550kVGIS小型化隔離開關操作功計算

龔咪咪 駱常璐

（河南平芝高壓開關有限公司，河南平 頂山 467013）

隨著我國電力工業的高速發展和電壓等級的不斷提高，氣體絕緣封閉開關設備（GIS）在我國電力系統中的應用越來越廣泛。它是將斷路器、隔離開關、接地開關、電流互感器、電壓互感器、母線等元件組合封閉在接地的金屬殼體內，充以一定壓力的SF6氣體作為絕緣介質所組成的成套開關設備［1］。GIS占地面積少，受環境的影響小，不會產生噪音和無線電干擾，運行安全可靠，因而自問世以來得到了快速發展［2-3］。

隔離開關的作用是在無負荷下合、分電路，起到輸送電力和安全隔離的作用，達到轉換電路和停電檢修的目的。其結構形式和運行的可靠性極大地關系到電力系統的安全運行。在進行隔離開關結構設計時，其操作功的計算十分必要，它直接決定操作機構的選型是否正確，進而影響隔離開關的動作特性。所以，本文以550kV隔離開關為例，對其操作功的計算方法進行了詳細的介紹和探討，并通過實際測量隔離開關的操作功，驗證了計算方法的正確性。

1 隔離開關機構操作功計算

1.1 隔離開關傳動系統等效質量計算

在計算操作功前，需要將隔離開關傳動系統各部分質量等效到機構輸出端，以便進行加速功能的計算。550kV GIS隔離開關的傳動系統簡化圖如圖1所示。圖中A端為操作機構輸出端，計算時需要將各部件質量等效到A端，其計算公式如式（1）所示［4］。

圖1 隔離開關傳動系統簡化圖

式中：m——隔離開關傳動系統等效質量（kg）；

m1、m2——連桿質量（kg）；

m3——隔離開關分合閘觸頭運動部質量（kg）；

a、b— —拐臂1尺寸（mm）；

c、d— —拐臂2尺寸（mm）；

I1、I2— —拐臂1、拐臂2的轉動慣量（kg·mm2）。

以550kV GIS隔離開關為例，以上各參數數值如下表1所示。將表中各參數值代入式1，可得隔離開關傳動系統等效質量為：

表1 550kV GIS隔離開關計算等效質量用各參數值

1.2 分閘加速動能計算

隔離開關分閘時，觸頭分閘動作的動能大小計算公式如式（2）所示。

式中：A1——分閘加速動能（N·m）；

m——運動系統等效質量（kg）；

vf——平均分閘速度（m/s）。

已知隔離開關平均分閘速度為vf=1.5m/s，則隔離開關分閘時的加速動能為：

1.3 分閘時觸頭系統及密封件摩擦消耗功計算

式中：A2——分閘時觸頭系統及密封件摩擦消耗功（N·m）；

Pf1——主觸頭摩擦力（N）；

——主觸頭超程（m）；

Pf2——弧觸頭摩擦力（N）；

圖2 隔離開關主觸頭結構

——弧觸頭超程（m）；

Pf3——轉動密封件摩擦力（N）；

0——轉動密封件行程（m）。

1.3.1 隔離開關主觸頭摩擦力計算

隔離開關主觸頭結構如上圖所示，從圖紙可知隔離開關觸頭運動時的摩擦力與板簧壓力有關，已知圓周方向共有60個板簧，每個板簧的壓力為29.4N，觸頭摩擦系數取0.15，則主觸頭摩擦力為：Pf1=29.4×60×0.15=264.6N

1.3.2 隔離開關弧觸頭摩擦力計算

圖3 隔離開關弧觸頭結構

隔離開關弧觸頭結構如上圖所示，觸頭為懸臂梁結構，一端固定，另一端受壓，已知觸頭由六瓣組成，運動時每瓣受到的壓力為49.27N，觸頭摩擦系數取0.15，則弧觸頭摩擦力為：

1.3.3 轉動密封件摩擦力計算

根據經驗，分閘時轉動密封件的摩擦力取150N，即有Pf3=150N［4］。

綜上，由隔離開關本體結構可知，主觸頭的超程為35mm，弧觸頭的超程為51mm，轉動密封件受摩擦力時對應的行程為35mm，則可得分閘時觸頭系統及密封件摩擦消耗功A2為：

1.4 分閘時油緩沖器吸收的能量

操作機構帶動觸頭系統運動時，需要帶動油緩沖器一起動作，而緩沖器工作時，油缸中的油經排油孔高速排泄，形成較強的油流阻尼，將消耗一部分操作功，計算較復雜，常用經驗數據來處理，如公式（4）所示。

式中：A3——油緩沖器吸收能量（N·m）；

Af——機構操作功（N·m）。

1.5 隔離開關機構操作功計算

隔離開關機構操作功計算公式如式（5）所示。

式中：ηf——傳動交率，一般取0.90。

通過前述計算，可將各參數數值代入上面公式，從而得到隔離開關機構操作功大小，即有：

2 隔離開關機構操作功實際值測量

隔離開關機構操作功計算完成后，根據操作功的計算值大小選擇合適的操作機構與隔離開關本體匹配。隔離開關樣機裝配完成后，利用力矩測試儀對隔離開關實際動作時的操作功大小進行測量，測試儀圖片和測試過程如圖4、圖5所示。測試時，總共測試6次，結果如表2所示。

圖4 力矩測試儀

圖5 隔離開關操作功測試過程

從測試結果可知，隔離開關機構操作功實際測試平均值為123N·m。而計算的理論值為115N·m，實際值比理論值大8N·m，誤差度約為7%，在10%范圍內，從而驗證了理論計算方法的正確性。

表2 隔離開關機構操作功實際測試值

3 結論

本文以550kV GIS中新開發的隔離開關為例，首先確定了隔離開關操作功的計算模型和計算方法，然后根據隔離開關的結構和相關尺寸，確定模型中各參數的意義和大小，從而計算出操作功的理論值。最后，在隔離開關樣機裝配完成后，通過實際測量操作功，發現操作功實測平均值與理論值的誤差度為7%，小于10%，進而驗證了計算模型和計算方法的正確性，為隔離開關操作機構的正確選型提供了依據。

［1］邱毓昌.GIS裝置及其絕緣技術［M］.北京：水利電力出版社，1994.

［2］高有華，孫彤，申力，等.GIS中快速暫態過電壓的研究［J］.沈陽工程學院學報，2008（4）：51-53.

［3］童彤.750kV特高壓GIS隔離開關特快速暫態過電壓（VFTO）的危害及預防［J］.新疆電力，2006（4）：17-23.

［4］黎斌.SF6高壓電器設計［M］.北京：機械工業出版社，2009.