熊晉樹(shù), 張 成, 李 軼, 王旻潔, 尹子宇
(1.國(guó)網(wǎng)上海青浦供電公司, 上海 201799; 2.上海電力大學(xué), 上海 200090)
隨著居民用電負(fù)荷的日漸增長(zhǎng),高壓配電線路必將承載更多負(fù)荷,同時(shí)增加更多的分叉、分支線路。為加強(qiáng)高壓線路管理和維護(hù),縮小停電范圍,需要在各區(qū)域分段點(diǎn)安裝高壓開(kāi)關(guān)。特別是在郊區(qū)和農(nóng)村電網(wǎng)10 kV配電網(wǎng)線路中,廣泛使用高壓柱上開(kāi)關(guān)產(chǎn)品,包括柱上隔離開(kāi)關(guān)和柱上負(fù)荷開(kāi)關(guān),可以實(shí)現(xiàn)線路分段和保護(hù)[1]。高壓隔離開(kāi)關(guān)作為電力系統(tǒng)中用量最多的輸變電設(shè)備之一,面臨以下兩個(gè)方面的考驗(yàn):一方面,高壓隔離開(kāi)關(guān)大多完全暴露于外部環(huán)境中,所以在投入運(yùn)行期間必須長(zhǎng)時(shí)間耐受大風(fēng)、大雨、雷害、冰雪、霧霾等各種環(huán)境氣候條件的影響,一些特殊區(qū)域還會(huì)受到灰塵以及小動(dòng)物的侵害;另一方面,SF6氣體憑借其物理和化學(xué)性能穩(wěn)定、絕緣和滅弧性能良好被廣泛應(yīng)用于高壓隔離開(kāi)關(guān)中,但若管理、使用不當(dāng)或未按正確的方法對(duì)其進(jìn)行回收和再生處理,將導(dǎo)致SF6氣體及其在高溫電弧作用下產(chǎn)生的有毒氣體分解物排放到大氣中,從而對(duì)環(huán)境造成污染,并影響設(shè)備正常運(yùn)行[2]。
目前,我國(guó)常用的主配電網(wǎng)高壓隔離開(kāi)關(guān)均沿用20世紀(jì)60年代設(shè)計(jì)的產(chǎn)品,在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)容易產(chǎn)生多種問(wèn)題從而造成設(shè)備缺陷和故障,如因長(zhǎng)時(shí)間未進(jìn)行分、合操作導(dǎo)致開(kāi)關(guān)無(wú)法拉開(kāi)等,對(duì)主配電網(wǎng)運(yùn)行造成極大安全隱患。
基于傳統(tǒng)高壓隔離開(kāi)關(guān)存在的問(wèn)題,本文設(shè)計(jì)了一種用于戶外的小型三相聯(lián)動(dòng)雙斷口高壓隔離負(fù)荷開(kāi)關(guān)(產(chǎn)品型號(hào)GFW-12/630-20,上海甬吉電氣有限公司)。該設(shè)備采用新型防護(hù)材料和金屬材料、新型加工工藝和新型開(kāi)關(guān)內(nèi)部結(jié)構(gòu),具有無(wú)污染、長(zhǎng)壽命、低成本、免維護(hù)和安全可靠等顯著優(yōu)勢(shì),符合節(jié)能環(huán)保理念和國(guó)家電網(wǎng)技術(shù)規(guī)范要求。
在現(xiàn)有的戶外開(kāi)關(guān)設(shè)備中,負(fù)荷開(kāi)關(guān)(斷路器)與隔離開(kāi)關(guān)基本上是分開(kāi)獨(dú)立的,生產(chǎn)和加工工藝已基本定型[3]。戶外的10 kV柱上隔離開(kāi)關(guān)大多是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的刀閘方式,但其所處的大氣環(huán)境復(fù)雜,可能導(dǎo)致開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)部件銹蝕、進(jìn)水受潮,從而發(fā)生卡澀或分合閘不到位,甚至導(dǎo)致開(kāi)關(guān)拒合拒分[4]。