國(guó)網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力有限公司 王遠(yuǎn)東 李海明 國(guó)網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力有限公司赤峰供電公司 張國(guó)彥 西安西電伊頓電力科技有限公司 侯 俊 張肇雷 宋鶴廣

1 引言

隔離開(kāi)關(guān)是AIS 變電站使用量最大的高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備，主要起電力隔離作用，沒(méi)有開(kāi)、合負(fù)荷電流和故障電流的能力?？諝饨^緣隔離開(kāi)關(guān)的故障主要表現(xiàn)在絕緣子斷裂、操作失靈、導(dǎo)電回路過(guò)熱和銹蝕四個(gè)方面，絕緣子斷裂故障多發(fā)生在220kV 隔離開(kāi)關(guān)上，且主要集中在GW6、GW7、GW4、GW5等型號(hào)產(chǎn)品上。220kV 全封閉氣體絕緣隔離開(kāi)關(guān)是一種創(chuàng)新的隔離開(kāi)關(guān)形式，與普通的空氣絕緣隔離開(kāi)關(guān)相比，全封閉SF6氣體絕緣隔離開(kāi)關(guān)由于使用SF6作為絕緣介質(zhì)，能夠完全與外界環(huán)境隔絕，最大限度降低開(kāi)關(guān)受外界因素干擾程度，大幅度提升了開(kāi)關(guān)設(shè)備運(yùn)行的可靠性與穩(wěn)定性[1]。

對(duì)全封閉氣體絕緣隔離開(kāi)關(guān)這種開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入研究，會(huì)為電力公司帶來(lái)十分可觀的社會(huì)效益與經(jīng)濟(jì)效益，也會(huì)為工程安全提供更可靠的保障。在對(duì)全封閉氣體絕緣隔離開(kāi)關(guān)研究中，研究人員應(yīng)用了折疊插入技術(shù)、儲(chǔ)能技術(shù)、高級(jí)密封技術(shù)等[2]，取得了多樣化的研究成果。本文將從應(yīng)用仿真計(jì)算技術(shù)方面，分析計(jì)算全封閉隔離開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)。

2 基于仿真計(jì)算的全封閉隔離開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)

2.1 主閘刀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于仿真計(jì)算技術(shù)設(shè)計(jì)全封閉隔離開(kāi)關(guān)主閘刀的結(jié)構(gòu)[3]，采用絲桿絲母?jìng)鲃?dòng)結(jié)構(gòu)作為全封閉隔離開(kāi)關(guān)主閘刀的傳動(dòng)形式[4]。設(shè)計(jì)其傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，并對(duì)動(dòng)觸頭運(yùn)動(dòng)軌跡實(shí)施仿真計(jì)算，以確定隔離開(kāi)關(guān)實(shí)際分、合閘動(dòng)線(xiàn)。在傳動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，用AC 表示絲桿，將AC 上端設(shè)計(jì)為絲母，用OB 表示另一條絲桿，將其上端設(shè)計(jì)為絲母。其中，固定鉸點(diǎn)為A點(diǎn)與O 點(diǎn)，A 點(diǎn)是絲桿固定鉸點(diǎn)，O 點(diǎn)是下導(dǎo)電管旋轉(zhuǎn)中心。基于仿真計(jì)算技術(shù)計(jì)算絲母節(jié)圓半徑設(shè)計(jì)參數(shù)，具體如下式所示：

式中，L為OB 的長(zhǎng)度；R為OA 的長(zhǎng)度；β為OA 和縱軸間的運(yùn)行角[5]。接著計(jì)算DB 和縱軸間的運(yùn)行角θ 這一設(shè)計(jì)參數(shù)，具體如下式所示：

