三工位隔離接地開關三相動熱穩定性能驗證

2015-10-14 08:56:21朱科杜少云張宇肖鶴旋

河南科技 2015年22期

朱科　杜少云　張宇　肖鶴旋

（河南平芝高壓開關有限公司，河南　平頂山　467013）

三工位隔離接地開關三相動熱穩定性能驗證

朱科杜少云張宇肖鶴旋

（河南平芝高壓開關有限公司，河南平頂山467013）

按照國家標準GB1985規定的隔離接地開關（以下簡稱DS/ES）型式試驗要求，電氣開關設備必須滿足動穩定和熱穩定性能的要求。本文介紹了一種三相共箱式三工位DS/ES和三相動、熱穩定（以下簡稱STC）試驗失敗與成功的過程，整理相關試驗數據并綜合分析。為了有效地應對動、熱穩定性能的要求，探討DS/ES接觸部結構設計方法的應用。

隔離接地開關；三工位；三相共箱式；動穩定&熱穩定；三相試驗

電氣設備動、熱穩定性能試驗驗證，不僅考核了設備承載短時大電流熱效應的能力，也驗證了設備整體絕緣和機械強度。隨著國家標準GB術語與國際化標準IEC術語的進一步融合規范，術語“動穩定和熱穩定性能”被“額定峰值耐受和額定短時耐受”替代。額定短時耐受性能試驗（即：熱穩定試驗），在規定的使用和性能條件下，在額定短路持續時間內，電器在關合位置所能承載的額定短時電流有效值。額定短路持續時間，在電氣設備合閘位置時能承載額定短時耐受電流的時間間隔。額定峰值耐受性能試驗（即：動穩定試驗），在規定的使用和性能條件下，機械開關在合閘位置時能承載的額定短路耐受電流第一個大半波的電流峰值。通常，額定峰值耐受電流標準值等于2.5倍額定短時耐受電流。當系統直流分量的衰減時間常數大于45ms，并結合電力系統特性和電氣開關設備的操作特點，額定峰值耐受電流標準值會大于2.5倍額定短時耐受電流，按照IEC標準規定可以為2.6倍，2.7倍，如若遇到此種特殊倍數要求，需要在相關技術條件中明確。

1　三相共箱式三工位DS/ES

本文介紹的三相共箱式三工位DS/ES，動、熱穩定性能驗證的目標值如下：額定短時耐受電流40kA（rms），額定短路持續時間3s，額定峰值耐受電流100kA（peak），峰值耐受時間為20ms（0.3/15=0.02s）。動、熱穩定性能試驗采用三相直接試驗法，相間電壓按照試驗理論上不需要施加，但由于試驗站內電氣設備實際電壓控制能力和水平受限，直接試驗時相間電壓基本上等于系統電壓，且不大于3000V，同時對三相試驗回路有相對嚴格地要求，保持三相系統電流基本平衡。

圖一　DS/ES三維內部構造

圖二　DS/ES三相動、熱穩定試驗姿態

2　DS/ES三相STC試驗

三相直接法STC試驗過程，試品內為零表壓SF6，電阻為銅排至ES接地座，當試驗電流持續時間達到2.5s左右時，試驗記錄波形顯示A、B兩相沒能耐受住額定短時電流，從而放電→擊穿→燒毀，試驗數據如表一所示，STC失敗記錄詳見圖三。

