，一相電路控制合閘靜止狀態(tài)，其余兩相電路控制電機驅動操作，在觸頭上安裝位置傳感器和壓力傳感器，機構輸出軸位置安裝角度傳感器和扭矩傳感器，隔離開關轉動關節(jié)涂抹耐低溫航空7007潤滑脂，試驗過程中不做任何調整，傳感器安裝位置及外觀如圖2所示。

試驗溫度流程：起始自然環(huán)境溫度(14 ℃)→60 ℃→20 ℃→0℃→-40 ℃→-60 ℃→恢復自然環(huán)境溫度(14 ℃)。設定氣候試驗室的每個預定溫度點，在達到該試驗溫度點之后，恒溫8 h，保證隔離開關試品與試驗室溫度一致后，隔離開關進行5次分、合閘操作，分別檢測、記錄相應的數(shù)值，評估試品的特性變化。試品與傳感器同在環(huán)境試驗室內，試驗數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)線傳輸?shù)皆囼炇彝獾挠涗涳@示裝置。

3 超高低溫對隔離開關耐溫性的影響

3.1 溫度對觸頭接觸壓力的影響

觸頭接觸壓力是高壓隔離開關的重要參數(shù)，是保持高壓隔離開關傳導和不放電的重要保障[5]。接觸力過小會引起接觸電阻增大，出現(xiàn)觸頭發(fā)熱、粘連損壞等現(xiàn)象，為此需要進行觸頭接觸壓力檢測試驗[11-13]。試驗時靜觸頭懸掛在氣候試驗室頂部，保持位置不變，壓力傳感器嵌于隔離開關靜觸桿內(如圖2所示)，隔離開關動觸頭鉗夾緊觸桿產生的接觸力就是所檢測的接觸壓力，也就是隔離開關動靜觸頭間的夾緊力。試驗前自然環(huán)境溫度14 ℃，依照GW46-126隔離開關設計要求規(guī)定的額定接觸壓力((46±2.5) kg對應接觸壓力范圍為426.3～ 475.3 N)對其進行調整，滿足要求后進行6個溫度點(14、60、20、0、-40、-60 ℃)環(huán)境溫度試驗。每個溫度點進行5次接觸壓力循環(huán)檢測，讀取檢測數(shù)值，動靜觸頭間接觸壓力測試結果如表1所示。

表1 不同溫度下動靜觸頭間接觸壓力測試值Table 1 Test value of contact pressure of dynamic and static contacts at different temperatures N

表1給出了6種溫度下觸頭接觸壓力的測試值，包括每個溫度下5次測試的動靜觸頭間接觸壓力值及5次測試結果的平均數(shù)值。由表1可知，60 ℃時的平均接觸壓力最小，為397.3 N，小于其設計范圍內的最小值426.3 N；-60 ℃時平均接觸壓力最大，為511.6 N，接觸壓力相對環(huán)境溫度為60 ℃時增加了114.3 N，增加28.77%，說明動靜觸頭間的接觸壓力受環(huán)境溫度影響較大，同時動靜觸頭間接觸壓力511.6 N大于其設計要求的最大值475.3 N。利用表1中的測試溫度及其所對應接觸壓力測試結果的平均值繪制隔離開關動靜觸頭間平均接觸壓力隨溫度變化曲線，如圖3所示。

圖3 動靜觸頭間接觸壓力與環(huán)境溫度的關系Figure 3 Relationship between contact pressure of dynamic and static contacts and environmental temperature

由圖3可知，隔離開關動靜觸頭間接觸壓力隨環(huán)境溫度的增加而變小。以試驗前溫度14 ℃時測得的觸頭接觸壓力數(shù)值為基準，溫度升高動靜觸頭接觸壓力變小，溫度下降接觸壓力增加，因此產品安裝時要注意高溫環(huán)境因接觸壓力減小帶來的電阻升高、觸頭損壞的問題。

綜合考慮圖3中動靜觸頭間接觸壓力與環(huán)境溫度的曲線關系及表1中的測試數(shù)據(jù)，可以判斷GW46-126型高壓隔離開關的合理溫度工作范圍為-40～40 ℃，和GW46-126型高壓隔離開關的設計工作溫度范圍(-40～40 ℃)一致。