式中，α 是OB 和縱軸間的運(yùn)行角。

E 表示A 點(diǎn)橫坐標(biāo)軸與O 點(diǎn)縱坐標(biāo)軸之前的交點(diǎn)，最后計(jì)算AE 與OE 的長(zhǎng)度設(shè)計(jì)參數(shù)。假設(shè)在分閘時(shí)上管BD 處于豎直狀態(tài)，則在主閘刀豎直轉(zhuǎn)到合閘這一過(guò)程中，在絲桿上C 點(diǎn)的相對(duì)位置等于是旋轉(zhuǎn)了180°，即在分合閘位置AC 的長(zhǎng)度變化值為絲母分度圓周長(zhǎng)的二分之一，下式成立：

在分閘位，OB 處于豎直狀態(tài)，可以近似看作AC 是OB 與OE 之間的差值；在合閘位，OB 處于水平狀態(tài)，可以近似看作AC 是OB 與AE 的和。則絲桿AC 在分閘位與合閘位時(shí)的長(zhǎng)度差是AE 與OE 的和。

則下式成立：

根據(jù)式（4），絲母的分度圓直徑確定后，即可進(jìn)一步對(duì)AE 與OE 的長(zhǎng)度進(jìn)行確定。

用D 表示設(shè)計(jì)的動(dòng)觸頭，對(duì)動(dòng)觸頭運(yùn)動(dòng)軌跡實(shí)施仿真計(jì)算，也就是計(jì)算D 點(diǎn)與α 之間的相互關(guān)系，具體包括計(jì)算D 點(diǎn)到OB 的垂直距離以及D 點(diǎn)到AC 的垂直距離。

其中D 點(diǎn)到OB 的垂直距離的計(jì)算公式具體如下式：

式中L1為DB 的長(zhǎng)度。

接著計(jì)算D 點(diǎn)到AC 的垂直距離，具體為：

通過(guò)改變D1、D2對(duì)A 點(diǎn)、O 點(diǎn)間的相互位置關(guān)系進(jìn)行修改，使最終合閘時(shí)動(dòng)觸頭的運(yùn)動(dòng)軌跡趨近于直線(xiàn)，最終確定隔離開(kāi)關(guān)實(shí)際分、合閘動(dòng)線(xiàn)。

2.2 操動(dòng) 機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

操作機(jī)構(gòu)設(shè)置了手動(dòng)操作孔，可以通過(guò)搖把進(jìn)行分合閘手動(dòng)操作，手動(dòng)操作時(shí)有閉鎖裝置切斷電機(jī)電源保證操作人員安全；操作機(jī)構(gòu)對(duì)隔離開(kāi)關(guān)和接地開(kāi)關(guān)分別提供10開(kāi)10閉輔助接點(diǎn)。操作機(jī)構(gòu)輸出的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)經(jīng)傳動(dòng)輸入軸進(jìn)入相柱本體，帶動(dòng)絕緣操作桿及與之連接的絲杠作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，經(jīng)絲杠螺母裝配變?yōu)槁菽傅闹本€(xiàn)運(yùn)動(dòng)，螺母帶動(dòng)與之相連的接地動(dòng)觸頭及隔離動(dòng)觸頭作同步直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。通過(guò)虛擬樣機(jī)技術(shù)構(gòu)建電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)的對(duì)應(yīng)多體動(dòng)力學(xué)模型，計(jì)算操動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)矩特性與主軸等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，設(shè)計(jì)操動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)。

構(gòu)建的多體動(dòng)力學(xué)模型具體如下式所示：

式中，η為拉式乘子列陣；t為電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)行時(shí)間；T為最大阻尼系數(shù)；Pm為系統(tǒng)廣義坐標(biāo)列陣；pm’為剛度系數(shù)；φTP為碰撞系數(shù)；F為系統(tǒng)動(dòng)能；φ（pm’,t）為系統(tǒng)約束方程。

根據(jù)構(gòu)建的多體動(dòng)力學(xué)模型對(duì)轉(zhuǎn)矩特性與主軸等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量進(jìn)行計(jì)算。在計(jì)算中首先確定多體動(dòng)力學(xué)模型下各機(jī)械部件之間的關(guān)系，接著確定各運(yùn)動(dòng)部件的質(zhì)量，具體見(jiàn)表1。