同時(shí),隔離開(kāi)關(guān)的制造工藝、材料選擇和機(jī)構(gòu)方面存在以下問(wèn)題:一是制造工藝水平和所用材料成本有限,導(dǎo)致許多老舊的隔離開(kāi)關(guān)會(huì)出現(xiàn)平衡彈簧銹蝕的情況;二是倒閘三相拐臂的角度調(diào)整不對(duì),且機(jī)構(gòu)輸出軸法蘭角度調(diào)整不到位時(shí),扇形齒輪爆齒,導(dǎo)致萬(wàn)向節(jié)法蘭與機(jī)構(gòu)法蘭連接螺絲被切斷、機(jī)構(gòu)的限位開(kāi)關(guān)鑄鐵件被打斷,從而使得開(kāi)關(guān)不能正常分、合閘。隔離開(kāi)關(guān)運(yùn)行時(shí)合閘不到位、分閘不徹底,有可能導(dǎo)致觸頭嚴(yán)重發(fā)熱,影響電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行,并造成極大的人身安全隱患。
此外,10 kV戶外高壓負(fù)荷開(kāi)關(guān)一般采用外部全密封的真空開(kāi)關(guān)或采用SF6為絕緣介質(zhì)的真空滅弧,開(kāi)關(guān)整體體積較大且造價(jià)較高[5]。在分閘位置時(shí),無(wú)法查看觸頭之間的絕緣距離和斷開(kāi)標(biāo)志,不適合作為隔離開(kāi)關(guān)使用。同時(shí),開(kāi)關(guān)設(shè)備中的SF6極易泄漏,不符合環(huán)保要求。
目前電力系統(tǒng)中采用的是三相交流供電,系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性在很大程度上取決于3個(gè)相位之間的平衡和同步。三相聯(lián)動(dòng)的核心原理在于確保操作隔離開(kāi)關(guān)時(shí),3個(gè)電源相位同時(shí)打開(kāi)或關(guān)閉,以防止電流在不同相位中產(chǎn)生不均勻分布,從而危害電力系統(tǒng)安全運(yùn)行。隔離開(kāi)關(guān)作為電力系統(tǒng)中的關(guān)鍵開(kāi)關(guān)設(shè)備,主要作用是將電源與電路或設(shè)備分離,以確保在操作過(guò)程中沒(méi)有電流流經(jīng)被隔離的部分。隔離開(kāi)關(guān)的三相聯(lián)動(dòng)涉及3個(gè)相位的開(kāi)關(guān)協(xié)調(diào)操作,對(duì)于防止電擊、設(shè)備損壞和維護(hù)工作的安全性至關(guān)重要。
本文設(shè)計(jì)了一種適用于額定電壓12 kV、頻率50/60 Hz的架空線路戶外三相聯(lián)動(dòng)雙斷口隔離負(fù)荷開(kāi)關(guān)。該隔離開(kāi)關(guān)主要由機(jī)架、機(jī)構(gòu)箱以及包含在全封閉式機(jī)構(gòu)箱內(nèi)部的開(kāi)關(guān)機(jī)械結(jié)構(gòu)和開(kāi)關(guān)操作機(jī)構(gòu)組成,整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。
本文所設(shè)計(jì)的開(kāi)關(guān)在有電壓帶負(fù)荷情況下的合閘、分閘狀態(tài)如圖2所示。該開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)由連扳、拐臂、主軸、真空滅弧室、可見(jiàn)斷口,以及布置在外殼上的防護(hù)板、外加傘裙和有機(jī)玻璃組成。
圖2 三相聯(lián)動(dòng)雙斷口隔離負(fù)荷開(kāi)關(guān)的合閘、分閘狀態(tài)