3.2 溫度對動靜觸頭相對位置的影響

動靜觸頭相對位置體現(xiàn)在夾持位置的變化和動靜觸頭間接觸壓力的變化。根據(jù)結構相對位置關系，相同情況下，動靜觸頭相對位置越小，位移傳感器測得的相對位移量越大，動靜觸頭與高壓電纜間接觸壓力越大。相對位置的測試利用位移傳感器實現(xiàn)。位移傳感器安裝在單相隔離開關動觸頭的一個動觸片上(如圖2所示)，使位移傳感器移動探針能夠接觸對側動觸片，通過動觸片壓縮探針檢測動觸片相對位移量。在自然環(huán)境14 ℃下安裝調試，設定初始數(shù)值，滿足檢測要求后，分別進行6個溫度點的位置檢測，相對位置(位移傳感器測得的相對位移量)測試結果如表2所示。

表2 不同溫度下動靜觸頭相對位置測試值Table 2 Relative position test value of dynamic and static contacts at different temperatures mm

由表2中測試結果平均數(shù)值可知，動靜觸頭的接觸點相對位置受環(huán)境溫度變化的影響，其影響曲線如圖4所示。

圖4 動靜觸頭相對位置與環(huán)境溫度的關系Figure 4 Relationship between relative position of dynamic and static contacts and environmental temperature

由表2和圖4可知，隨著溫度升高，動靜觸頭的接觸點相對位置(即間隙)總體趨勢增大，即位移傳感器測得相對位移量變大。當自然環(huán)境14 ℃時動靜觸頭接觸點相對位置最大，為7.889 mm，-60 ℃時動靜觸頭接觸點相對位置最小，為7.262 mm。如果以試驗前14 ℃動靜觸頭相對位置數(shù)值為基準，溫度下降則動靜觸頭間隙減小，位移傳感器測得相對位移量減小；溫度上升則動靜觸頭間隙增大，位移傳感器測得相對位移量增大。動靜觸頭相對位置變小，其受到的接觸壓力變大；反之，接觸壓力變小。因此，在安裝調整過程中需要考慮不同溫度時的動靜觸頭接觸壓力，以保證高溫時觸頭能緊密配合，低溫時動靜觸頭接觸壓力不能超過額定接觸壓力范圍。

3.3 溫度對機構輸出扭矩的影響

扭矩傳感器安裝在機構輸出軸上,如圖2所示。試驗測試前，首先取下隔離開關導電箱體驅動連桿，空載操作。調整、固定試驗裝置零部件之間相對位置，保證機構輸出扭矩小于10 N·m，減小預裝扭矩值和額外負載，以減小測量誤差。然后連接隔離開關驅動連桿，檢測自然環(huán)境14 ℃下隔離開關基準扭矩，并進行6個溫度點環(huán)境溫度試驗。測試數(shù)值為合閘與分閘的扭矩最大峰值，測試結果如表3所示。

表3給出了不同溫度條件下隔離開關分、合閘時的峰值扭矩測試結果。利用表3中的測試結果繪制隔離開關分、合閘平均操作峰值扭矩隨環(huán)境溫度變化曲線，如圖5所示。

表3 不同溫度下隔離開關分、合閘操作峰值扭矩Table 3 Peak torque in opening and closing operation of isolation switch at different temperatures N·m

圖5 峰值扭矩與環(huán)境溫度的關系Figure 5 The relationship between peak torque and environmental temperature

由表3和圖5可以看出：①分閘狀態(tài)，14 ℃溫度下測得分閘機構輸出峰值扭矩最小，為42.2 N·m；-60 ℃溫度下測得的分閘機構輸出峰值扭矩最大，為192 N·m，是14 ℃溫度下分閘機構輸出扭矩的4.5倍；60 ℃時分閘機構輸出峰值扭矩為86.8 N·m，是14 ℃溫度下分閘機構輸出扭矩的2.06倍。②合閘狀態(tài)，0 ℃溫度下測得分閘機構輸出峰值扭矩最小，為73.8 N·m；-60 ℃溫度下測得的分閘機構輸出峰值扭矩最大，為194 N·m，是14 ℃溫度下分閘機構輸出扭矩的2.2倍；60 ℃時分閘機構輸出峰值扭矩為130 N·m，是14 ℃溫度下分閘機構輸出扭矩的1.49倍。③相同溫度下，隔離開關合閘狀態(tài)的操作峰值扭矩大于分閘狀態(tài)時的操作峰值扭矩。④隔離開關分、合閘操作輸出峰值扭矩隨著溫度的升高呈現(xiàn)出先減小再增加的趨勢。綜上所述，隔離開關分、合閘操作峰值扭矩受外界環(huán)境溫度的影響較大，且溫度對于隔離開關分閘狀態(tài)操作峰值扭矩的影響大于合閘狀態(tài)。