表一　DS/ES試驗數據（失敗）

圖三　STC失敗記錄

3　查找、分析失敗原因

三工位隔離接地開關在動、熱穩定試驗遭遇失敗后，我們首先對試驗樣機安全排毒處置，然后進行了解體檢查，通過對毀壞零部件的仔細勘查和殼體內部燒蝕及殘留痕跡進行分析，從而進一步研討，排除了制造間隙和關鍵尺寸不良的問題。隨后經查閱DS/ES原始設計資料發現，接地開關側裝螺旋彈簧觸指的槽深直徑為￠85.4mm和隔離開關側裝螺旋彈簧觸指的槽深直徑￠84.8mm不一致，雖然直徑方向只有0.6mm，單邊也不過0.3mm的差距，但足以影響到整個接觸部位的接觸電阻，因為接觸電阻不均勻會導致三相電流失衡，從而引發三相STC試驗的失敗。再者經過核算DS/ES靜觸頭端單段式￠1.3mm線徑的螺旋彈簧觸指，得出該單段式結構難以滿足短時通流40kA的結論。經過研討和相似結構類比，確定重新設計彈簧觸指，合理控制接觸點的壓力和間隙擠壓變形量，整體控制觸頭接觸部的接觸電阻，從上述方面入手制定應對STC性能的措施。

4　靜端螺旋彈簧觸指和環槽設計校核

目前彈簧觸指有兩種材料被普遍應用于電氣開關設備，一種是鈹青銅，另一種是鋯鉻銅。鋯鉻銅的彈性較鈹青銅差，壓縮變形量要合理控制，一般應在1～1.5mm范圍內。鋯鉻銅的導電率較鈹青銅高，將近一倍，這使得彈簧觸指接觸點的接觸電阻降低。鋯鉻銅的導電性與彈性是一把雙刃劍，導電率高使接觸電阻低，彈性差壓變形量小接觸壓力小導致接觸電阻增大，因此材料的選擇需要通過動、熱穩定性能試驗研究來驗證。

根據熱平衡公式：J12/ρ1= J22/ρ2，則J22=ρ2* J12/ρ1；若ρ2=2ρ1，則J2=J1；

由鈹青銅額定電流密度［Jr1］=5～6A/mm2，短時耐受電流密度為［Jk1］=100A/mm2，當鈹青銅的導電率為34%，鋯鉻銅的導電率為70%，則可以知道：鋯鉻銅的額定電流密度為［Jr2］=7.15～8.58A/mm2，短時耐受電流密度為［Jk2］=143A/mm2。

額定電流通流能力Ir=2mnrs0［Jr］/kS，額定短時耐受電流通流能力Ik=2mnrs0［Jk］/kS，

式中kS為設計裕度系數，m為彈簧觸頭并聯條數，nr為彈簧額定圈數，s0為銅絲截面積；

取kS=1.1時，按照73圈的彈簧觸指線徑為￠1.6mm，則Ir=1.87～2.3kA，Ik=38kA；

取kS=1.2時，按照73圈的彈簧觸指線徑為￠1.6mm，則Ir=1.71～2.1kA，Ik=35kA；

螺旋彈簧觸指為83圈，但由于動觸頭桿上齒條的存在，與動觸頭桿實際有效的接觸圈數為73圈，彈簧觸頭極限圈數：nm=πD1（h1-f）/［ d0（d+0.5 d0）］，其中h1=11.4，f=1.5～2.0，計算得nm=95～90；由此彈簧83圈時并未并圈。

由額定圈數 nr=nm-（10～20）可知此彈簧83圈可行，依據以上計算，重新設計了83圈、￠1.6mm線徑的螺旋彈簧觸指，觸指槽深直徑調整為￠83.8mm，并綜合研討后決定實施修改方案，重新組織樣機再做STC試驗。

5　再次STC試驗成功

三相直接STC試驗回路如圖四，試驗數據如表二，圖五為試驗記錄，根據隔離接地開關三相動、熱穩定試驗資料，開關靜端結構改進后順利通過了動、熱穩定性能試驗的驗證，試驗數據如下：三相電阻差值基本控制范圍在0.3～0.6μΩ；三相電流有效值為41.7kA （A相）、42.0kA（B相）、40.7kA （C相）；三相電流持續時間為3.055s（A相）、3.055s（B相）、3.05s（C相）；三相額定峰值電流為104 kA（A相）、60.1kA（B相）、97.3 kA（C相）；額定短路耐受電流40kA；等效時間為3.278s；額定峰值耐受電流出現在三相中的其中一相上，峰值電流值為額定峰值電流1.04倍；試驗數據滿足預定的動、熱穩定性能驗證目標，技術參數符合GB1985國家標準要求。