弟澤龍 程 立 曾廣移 黃 煒 呂軍玲

一種抽水蓄能電站用換相開關(guān)構(gòu)型參數(shù)及溫升研究

弟澤龍1程 立1曾廣移2黃 煒2呂軍玲1

（1. 西安西電開關(guān)電氣有限公司，西安 710077；2. 南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電有限公司，廣州 510630）

本文首次分析我國(guó)抽水蓄能電站單臺(tái)350MV?A以下容量主流發(fā)電電動(dòng)機(jī)用換相開關(guān)的設(shè)計(jì)過(guò)程，探討換相開關(guān)的技術(shù)特點(diǎn)及設(shè)計(jì)要求，并就設(shè)計(jì)方案的溫升特性進(jìn)行仿真研究。以該設(shè)計(jì)方案制造的樣機(jī)通過(guò)了溫升型式試驗(yàn)，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性和可靠性。本文研究可為同類產(chǎn)品的性能提升或相似產(chǎn)品的研發(fā)提供參考。

換相開關(guān)；三相五極；溫升；可靠性

0 引言

近年來(lái)清潔和環(huán)保能源產(chǎn)業(yè)提速發(fā)展，抽水蓄能電站作為目前電力系統(tǒng)中最大的儲(chǔ)能形態(tài)，其作用日益凸顯[1-2]。抽水蓄能不僅是一種綠色高效能源利用形式，而且對(duì)于接入電網(wǎng)的出力波動(dòng)較大的新能源如海上風(fēng)電、太陽(yáng)能等，具有良好的吸納和提質(zhì)作用，增強(qiáng)了電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)性能[3-6]。因而，抽水蓄能電站迎來(lái)了快速發(fā)展建設(shè)時(shí)期。

抽水蓄能電站所使用的發(fā)電電動(dòng)機(jī)具有發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)兩種基本工況。在系統(tǒng)用電低谷期，機(jī)組運(yùn)行在電動(dòng)機(jī)工況進(jìn)行抽水蓄能；在系統(tǒng)用電高峰期，機(jī)組運(yùn)行在發(fā)電機(jī)工況進(jìn)行發(fā)電并輸入電網(wǎng)。換相開關(guān)（phase reversal disconnector, PRD）是實(shí)現(xiàn)抽水蓄能電站機(jī)組發(fā)電和電動(dòng)兩種工況轉(zhuǎn)換的專用一次設(shè)備[7]，安裝于發(fā)電電動(dòng)機(jī)出口電壓主回路[8]，與發(fā)電機(jī)斷路器串聯(lián)使用，位于發(fā)電電動(dòng)機(jī)和變壓器之間，參與抽水蓄能電站多種工況轉(zhuǎn)換過(guò)程[9-10]，其狀態(tài)良好與否對(duì)抽水蓄能電站運(yùn)行極為重要。我國(guó)在運(yùn)及規(guī)劃中的抽水蓄能電站均以安裝單臺(tái)容量300MV?A發(fā)電電動(dòng)機(jī)為主，同時(shí)存在少數(shù)容量為350MV?A及400MV?A機(jī)組。換相開關(guān)具有載流大及可靠性高兩個(gè)基本特征，單臺(tái)發(fā)電電動(dòng)機(jī)配用一臺(tái)換相開關(guān)，以300MV?A發(fā)電電動(dòng)機(jī)為例，所配用的換相開關(guān)一般額定電壓為24kV[11]，額定通流能力應(yīng)達(dá)到約12 500A，機(jī)械操作壽命應(yīng)達(dá)到20 000次[12]。

目前，我國(guó)抽水蓄能電站建設(shè)所需換相開關(guān)完全依賴進(jìn)口ABB、AE Power等公司設(shè)備，國(guó)內(nèi)未見該領(lǐng)域相關(guān)產(chǎn)品。實(shí)現(xiàn)該設(shè)備國(guó)產(chǎn)化能有效緩解國(guó)內(nèi)市場(chǎng)需求壓力，促進(jìn)我國(guó)抽水蓄能電站建設(shè)持續(xù)發(fā)展。本文闡述一種抽水蓄能電站換相開關(guān)的設(shè)計(jì)過(guò)程，詳述其整體設(shè)計(jì)方案和通流溫升分析。

1 功能和結(jié)構(gòu)研究

1.1 總體結(jié)構(gòu)