由圖2可以看出,該開(kāi)關(guān)在分閘時(shí)有明顯可見(jiàn)的電氣安全隔離距離,采用水平進(jìn)出線與上下垂直斷開(kāi)方式,使得工作電場(chǎng)與斷開(kāi)方向成90°,并將動(dòng)觸頭安裝在靜觸頭的下方。每相高壓進(jìn)線和出線采用雙斷口結(jié)構(gòu),包括2個(gè)雙真空開(kāi)關(guān)的斷口和2根隔離導(dǎo)電桿與動(dòng)觸頭的斷口,使得隔離開(kāi)距平均分配在兩側(cè),有利于壓縮裝置體積,既能滿足負(fù)荷開(kāi)關(guān)的技術(shù)要求,又能像隔離開(kāi)關(guān)一樣,具有可見(jiàn)斷口,而且分閘時(shí)裸露觸頭不帶電[6]。由于采用雙斷口設(shè)計(jì),開(kāi)關(guān)在斷開(kāi)時(shí)會(huì)形成明顯斷口,從而達(dá)到符合規(guī)定的絕緣距離,避免出現(xiàn)開(kāi)關(guān)接觸不良的問(wèn)題。此外,全封閉桿刀式設(shè)計(jì)和內(nèi)部觸頭的倒裝形式,使得開(kāi)關(guān)的關(guān)鍵部分不會(huì)直接暴露于外部環(huán)境中,極大降低了惡劣天氣影響、避免了小動(dòng)物的侵害,有效保證開(kāi)關(guān)的正常運(yùn)行。隔離觸頭套和隔離導(dǎo)電桿上的觸頭座采用耐電弧燒蝕的鎢銅合金制作,不會(huì)因過(guò)電流而發(fā)熱熔化、燒壞或造成凹痕。
為保證三相聯(lián)動(dòng)的可靠性和同步性,每相動(dòng)觸頭的觸頭座都通過(guò)連扳、拐臂與主軸相連,并在縱梁上沿兩根導(dǎo)向桿上下運(yùn)行達(dá)到同步分閘與合閘。開(kāi)關(guān)操作機(jī)構(gòu)示意如圖3所示。其中,開(kāi)關(guān)的分、合閘操作是通過(guò)兩工位彈簧操作機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的。
圖3 開(kāi)關(guān)操作機(jī)構(gòu)示意
開(kāi)關(guān)的合閘、分閘過(guò)程如下。
(1) 在開(kāi)關(guān)分閘狀態(tài)下,拉動(dòng)開(kāi)關(guān)至合閘狀態(tài),刀閘在合閘過(guò)程中先與滅弧室動(dòng)觸頭接觸,滅弧室由分離狀態(tài)變?yōu)殚]合狀態(tài)。此時(shí),開(kāi)關(guān)處于合閘狀態(tài)。
(2) 在分閘過(guò)程中,活動(dòng)拐臂先與滅弧室動(dòng)觸頭分離,使工作電流轉(zhuǎn)移到真空滅弧室,由真空滅弧室滅弧。活動(dòng)拐臂移至另一穩(wěn)定位置時(shí),形成可見(jiàn)隔離斷口。此時(shí),開(kāi)關(guān)處于分閘狀態(tài)。
機(jī)構(gòu)傳動(dòng)采用掛簧傳輸方式,分合閘部件少,可靠性高,在實(shí)現(xiàn)快速分合閘的同時(shí),避免了開(kāi)關(guān)部件過(guò)多、傳動(dòng)距離過(guò)長(zhǎng)而引起的傳動(dòng)卡澀問(wèn)題。上述開(kāi)關(guān)合閘狀態(tài)兩工位彈簧機(jī)構(gòu)示意如圖4所示。
圖4 開(kāi)關(guān)合閘狀態(tài)兩工位彈簧機(jī)構(gòu)示意
此外,本文所設(shè)計(jì)的開(kāi)關(guān)設(shè)備中滅弧、絕緣支柱采用了環(huán)氧樹(shù)脂固體絕緣技術(shù)和外包硅橡膠絕緣技術(shù),使得帶電部位能夠全部包裹在絕緣件內(nèi),并且融合了兩種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn),延長(zhǎng)了設(shè)備使用壽命,提高了設(shè)備安全性能。