表1 各運(yùn)動(dòng)部件的質(zhì)量

根據(jù)各機(jī)械部件之間的關(guān)系與質(zhì)量，獲取電機(jī)轉(zhuǎn)角與等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量之間，以及電機(jī)轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)矩特性之間的關(guān)系曲線(xiàn)。其中，電機(jī)轉(zhuǎn)角與等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量之間的關(guān)系曲線(xiàn)具體如圖1所示。

圖1 電機(jī)轉(zhuǎn)角與等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量間的關(guān)系曲線(xiàn)

根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)矩特性與等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量之間的關(guān)系曲線(xiàn)，獲取電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)參數(shù)，即轉(zhuǎn)矩特性參數(shù)與主軸等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量參數(shù)，完成操動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

2.3 觸頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

220kV 全封閉隔離開(kāi)關(guān)包括接地靜觸頭裝配、接地動(dòng)觸頭裝配及絲桿傳動(dòng)裝配等。單接地開(kāi)關(guān)操作機(jī)構(gòu)輸出的轉(zhuǎn)動(dòng)扭力經(jīng)聯(lián)軸器帶動(dòng)絲桿作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，螺母在觸子座內(nèi)被限制旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，因此作直線(xiàn)滑動(dòng)。螺母與動(dòng)觸頭固定連接，螺母帶動(dòng)觸頭上下滑動(dòng)完成接地分和閘操作。觸頭為外動(dòng)式結(jié)構(gòu)，在絲杠螺母變直傳動(dòng)的作用下與隔離開(kāi)關(guān)動(dòng)觸頭同步聯(lián)動(dòng)，設(shè)計(jì)一種新型觸頭結(jié)構(gòu)，由尾部的電連接部分、中間的導(dǎo)電桿部分以及頂端的電接觸部分構(gòu)成。

為提高機(jī)械性能與接觸部分的電氣，并減少接觸電阻，首先在接觸面上覆蓋一層銀合金涂層，主要由銀鎳、銀鈰合金、細(xì)晶銀、純銀構(gòu)成。觸頭的尺寸設(shè)計(jì)具體如下：劃分電流收縮區(qū)域的實(shí)際邊界，將該邊界內(nèi)電流線(xiàn)為收縮狀態(tài)的區(qū)域定為收縮區(qū)；將與收縮區(qū)距離較遠(yuǎn)，電流線(xiàn)呈現(xiàn)平行狀態(tài)的區(qū)域定為導(dǎo)體區(qū)；而二者之間的一段過(guò)渡區(qū)域，則將其定為過(guò)渡區(qū)。完成區(qū)域劃分后，構(gòu)建觸頭接觸面的溫升理論模型，具體如圖2所示。

圖2 構(gòu)建的觸頭接觸面的溫升理論模型

將導(dǎo)體區(qū)中材料流通截面積用Q 來(lái)表示，散熱系數(shù)用H 來(lái)表示，導(dǎo)熱系數(shù)用λ 來(lái)表示，熱阻率用ρ 來(lái)表示，根據(jù)溫升理論模型對(duì)穩(wěn)態(tài)時(shí)觸頭溫升進(jìn)行計(jì)算。首先通過(guò)下式計(jì)算觸頭通流導(dǎo)體的實(shí)際發(fā)熱功率：