換相開關(guān)安裝于抽水蓄能電站發(fā)電電動(dòng)機(jī)和變壓器之間，其電站主接線如圖1所示。

圖1 換相開關(guān)電站主接線

換相開關(guān)用于改變發(fā)電電動(dòng)機(jī)出口三相母線的相序，可以使用兩組三相開關(guān)實(shí)現(xiàn)該功能，即三相六極。當(dāng)發(fā)電電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電工況時(shí)，機(jī)組出口母線連接一組三相開關(guān)，當(dāng)發(fā)電電動(dòng)機(jī)處于電動(dòng)工況時(shí)，機(jī)組出口母線連接另一組三相開關(guān)。兩組三相開關(guān)一端均連接至發(fā)電電動(dòng)機(jī)，另一端均連接至電網(wǎng)。三相六極換相開關(guān)示意圖如圖2所示，電網(wǎng)側(cè)相序不變，而兩組三相開關(guān)各自導(dǎo)通時(shí)回路的相序不同，因此通過(guò)機(jī)組出口母線與該兩組三相開關(guān)的切換連接，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)組在發(fā)電工況和電動(dòng)工況下的出口相序轉(zhuǎn)換。兩組三相開關(guān)分別用于發(fā)電工況（圖2中GA、GB、GC導(dǎo)通）和電動(dòng)工況（圖2中PA、PB、PC導(dǎo)通）。在任何導(dǎo)流工況下，有且僅能有一組三相開關(guān)合閘通流。

為了簡(jiǎn)化外部母線聯(lián)接方式、提高產(chǎn)品可靠性，換相開關(guān)一般采用三相五極結(jié)構(gòu)[7]，而不是三相六極結(jié)構(gòu)。三相五極換相開關(guān)示意圖如圖3所示，五極分別為A、GB、GC、PB、PC。換相開關(guān)與發(fā)電電動(dòng)機(jī)所取工況一致，當(dāng)發(fā)電電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電工況時(shí)，A、GB、GC三極合閘，當(dāng)發(fā)電電動(dòng)機(jī)處于電動(dòng)工況時(shí)，A、PB、PC三極合閘，A為兩工況共用極。圖3中分別顯示了五極分閘狀態(tài)、發(fā)電工況導(dǎo)流狀態(tài)和電動(dòng)工況導(dǎo)流狀態(tài)。在任何導(dǎo)流狀態(tài)下，換相開關(guān)有且僅有三極合閘。

圖2 三相六極換相開關(guān)示意圖

圖3 三相五極換相開關(guān)示意圖

處于某一種導(dǎo)流工況下的換相開關(guān)五極在完成工況轉(zhuǎn)換指令操作后，能夠?qū)崿F(xiàn)內(nèi)部導(dǎo)體聯(lián)通回路的轉(zhuǎn)換或者內(nèi)部導(dǎo)體與外部母線聯(lián)通回路的轉(zhuǎn)換，從而達(dá)到五極中最多僅有三極處于合閘導(dǎo)流狀態(tài)的目的，該三極對(duì)應(yīng)連接來(lái)自發(fā)電電動(dòng)機(jī)的三相輸出回路。在發(fā)電工況與電動(dòng)工況下?lián)Q相開關(guān)導(dǎo)通的三極回路不同，而電網(wǎng)側(cè)三相相序不變，從而實(shí)現(xiàn)了在兩種導(dǎo)流工況下發(fā)電電動(dòng)機(jī)輸出回路三相相序的轉(zhuǎn)換。

根據(jù)導(dǎo)流回路轉(zhuǎn)換時(shí)是否借助于外聯(lián)母線，三相五極換相開關(guān)可以分為獨(dú)立型和集約型兩種，其示意圖分別如圖4和圖5所示，圖中點(diǎn)劃線框代表?yè)Q相開關(guān)設(shè)備本體。

獨(dú)立型換相開關(guān)通常每一極獨(dú)立置于封閉金屬箱體內(nèi)，共五個(gè)單極，每一極均設(shè)置輸入、輸出端，輸入和輸出端均連接封閉母線，圖4所示為一種整體五極布置形態(tài)。在發(fā)電和電動(dòng)兩種工況下五極中均有且僅有三極合閘，且兩工況合閘三極不同，借助合閘三極所連接的輸入、輸出母線實(shí)現(xiàn)與進(jìn)、出線兩側(cè)三相線路聯(lián)通，且通過(guò)封閉母線實(shí)現(xiàn)相序轉(zhuǎn)換。在圖4中，兩種工況下?lián)Q相開關(guān)兩側(cè)的封閉母線導(dǎo)流段不同，在發(fā)電工況導(dǎo)流路徑為AM-A-AM、BM-GB-BM和CM-GC-CM，在電動(dòng)工況導(dǎo)流路徑為AM-A-AM、BM-PB-CM和CM-PC-BM。AM、BM、CM和AM、BM、CM代表兩側(cè)母線。