在每相進(jìn)/出線端加裝高精度電流互感器,并在開(kāi)關(guān)操作機(jī)構(gòu)處加裝標(biāo)準(zhǔn)智能化接口,對(duì)一、二次設(shè)備進(jìn)行聯(lián)合,得到三相聯(lián)動(dòng)雙斷口隔離負(fù)荷開(kāi)關(guān)實(shí)物,以滿足更為簡(jiǎn)單便捷的測(cè)量、通訊、顯示、記錄、提示等需求。全封閉隔離負(fù)荷開(kāi)關(guān)外觀結(jié)構(gòu)如圖5所示。隔離負(fù)荷開(kāi)關(guān)內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖6所示。
圖5 全封閉隔離負(fù)荷開(kāi)關(guān)外觀結(jié)構(gòu)
圖6 隔離負(fù)荷開(kāi)關(guān)內(nèi)部結(jié)構(gòu)
為提高該隔離負(fù)荷開(kāi)關(guān)的操作可靠性,在實(shí)物開(kāi)關(guān)上加裝了閉鎖裝置,可實(shí)現(xiàn)機(jī)械閉鎖和電氣閉鎖。閉鎖部分安裝示意如圖7所示。
圖7 閉鎖部分安裝示意
根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),本文設(shè)計(jì)的三相聯(lián)動(dòng)雙斷口全封閉式隔離負(fù)荷開(kāi)關(guān)各部件參數(shù)要求如表1所示。
表1 開(kāi)關(guān)各部件參數(shù)要求
對(duì)該隔離負(fù)荷開(kāi)關(guān)進(jìn)行型式試驗(yàn),得到其可靠參數(shù)見(jiàn)表2。其中:干試的額定短時(shí)工頻耐受電壓與額定雷電沖擊耐受電壓均為相間及對(duì)地與斷口處的實(shí)驗(yàn)值;濕試的額定短時(shí)工頻耐受電壓為相間及對(duì)地的實(shí)驗(yàn)值;S1表示接地故障條件;觸頭開(kāi)距與接觸行程均為隔離斷口處的測(cè)試值。
表2 該隔離負(fù)荷開(kāi)關(guān)可靠參數(shù)
將表2的型式試驗(yàn)數(shù)據(jù)與表1的設(shè)定值進(jìn)行對(duì)比可知,在額定電壓為12 kV、額定電流為630 A的環(huán)境下,本文設(shè)計(jì)的隔離負(fù)荷開(kāi)關(guān)在面對(duì)各種故障(包括短路、雷電沖擊等)的情況下均體現(xiàn)良好性能,最大開(kāi)斷電流能夠達(dá)到630 A,并且分合閘速度達(dá)到了相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),具備良好的機(jī)械穩(wěn)定性。
本文設(shè)計(jì)了一種用于戶外的小型三相聯(lián)動(dòng)雙斷口高壓真空隔離負(fù)荷開(kāi)關(guān),通過(guò)改進(jìn)高壓隔離開(kāi)關(guān)的內(nèi)部機(jī)械結(jié)構(gòu)、優(yōu)化斷口結(jié)構(gòu)形狀和材料選型等,顯著提高了開(kāi)關(guān)的開(kāi)斷容量和可靠性,減少了安全隱患,提高了配電網(wǎng)的供電可靠性,并延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命。此外,該隔離負(fù)荷開(kāi)關(guān)達(dá)到了相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)之初的參數(shù)要求,主要適用于10 kV配電網(wǎng)線路,是一款合格且具有廣闊應(yīng)用前景的新型配電設(shè)備。