550 kV戶外交流隔離開關(guān)的結(jié)構(gòu)設計與校核

□ 左 科 □ 郭 鑫 □ 吳 上

1.湖南長高高壓開關(guān)集團股份公司 長沙 4102192.湖南長高高壓開關(guān)有限公司 長沙 410219

1 研究背景

隨著電力事業(yè)的高速發(fā)展,電力線路輸送距離加長,電站輸變電設備正向大容量、高電壓方向發(fā)展。建設大型電站,要求斷路器額定開斷電流達到63 kA,進而要求戶外隔離開關(guān)的額定短時耐受電流也達到63 kA。可見,開發(fā)新結(jié)構(gòu)、高性能、高可靠性的隔離開關(guān)產(chǎn)品非常有必要。

在“十五”計劃期間,國家電網(wǎng)公司加大了對電網(wǎng)建設的大規(guī)模投資,550 kV電網(wǎng)成為主電網(wǎng),用戶對550 kV戶外高壓隔離開關(guān)的需求也迅速增長。根據(jù)規(guī)劃,我國每年需550 kV戶外高壓隔離開關(guān)和接地開關(guān)約2 000組,目前能生產(chǎn)該類型隔離開關(guān)并達到技術(shù)性能要求的公司并不多,大部分需求還依賴進口,而進口該類型產(chǎn)品則價格昂貴。可見,550 kV戶外高壓隔離開關(guān)的研制生產(chǎn)具有較大的市場潛力。

2 結(jié)構(gòu)設計

國內(nèi)外同類型550 kV戶外高壓隔離開關(guān)技術(shù)參數(shù)比較見表1。筆者公司生產(chǎn)的550 kV戶外高壓隔離開關(guān)由三相單極隔離開關(guān)組成,每相單極隔離開關(guān)單獨操作,電氣控制三相同期。垂直型隔離開關(guān)一般為三相交叉布置和一列式布置,水平型隔離開關(guān)一般為平行布置。單極隔離開關(guān)由底座、支柱絕緣子、操作絕緣子、主刀閘、接地刀閘、靜觸頭、操動機構(gòu)組成。550 kV戶外高壓隔離開關(guān)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3 計算校核

3.1 通流能力計算

550 kV戶外高壓隔離開關(guān)型式試驗通過的短時耐受電流應達到63 kA,溫升控制尤為重要,且同時需承受系統(tǒng)要求的短時耐受電流和峰值耐受電流,所以需要針對各導電部分的通流面積進行校核。

許用通流截面積[A]為:

(1)

式中:IS為短時耐受電流,值為63 kA;tS為短時耐受電流持續(xù)時間,值為3 s;ρ0為初始溫度時的電阻率,銅為0.017 5×10-6Ω·m,鋁為0.029×10-6Ω·m;α為電阻溫度系數(shù),銅為4.33×10-3K-1,鋁為3.8×10-3K-1;γ為密度,銅為8.9×103kg/m3,鋁為2.7×103kg/m3;c為比熱容,銅為0.397×103J/(kg·K),鋁為0.88×103J/(kg·K);θs為最大允許發(fā)熱溫度,銅為300 ℃,鋁為200 ℃;θ0為初始溫度,值為20 ℃。

計算得到銅材料與鋁材料結(jié)構(gòu)的許用通流截面積分別為480.9 mm2、865 mm2。

最小通流密度Ji為:

表1 550 kV戶外高壓隔離開關(guān)技術(shù)參數(shù)對比

Ji=I/A

(2)

式中:I為550 kV戶外高壓隔離開關(guān)的額定電流,值為4 000A;A為材料通流截面積。

校核550 kV戶外高壓隔離開關(guān)各導電部分材料的截面積及通流密度。上、下導電管為鋁管,外徑為150 mm,壁厚為6 mm,通流截面積為2 714 mm2,通流密度為1.47 A/mm2。導電帶有兩根,通流截面積為2 880 mm2,通流密度為1.39 A/mm2。動觸頭為異形截面銅板,通流截面積為3 088 mm2,通流密度為1.29 A/mm2。靜觸桿為銅管,外徑為62 mm,壁厚為5 mm,電流從兩邊向母線流動,通流截面積為1 790 mm2,通流密度為2.23 A/mm2。