圖4 三相五極獨(dú)立型換相開關(guān)示意圖

集約型換相開關(guān)通常僅有三相輸入、輸出端，輸入、輸出端均連接封閉母線，如圖5所示。在工況轉(zhuǎn)換時(shí)，換相開關(guān)內(nèi)部導(dǎo)流路徑發(fā)生變化，而兩側(cè)封閉母線的導(dǎo)流方式不變，在換相開關(guān)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)了三相相序的轉(zhuǎn)換。在圖5中，進(jìn)出線兩側(cè)導(dǎo)流時(shí)母線對(duì)應(yīng)關(guān)系均為AM- AM、BM-BM和CM-CM。

圖5 三相五極集約型換相開關(guān)示意圖

換相開關(guān)一般配用電動(dòng)機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)。在獨(dú)立型換相開關(guān)中，五極主回路開關(guān)各自單獨(dú)配用一臺(tái)機(jī)構(gòu)，用于電動(dòng)工況的兩極主回路開關(guān)也可以共用一臺(tái)機(jī)構(gòu)兩極聯(lián)動(dòng)，接地開關(guān)一般采用三極聯(lián)動(dòng)，一組三極聯(lián)動(dòng)配用一臺(tái)電動(dòng)機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)。在集約型換相開關(guān)中，共用極配用一臺(tái)電動(dòng)機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)，其余各極配用一臺(tái)電動(dòng)機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)。

圖4及圖5所示兩種結(jié)構(gòu)型式各有優(yōu)缺點(diǎn)，獨(dú)立型極間絕緣性能易于保證，五極布置可以隨工程靈活調(diào)整；集約型總體占地空間小，結(jié)構(gòu)模塊化程度高，傳動(dòng)結(jié)構(gòu)和五極之間的機(jī)械互鎖易于實(shí)現(xiàn)。

以上是換相開關(guān)整體結(jié)構(gòu)的兩種布局型式，有待進(jìn)一步研究簡(jiǎn)化，在本文設(shè)計(jì)中采用三相五極獨(dú)立型整體結(jié)構(gòu)。

1.2 單極結(jié)構(gòu)

獨(dú)立型換相開關(guān)的單極結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示，圖中所示為合閘狀態(tài)。在封閉金屬箱體內(nèi)含動(dòng)端和靜端兩部分，整體采用水平布置。動(dòng)端支座、靜端支座和動(dòng)觸頭均為圓筒狀結(jié)構(gòu)，金屬箱體與兩支座之間使用環(huán)氧樹脂絕緣件支撐固定，動(dòng)端、靜端及箱體之間的其他絕緣均采用干燥空氣。

1—箱體外殼 2—?jiǎng)佣私^緣支撐 3—?jiǎng)佣酥ё?4—?jiǎng)佣擞|指 5—?jiǎng)佑|頭 6—靜端觸指 7—靜端絕緣支撐 8—靜端支座

單極動(dòng)觸頭的傳動(dòng)系統(tǒng)為空間連桿系統(tǒng)。在圖6中該傳動(dòng)系統(tǒng)的輸入端與外部電動(dòng)操動(dòng)機(jī)構(gòu)輸出軸連接，輸出端則與動(dòng)觸頭鉸接。電動(dòng)操動(dòng)機(jī)構(gòu)的輸出為轉(zhuǎn)軸回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)該傳動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)。動(dòng)觸頭沿其軸線直線運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)單極開關(guān)的合閘與分閘操作。

在動(dòng)端支座和靜端支座緊鄰斷口的端部均沿周向設(shè)置多個(gè)觸指接觸點(diǎn)，在合閘狀態(tài)借助觸指周向均布?jí)毫ψ詣?dòng)校正動(dòng)觸頭與兩支座的位置對(duì)中，確保接觸狀態(tài)良好。

2 溫升導(dǎo)流研究

2.1 設(shè)計(jì)思路

換相開關(guān)作為連接于發(fā)電電動(dòng)機(jī)出口主回路的電力開關(guān)，具有電流大、電壓低的負(fù)載特性，其在長(zhǎng)期通流工況下的溫升性能極為重要。在本文設(shè)計(jì)中，換相開關(guān)額定電流確定為15 000A，遠(yuǎn)大于常見開關(guān)額定電流。在較大載流條件下，導(dǎo)體截面電流密度較大，電流熱效應(yīng)顯著，且趨膚效應(yīng)增加了導(dǎo)體發(fā)熱量。