式（8）中，I為導(dǎo)體通流大小；L為導(dǎo)體材料長(zhǎng)度。

接著通過(guò)下式計(jì)算觸頭通流導(dǎo)體的實(shí)際散熱功率：

式中，M為導(dǎo)體通流截面的對(duì)應(yīng)周長(zhǎng)；Δt1為導(dǎo)體區(qū)的實(shí)際溫升。

由于導(dǎo)體溫度是穩(wěn)定的，也就是P1的值與P2的值是相等的，則Δt1可以用下式來(lái)計(jì)算：

通過(guò)下式計(jì)算過(guò)渡區(qū)的溫升：

式中，Rj為接觸電阻。

收縮區(qū)邊界的實(shí)際溫升可以用下式來(lái)計(jì)算：

則穩(wěn)態(tài)時(shí)觸點(diǎn)的總溫升具體如下式：

由于接觸面是圓形的，可以將式（13）簡(jiǎn)化為下式：

根據(jù)式（12），散熱系數(shù)是已知的，熱阻率與導(dǎo)熱系數(shù)是已知的，則導(dǎo)體通流截面半徑與接觸電阻是直接相關(guān)的。對(duì)于設(shè)計(jì)的觸頭，將已知數(shù)據(jù)代入即可獲取二者的關(guān)系曲線(xiàn)圖，具體如圖3所示。通過(guò)二者的關(guān)系曲線(xiàn)對(duì)接觸電阻進(jìn)行計(jì)算，再根據(jù)接觸的電阻對(duì)觸頭尺寸進(jìn)行計(jì)算。

圖3 導(dǎo)體通流截面半徑與接觸電阻的關(guān)系曲線(xiàn)圖

3 性能測(cè)試與分析

3.1 隔離開(kāi)關(guān)試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)

對(duì)于基于仿真計(jì)算的全封閉隔離開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)，對(duì)其性能進(jìn)行測(cè)試。在測(cè)試中設(shè)計(jì)一種隔離開(kāi)關(guān)試驗(yàn)臺(tái)，由三個(gè)模塊構(gòu)成，分別為測(cè)控系統(tǒng)、電氣硬件、機(jī)械結(jié)構(gòu)，具體來(lái)說(shuō)由動(dòng)力驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、制動(dòng)加載機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、風(fēng)沙試驗(yàn)機(jī)構(gòu)、安裝基礎(chǔ)平臺(tái)、測(cè)力觸頭構(gòu)成。

其中，動(dòng)力驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)由彈性聯(lián)軸器、減速器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)等構(gòu)成，水平放置各部分，以降低試驗(yàn)臺(tái)的高度；制動(dòng)加載機(jī)構(gòu)由軸承、軸承座、花盤(pán)、電磁離合器構(gòu)成；傳動(dòng)機(jī)構(gòu)由軸承座、拐臂、主動(dòng)桿、交叉桿、加載桿、主絲桿構(gòu)成；風(fēng)沙試驗(yàn)機(jī)構(gòu)主要通過(guò)在風(fēng)沙箱內(nèi)設(shè)置多路自動(dòng)噴射塵沙與噴氣裝置對(duì)風(fēng)沙工況進(jìn)行模擬，在箱中可進(jìn)行30°分合閘的運(yùn)動(dòng)；安裝基礎(chǔ)平臺(tái)的尺寸設(shè)計(jì)為2200mm×1200mm×300mm，對(duì)表面實(shí)施退火處理，使其表面粗糙度達(dá)到6.5，并在平臺(tái)上設(shè)計(jì)三條T 型槽；在測(cè)力觸頭的設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)一種新型觸頭，由S 型壓力傳感器、安裝基座構(gòu)成。

測(cè)試參數(shù)：額定電壓：252kV；額定電流：4000A；額定1min 工頻耐壓：460kV+145kV；額定雷電沖擊耐壓：1050+200kV；額定短時(shí)耐受電流及持續(xù)時(shí)間：50kA、3s；額定峰值耐受電流：125kA；轉(zhuǎn)換電流：1600A；轉(zhuǎn)換電壓：300V；小容性電流開(kāi)合能力：1.0A；分閘時(shí)間（隔離/接地）：5s；合閘時(shí)間（隔離/接地）：5s。測(cè)試環(huán)境具體如圖4所示。在該測(cè)試環(huán)境下對(duì)設(shè)計(jì)的隔離開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)的性能進(jìn)行測(cè)試。