3.4 溫度對機構輸出角度影響

隔離開關電動機構輸出角度允許變化范圍為(88±2)°，空載條件下重復角度誤差0.1°。為檢測機構輸出角度受環(huán)境變化的影響程度，調整機構分合閘限位，自然環(huán)境14 ℃下將機構輸出角度調整到86°～90°，同時為保證隔離開關能夠正常檢測操作，在機構箱內安放3個100 W和1個30 W的加熱器，0 ℃以上時加熱器不工作，0 ℃及以下加熱器工作效果如表4所示，機構分合閘操作角度試驗測試數(shù)據(jù)如表5所示。

表4 機構箱體溫度Table 4 Temperature of mechanism box

由表5中檢測數(shù)據(jù)表的數(shù)值可得，隔離開關電動機構的輸出角受外界環(huán)境的變化影響。自然環(huán)境14 ℃溫度時分、合閘時機構平均輸出角分別為87.43°、88.44°；-60 ℃溫度時分、合閘時機構平均輸出角分別為86.58°、86.58°，相對于檢測前(自然環(huán)境14 ℃)輸出角變化分別為0.85°、1.86°；60 ℃溫度時分、合閘時機構平均輸出角分別為89°、89.12°，相對于檢測前(自然環(huán)境14 ℃)輸出角變化分別為1.57°、0.68°。隔離開關角度的變化一方面受所帶負載的影響，另一方面受溫度的變化影響，隔離開關分、合閘時機構輸出角受外界環(huán)境溫度的影響曲線如圖6所示。

圖6 機構輸出角與環(huán)境溫度的關系Figure 6 Relationship between output angle of mechanism and environmental temperature

表5 不同溫度下隔離開關分、合閘機構輸出角Table 5 Output angle of opening and closing mechanism of isolation switch at different temperatures (°)

由圖6可以看出，隔離開關機構輸出角隨溫度的總體變化趨勢為隨著溫度的升高而增加，變化范圍均小于2°，滿足高壓隔離開關機構輸出角允許變化范圍。

3.5 溫度對回路電阻的影響

在上述溫度下，應用回路電阻儀檢測100 A試驗電流條件下隔離開關回路電阻，檢測接入點分別為隔離開關的下端接線板和上端靜觸桿，結果如表6所示。利用表6中數(shù)據(jù)繪制隔離開關回路電阻隨環(huán)境溫度變化曲線，如圖7所示。

表6 不同溫度下隔離開關回路電阻Table 6 Circuit resistance of isolation switch at different temperatures μΩ

從圖7可以看出，隔離開關的回路電阻隨環(huán)境溫度增加而不斷增加。60°時電阻比-60°時電阻增加了103.4 μΩ，增加了約41%，可見高壓隔離開關回路電阻受環(huán)境溫度影響較大。

圖7 隔離開關回路電阻與環(huán)境溫度的關系Figure 7 Relationship between circuit resistance of isolation switch and environmental temperature

4 結論

在氣候試驗室，通過測試GW46-126型剪刀式高壓隔離開關在60、20、14、0、-40、-60 ℃環(huán)境下的觸頭接觸壓力、觸頭相對位移、驅動扭矩、機構輸出角度等參數(shù)的性能變化，以及100 A電流下溫度對隔離開關電阻的影響，得到以下結論：

(1)環(huán)境溫度對于隔離開關動靜觸頭間接觸壓力、動靜觸頭相對位置、開合閘操作峰值扭矩影響較大，對機構輸出角影響較小。

(2)隨環(huán)境溫度的增加，隔離開關動靜觸頭間接觸壓力變小,動靜觸頭相對位置數(shù)值增大，分合閘狀態(tài)扭矩非線性變化，且環(huán)境溫度對于隔離開關開閘狀態(tài)操作峰值扭矩的影響大于合閘狀態(tài)。

(3)該項研究結果直接反映GW46-126型隔離開關的機械性能參數(shù)及電學參數(shù)在高低溫環(huán)境下隨溫度的變化規(guī)律，可為高壓隔離開關的戶外應用提供一定的指導。