根據(jù)資料,銅和鋁在短路情況下的許用通流密度分別為46 A/mm2、27 A/mm2,可見校核結(jié)果符合導電材料通過熱穩(wěn)定電流所要求的最小截面積及長期通流密度要求。

3.2 平衡彈簧設計校核

550 kV戶外高壓隔離開關(guān)的平衡彈簧對減小操作力矩,保證開關(guān)平穩(wěn)分合閘起關(guān)鍵作用。對于單臂折架式隔離開關(guān),平衡彈簧選用兩端磨平并緊的Ⅱ類壓縮彈簧,依據(jù)GB/T 23935—2009《圓柱螺旋彈簧設計計算》進行計算。550 kV戶外高壓隔離開關(guān)上、下導電管的受力分析如圖2所示。

圖2中,F1為齒輪圓周力,Fn1、Fn2為以齒輪軸為中心的支撐反力,a為導電管與水平線的夾角5°～90°,G1為上導電管重力600 N,L1為上導電管以齒輪軸為原點的質(zhì)心尺寸1.1 m,r為齒輪分度圓半徑,G2為下導電管重力1 310 N,L2為下導電管以轉(zhuǎn)動座轉(zhuǎn)軸為原點的質(zhì)心尺寸1.3 m,L3為齒輪軸與轉(zhuǎn)軸的中心距2.8 m,M為平衡彈簧產(chǎn)生的平衡力矩。

齒輪圓周力F1為:

F1=G1L1cos2a/r

(3)

平衡力矩M為:

M=(G2L2+G1L3)cosa

(4)

平衡彈簧所需力T為:

T=M/L

(5)

式中:L為平衡彈簧作用力臂長,值為0.177 5 m。

整理得:

T=5.634M

(6)

由此得到導電管與水平線夾角在5°～90°內(nèi)各均布點的平衡彈簧壓縮量X,見表2。擬合得到開關(guān)力矩所需彈簧力曲線,如圖3所示。

彈簧總壓縮量為200 mm,工作壓力值為37 500 N,彈簧理論剛性系數(shù)為187.5 N/mm。

平衡彈簧剛性系數(shù)k計算值為:

式中:G3為平衡彈簧切邊模量,值為78 MPa;d為平衡彈簧絲直徑,值為2.5 mm;D為平衡彈簧外徑,值為100 mm;n為平衡彈簧圈數(shù),值為20。

3.3 重要零部件強度校核

550 kV戶外高壓隔離開關(guān)在分合閘過程中,底座傳動部分所受操作力是開關(guān)本體重力力矩與平衡彈簧力矩的差值。底座拉桿受力F3與錐齒輪受扭矩M2關(guān)系見表3。

拉桿材料為0Cr18Ni9,查設計手冊,可知許用拉伸應力[σ1]為100 MPa,可調(diào)拉桿最小橫截面積S為113.1 mm2。

拉桿所受拉伸應力σ為:

拉桿所受拉伸應力小于許用拉伸應力,拉桿抗拉強度合格。

▲圖1 550 kV戶外高壓隔離開關(guān)結(jié)構(gòu)

齒輪軸材料為45號鋼,布氏硬度(HB)為240～280。查設計手冊可知許用抗扭強度[σn]為650 MPa,許用扭轉(zhuǎn)靜應力[τ1]為140 MPa～160 MPa。

齒輪軸抗扭模量WP為:

式中:d為齒輪軸外徑,值為40 mm;b為齒輪軸鍵槽寬,值為12 mm;t為齒輪軸鍵槽深,值為5 mm。

▲圖2 550 kV戶外高壓隔離開關(guān)受力分析

▲圖3 開關(guān)力矩所需彈簧力曲線

齒輪軸最大扭轉(zhuǎn)應力τmax為:

τmax=M2max/WP=47 MPa

許用彎曲應力[σFP]為:

[σFP]=σFlimYδrelTYRrelTYXYST/SFlim=514.5 MPa

式中:σFlim為齒輪材料彎曲疲勞強度極限,值為343 MPa;YST為應力修正因數(shù),值為2;YRrelT為相對齒根表面狀況因數(shù),值為1.05;YδrelT為相對齒根圓角敏感因數(shù),值為1;YX為尺寸因數(shù),值為1;SFlim為最小安全因數(shù),值為1.4。

齒輪軸彎曲應力σF為:

σF=FTKAKVKFβKFαYSaYKYFaYεYβYFS2/

(0.85b1mmnYFS1)=380.5 MPa

式中:FT為齒輪圓周力;KA為使用因數(shù);KV為動載因數(shù);KFβ為齒向載荷分布因數(shù);KFα為齒間載荷分布因數(shù);YSa為齒形因數(shù);YK為錐齒輪因數(shù);YFa為應力修正因數(shù);Yε為齒輪抗彎強度重合度因數(shù);Yβ為齒輪抗彎強度螺旋角因數(shù);b1為齒輪齒寬;mmn為齒輪中點模數(shù);YFS1、YFS2為復合齒形因數(shù)。

表2 平衡彈簧壓縮量

表3 底座拉桿受力和錐齒輪受扭矩關(guān)系

齒輪軸的最大扭轉(zhuǎn)應力和彎曲應力均小于材料許用彎曲應力,因此強度校核合格。

4 關(guān)鍵部件設計改進

根據(jù)上述詳細計算校核,對550 kV戶外交流隔離開關(guān)關(guān)鍵零部件——觸頭的結(jié)構(gòu)進行改進,改進后的觸頭結(jié)構(gòu)如圖4所示。改進后觸頭由四對觸指、觸指座、彈簧座、操作桿、傳動架、連板、彈簧等零件組成。合閘時,由操作桿推動傳動架向前運動,通過連板使彈簧座帶動觸指合攏。當觸指合攏至夾到定觸桿時,由于觸指不能繼續(xù)運動,彈簧座壓縮夾緊彈簧,并使力加在觸指上。觸指最后夾緊靜觸桿,保證合閘夾緊力穩(wěn)定。由于每個觸指由一個彈簧加載,因此可以使接觸穩(wěn)定可靠。

▲圖4 改進后觸頭結(jié)構(gòu)

平衡彈簧是主刀閘結(jié)構(gòu)的核心零部件,需按預定的要求儲能或釋能,參照壓縮彈簧的設計方法確定設計參數(shù),最大限度平衡主刀閘的重力矩,以利于主刀閘的運動。

底座傳動結(jié)構(gòu)中的導電轉(zhuǎn)動部位采用軟導電帶連接,軟導電帶為固定接觸,不會因為臟污和灰塵影響導電性能,散熱面積大,通流能力強。為了使轉(zhuǎn)軸能長時間靈活動作,轉(zhuǎn)軸兩端設置全密封不銹鋼軸承,調(diào)節(jié)桿兩端采用不銹鋼關(guān)節(jié)軸承。改進后的底座傳動結(jié)構(gòu)如圖5所示。

▲圖5 改進后底座傳動結(jié)構(gòu)

5 結(jié)束語

筆者對550 kV戶外高壓隔離開關(guān)進行了結(jié)構(gòu)設計和校核,首先參照國內(nèi)外同類型產(chǎn)品的特點初步確定設計方案,然后對其中的關(guān)鍵零部件進行理論計算分析,提出改進550 kV戶外高壓隔離開關(guān)性能的措施,并針對隔離開關(guān)的結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵零部件受力情況進行分析,達到優(yōu)化結(jié)構(gòu)、降低成本、減小試制工作量的目的。550 kV戶外高壓隔離開關(guān)新產(chǎn)品的設計制造為豐富筆者公司產(chǎn)品系列,節(jié)約生產(chǎn)成本,提高產(chǎn)品市場競爭力做出了貢獻。