圖4 測(cè)試環(huán)境

3.2 性能測(cè)試

3.2.1 耐磨性能測(cè)試結(jié)果

在性能測(cè)試中，首先測(cè)試觸頭的耐磨性能，在測(cè)試中需要使用到隔離開(kāi)關(guān)試驗(yàn)臺(tái)的風(fēng)沙試驗(yàn)機(jī)構(gòu)與測(cè)力觸頭。具體來(lái)說(shuō)，就是測(cè)試設(shè)計(jì)的隔離開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)中，觸頭在外力作用下銀合金涂層厚度的變化情況。在測(cè)試中還需要使用鍍銀層測(cè)厚儀，具體型號(hào)為ASRF-34JH。在銀合金涂層上隨機(jī)設(shè)置5個(gè)測(cè)試點(diǎn)，在不同外力作用下對(duì)其厚度進(jìn)行測(cè)試。

在風(fēng)沙工況下，銀合金涂層厚度變化情況的測(cè)試結(jié)果具體見(jiàn)表2。根據(jù)表2銀合金涂層厚度變化情況測(cè)試數(shù)據(jù)，在風(fēng)沙工況下，設(shè)計(jì)的隔離開(kāi)關(guān)的銀合金涂層厚度變化不明顯，說(shuō)明其涂層比較耐磨。

表2 銀合金涂層厚度變化情況的測(cè)試結(jié)果

在測(cè)力觸頭摩擦工況下，銀合金涂層厚度變化情況的測(cè)試結(jié)果具體見(jiàn)表3。表3的銀合金涂層厚度變化情況的測(cè)試數(shù)據(jù)表明，在測(cè)力觸頭摩擦工況下，銀合金涂層厚度削減情況比風(fēng)沙工況明顯，但整體也表現(xiàn)出了比較耐磨的特質(zhì)，說(shuō)明觸頭的制造水平較高。

表3 銀合金涂層厚度變化情況的測(cè)試數(shù)據(jù)

3.2.2 溫升情況測(cè)試

接著測(cè)試隔離開(kāi)關(guān)在額定電流下的實(shí)際溫升情況，觀察其溫升是否會(huì)超出溫升標(biāo)準(zhǔn)。在測(cè)試中，將額定電流設(shè)定為1.1×4000A，將溫升標(biāo)準(zhǔn)定為70°C。在測(cè)試中，使用Ansys Workbench 軟件的Thermal-Electric 模塊對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄。溫升情況測(cè)試結(jié)果如圖5所示。根據(jù)圖5的溫升情況測(cè)試結(jié)果，在設(shè)計(jì)的隔離開(kāi)關(guān)的工作時(shí)間為20min 時(shí)，開(kāi)關(guān)的溫升情況比較穩(wěn)定，低于溫升標(biāo)準(zhǔn)；在開(kāi)關(guān)的工作時(shí)間為40min 時(shí)，開(kāi)關(guān)的溫度相比之前有一定幅度的上升，但整體溫升情況仍比較穩(wěn)定，低于溫升標(biāo)準(zhǔn)。

圖5 溫升情況測(cè)試結(jié)果

3.2.3 電動(dòng)力測(cè)試

最后對(duì)設(shè)計(jì)的隔離開(kāi)關(guān)進(jìn)行電動(dòng)力測(cè)試，也就是對(duì)開(kāi)關(guān)是否會(huì)受到極限通流的影響。在測(cè)試中，將可能通過(guò)的最大電流設(shè)為360kA，測(cè)試開(kāi)關(guān)工作的穩(wěn)態(tài)電流，測(cè)試結(jié)果如圖6所示。根據(jù)圖6的穩(wěn)態(tài)電流測(cè)試結(jié)果，設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)的穩(wěn)態(tài)電流始終低于360kA，并且整體表現(xiàn)比較穩(wěn)定，說(shuō)明設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)通過(guò)了電動(dòng)力測(cè)試。

圖6 穩(wěn)態(tài)電流測(cè)試情況

4 結(jié)語(yǔ)

在全封閉隔離開(kāi)關(guān)的研究中，設(shè)計(jì)了一種基于仿真計(jì)算的全封閉隔離開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)的開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)由主閘刀、操動(dòng)機(jī)構(gòu)、觸頭構(gòu)成，有著優(yōu)異的性能表現(xiàn)，取得了隔離開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)中的突破，對(duì)于隔離開(kāi)關(guān)性能的進(jìn)步有一定意義。