換相開關(guān)各極均安裝于密閉金屬箱體內(nèi)，在通流工況下，導(dǎo)流回路產(chǎn)生的熱量不能直接傳導(dǎo)至外界空氣，而必須經(jīng)過(guò)導(dǎo)流回路與箱體外殼之間的干燥空氣并借助箱體外殼向外傳導(dǎo)，熱阻較大。為降低溫升發(fā)熱，可以通過(guò)氣流循環(huán)冷卻方式增強(qiáng)散熱效果[13-14]，抽水蓄能電站特別要求設(shè)備必須具備自然冷卻能力，不能借助循環(huán)風(fēng)冷等輔助方式，設(shè)備溫升性能主要依賴自身熱容量實(shí)現(xiàn)。換相開關(guān)整體尺寸存在約束，極間尺寸受限于發(fā)電電動(dòng)機(jī)出口母線相間距，常見相間距約1 500mm，而各極導(dǎo)體尺寸則受限于導(dǎo)體與箱體外殼之間的絕緣要求。

在導(dǎo)流回路上，觸頭觸指的接觸電阻通常大于其自身電阻，接觸位置發(fā)熱明顯。接觸電阻與接觸壓力、鍍層等因素相關(guān)，一般隨接觸壓力增大而減小，然而過(guò)大的接觸壓力會(huì)增加觸頭觸指磨損從而降低滑動(dòng)接觸的機(jī)械壽命。

開關(guān)類產(chǎn)品溫升受到多種因素影響[15-17]。本文設(shè)計(jì)側(cè)重從兩方面進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化以減小溫升：一是減小設(shè)備中導(dǎo)體的通流密度，減小發(fā)熱量；二是增加設(shè)備中導(dǎo)體的外表面積，增強(qiáng)散熱。支座、動(dòng)觸頭均整體呈現(xiàn)薄壁圓筒狀，通過(guò)調(diào)整其直徑，能達(dá)到同時(shí)增大截面積和增大外表面積的目的，且基本不增加零件制造難度。為了減小導(dǎo)流回路的接觸電阻，對(duì)于各接觸位置，沿薄壁導(dǎo)體周向設(shè)置較多觸指接觸點(diǎn)，通過(guò)較多觸點(diǎn)并聯(lián)的方式降低接觸電阻，且不增加觸頭觸指接觸壓力。為預(yù)估校核設(shè)計(jì)方案的溫升，進(jìn)行仿真分析。

2.2 溫升仿真分析

采用電磁場(chǎng)與熱流場(chǎng)耦合仿真計(jì)算換相開關(guān)溫 升[18-22]。首先建立換相開關(guān)的有限元分析模型，計(jì)算得出通流時(shí)其電流、磁場(chǎng)和損耗分布。然后將由電磁計(jì)算所得熱功耗導(dǎo)入熱力學(xué)仿真模型，該過(guò)程按網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)導(dǎo)入方式進(jìn)行，為了保證傳遞數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，電磁場(chǎng)與流場(chǎng)計(jì)算模型一致。最后通過(guò)熱流場(chǎng)分析得出換相開關(guān)的溫度場(chǎng)分布。

為了簡(jiǎn)化計(jì)算，考慮到模型的對(duì)稱性，取單極一半模型進(jìn)行計(jì)算。換相開關(guān)計(jì)算模型如圖7所示。

圖7 換相開關(guān)計(jì)算模型

1）電磁場(chǎng)仿真

在換相開關(guān)通流主回路中存在兩處電接觸，電接觸是導(dǎo)流回路中的主要發(fā)熱點(diǎn)之一[23-26]，電接觸建模采用等效建模的方式。首先通過(guò)對(duì)樣機(jī)實(shí)測(cè)獲得各處接觸電阻值，將接觸電阻視為串聯(lián)在觸頭之間的電阻，對(duì)這一電阻進(jìn)行實(shí)體建模并賦以虛擬材料參數(shù)，使其電阻值與實(shí)測(cè)接觸電阻一致。通過(guò)這一設(shè)置，使接觸電阻在溫升有限元計(jì)算中得以體現(xiàn)。電接觸示意圖如圖8所示，換相開關(guān)存在兩處接觸等效，具體接觸電阻賦值情況見表1。

圖8 電接觸示意圖

表1 各接觸電阻賦值

在電磁場(chǎng)仿真計(jì)算中，設(shè)置的材料屬性參數(shù)見表2，施加的電流激勵(lì)示意圖如圖9所示，其余邊界條件均為默認(rèn)。

表2 材料屬性

圖9 加載電流激勵(lì)示意圖

由仿真可得，在通流15 000A時(shí)導(dǎo)流回路總體交流損耗約310W，以此作為熱力學(xué)仿真的輸入。

2）熱力學(xué)仿真

將計(jì)算幾何模型加空氣包做自然對(duì)流散熱仿真，帶空氣包的流體模型如圖10所示。設(shè)置空氣包的6個(gè)面中除對(duì)稱面以外的5個(gè)面為壓力出口邊界條件，環(huán)境溫度設(shè)置為313K，設(shè)置整體模型的初始溫度和出口溫度為313K，在仿真計(jì)算中充分考慮自然對(duì)流和熱輻射。系統(tǒng)發(fā)熱量由電磁計(jì)算得到，在流場(chǎng)模型中導(dǎo)入各節(jié)點(diǎn)熱量值作為內(nèi)熱源，進(jìn)行熱流場(chǎng)仿真。與溫度相關(guān)的材料參數(shù)見表3。

圖10 帶空氣包的流體模型

表3 與溫度相關(guān)的材料參數(shù)

計(jì)算得到換相開關(guān)內(nèi)部導(dǎo)體溫度云圖如圖11所示，箱體外殼溫度云圖如圖12所示。

圖11 換相開關(guān)內(nèi)部導(dǎo)體溫度云圖

圖12 換相開關(guān)箱體外殼溫度云圖

從圖11可見，主回路最大溫升（即最高溫度366K）出現(xiàn)在觸指接觸部位，環(huán)境溫度313K，則最大溫升約53K，符合GB/T 11022中溫升限值65K的要求[11, 27]。從圖12可見，箱體最大溫升（即最高溫度324K）出現(xiàn)在頂部，環(huán)境溫度313K，則最大溫升約11K，符合GB/T 11022中溫升限值30K的要求[11, 27]。仿真結(jié)果同時(shí)表明，該換相開關(guān)在15 000A通流條件下的溫升具有一定裕度，從而容許所用材料的物理特性在一定范圍內(nèi)波動(dòng)。

3 型式試驗(yàn)

為最終確認(rèn)設(shè)計(jì)的合理性及可靠性，在西安高壓電器研究院依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 11022等進(jìn)行溫升型式試驗(yàn)，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)接線如圖13所示。在溫升型式試驗(yàn)中，試驗(yàn)電流達(dá)到16 500A，試驗(yàn)結(jié)果見表4，試驗(yàn)結(jié)果合格。通過(guò)溫升型式試驗(yàn)檢驗(yàn)了設(shè)計(jì)的合理性，也表征了產(chǎn)品的技術(shù)參數(shù)。

圖13 換相開關(guān)溫升型式試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)接線

表4 溫升試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)論

本文分析了一種抽水蓄能電站用換相開關(guān)的設(shè)計(jì)研究過(guò)程，涉及換相開關(guān)的使用工況、技術(shù)特點(diǎn)和設(shè)計(jì)要求，對(duì)其可行的整體設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了探索，并就產(chǎn)品的溫升性能進(jìn)行了分析。

作為發(fā)電電動(dòng)機(jī)出口用開關(guān)設(shè)備，換相開關(guān)必須承載較大額定電流，溫升性能尤為重要。本文針對(duì)一種換相開關(guān)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了電磁-熱力學(xué)耦合場(chǎng)仿真分析，以此預(yù)估其溫升性能。根據(jù)該方案所制造的樣機(jī)通過(guò)了溫升型式試驗(yàn)，從而驗(yàn)證了其合理性?；谠撛O(shè)計(jì)和研究過(guò)程，可以為更大容量、更高可靠性的同類或相似產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供有益參考。

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Research on configuration parameters and temperature rise of a kind of phase reversal disconnector for pumped storage power station

DI Zelong1CHENG Li1ZENG Guangyi2HUANG Wei2Lü Junling1

(1. Xi’an XD Switchgear Co., Ltd, Xi’an 710077;2. China Southern Power Grid Peak Shaving and Frequency Modulation Power Generation Co., Ltd, Guangzhou 510630)

The design process of phase reversal disconnector for pumped storage generator/motor with the capacity below 350MV?A is analyzed for the first time in China. The technical characteristics and design requirements are discussed, and the performance of temperature rise of a design scheme is estimated by simulation. The prototype designed according to the scheme has passed the temperature rise type test, which verifies the rationality and reliability of the scheme. The research can provide some useful reference for the performance improvement of similar products or the new development of similar products.

phase reversal disconnector; three-phase and five-pole; temperature rise; reliability

中國(guó)南方電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目（STKJXM20190198）

2022-08-22

2022-10-01

弟澤龍（1988—），男，陜西省渭南市人，碩士，主要從事發(fā)電機(jī)斷路器系列高壓開關(guān)研發(fā)設(shè)計(jì)工作。