550 k V大電流融冰開關平衡性能的設計與校核

吳上，唐雪平，王春華，馬偉君，吳奇鋼

(1.湖南長高高壓開關集團股份公司，湖南 長沙410219；2.湖南長高高壓開關有限公司，湖南長沙410219)

0 引言

隨著電網(wǎng)的迅速發(fā)展，跨越覆冰地區(qū)的高壓、超高壓輸電線路越來越多，極端災害天氣造成電網(wǎng)受災的可能性也越來越大。輸電線路覆冰會引起線路過負載，造成線路跳閘、導線斷開、導線舞動、倒桿塔等，進而導致大面積停電事故。由于覆冰現(xiàn)象發(fā)生在嚴冬季節(jié)，大雪封山，公路冰凍，線路覆冰難以消除，易導致長時間停電，造成巨大的經(jīng)濟損失和不良的社會影響。隨著電力電子技術的不斷發(fā)展，大電流融冰技術廣泛應用于輸電線路融冰，該方法利用融冰開關將電流接入三相短接后的輸電線路，將覆冰線路作為負載，利用電流的熱效應使輸電線路發(fā)熱，從而達到融化輸電線路上覆冰的目的[1－12]。

融冰開關是用于高壓線路融冰的一種戶外高壓電器，當輸電線路不需要融冰時，線路正常帶電運行，融冰開關斷開，刀閘處于分閘位置，刀閘對地及斷口需滿足相應電壓等級的絕緣要求。當需要進行線路融冰時，輸電線路停運，融冰開關合閘使三相之間進行短接，此時刀閘通過融冰大電流，使線路發(fā)熱，從而達到線路融冰的效果。融冰開關在具有融冰工況的變電站中的有效運用，能夠替代人工臨時接線，減小勞動強度、降低作業(yè)難度、縮短停電時間，且在融冰較頻繁的輸電線路中效果更為顯著。隨著對輸電線路大電流融冰開關的需求日益強烈，550 kV大電流融冰開關的研制生產(chǎn)具有較大的市場潛力。由于在融冰開關操作時常處于覆冰狀態(tài)，因而在進行設計時必須充分考慮正常條件及覆冰條件下產(chǎn)品的平衡性能，保障融冰開關的正常操作功能。

1 產(chǎn)品主要技術參數(shù)及結構設計

1.1 產(chǎn)品的主要技術參數(shù)

表1為本550 kV大電流6 300 A融冰開關產(chǎn)品的主要技術參數(shù)。

表1 產(chǎn)品主要技術參數(shù)

1.2 產(chǎn)品的結構設計

針對550 kV運行線路高壓電器需具備的絕緣性能及本融冰開關6 300 A通流能力的要求，對融冰開關進行結構設計[14－15]，550 kV大電流6 300 A融冰開關整體結構設計如圖1所示。采用三柱水平伸縮鉗夾組合式結構，主通流部分共由兩把主閘刀和一個雙靜靜觸頭組成，其中主閘刀裝配主要由導電底座裝配、下導電臂裝配、上導電臂裝配組成，主閘刀裝配及界面如圖2所示。上導電管采用200 mm×10 mm合金鋁管，下導電管采用219 mm×8.2 mm合金鋁管制成。

圖1 550 kV－6 300 A融冰開關總體結構

圖2 融冰開關主閘刀裝配及截面

2 主閘刀平衡性能的設計

由于550 kV大電流融冰開關應滿足6 300 A的長時間通流要求，主閘刀部分雖大量采用通流密度大的銅、鋁合金材料，但其下導電臂裝配、上導電臂裝配的總質(zhì)量超450 kg，僅僅依靠適配的操作機構的輸出扭矩不足以操動融冰開關進行正常的分合閘，故在下導電臂裝配內(nèi)部設立儲能平衡彈簧。當融冰開關在刀閘進行分合閘運動時，平衡彈簧通過復位釋放能量和壓縮存儲能量，最大限度地平衡刀閘自身重量，以此達到減小對適配的電動操動機構扭矩的需求，如圖3所示。

圖3 融冰開關主閘刀運動簡圖

零部件的裝配特性及各部分之間存在相對運動關系，為簡化計算可將主閘刀重量劃分為下導電管及中間傳動箱等重量G1、下操作桿及齒條等重量G2、平衡彈簧重量G3、上導電臂裝配的總重量G4四類。通過結構設計，使用三維建模及相應的材料設置，可得到主閘刀除平衡彈簧重量以外的其他三種類型的重量值及重心位置參數(shù)。根據(jù)超高壓、特高壓大電流產(chǎn)品設計數(shù)據(jù)統(tǒng)計，平衡彈簧的重量一般占總主閘刀重量的20%~30%。在進行初始設計時，先假設平衡彈簧重量占主閘刀總重量的25%，并將其與下操作桿及齒條等重量合并，得到主閘刀重力矩的曲線圖。再利用融冰開關處于合閘狀態(tài)時的重力矩值及結構設計后所得到的彈簧壓縮量求得此時平衡彈簧的彈性系數(shù)。根據(jù)彈簧的彈性系數(shù)得到對應的彈簧力矩曲線。

合適的力矩曲線圖應包含以下特征:1)彈簧應有合適的預壓縮量，且初始位置彈簧力矩應大于重力矩；2)為達到更好的平衡效果，兩條力矩曲線應存在一個以上的交叉；3)合閘終了時重力矩大于彈簧力矩將更有利于融冰開關合閘到位；4)在任一位置時，兩個力矩曲線間的差值應小于操作機構所能提供的扭矩，且應留有足夠的裕度供傳動摩擦等引起的損耗。根據(jù)所得主閘刀重力矩曲線與彈簧力矩曲線的相對位置關系和以上要求對平衡彈簧的設計進行調(diào)整后，重新計算力矩對比曲線，直至滿足要求。最終得到融冰開關的平衡彈簧k值為277 N/mm，產(chǎn)品各部分的質(zhì)量見表2。

表2 主閘刀各部分質(zhì)量 kg

圖4為對融冰開關平衡彈簧設計后融冰開關由分閘狀態(tài)運動到合閘狀態(tài)時在不同位置對應的力矩曲線圖，在不考慮摩擦力的影響下，兩條曲線的差值為該位置狀態(tài)下對操動機構所需的扭矩要求。本融冰開關平衡性能良好，對適配的電動操動機構提供的扭矩較小，計算得到兩者力矩的最大差值為89 N·m。融冰開關在廠內(nèi)進行實物調(diào)試時，實測主閘刀所需操作扭矩值≤350 N·m，電動操動機構功率裕度大。

圖4 力矩對比曲線

3 覆冰狀態(tài)下平衡性能的校核

融冰開關在覆冰后，刀閘的重量將發(fā)生變化，因此需要對覆冰后刀閘的平衡性能進行重新校核。覆冰后刀閘的重量改變主要集中在上、下導電臂覆蓋冰層的重量，由于重力作用，假定僅在上、下導電臂上方有冰層覆蓋，且覆冰厚度均勻為覆冰20 mm，計算得到的上導電臂覆蓋冰層質(zhì)量為13.67 kg，下導電臂覆蓋冰層質(zhì)量為17.61 kg。將覆冰后的融冰開關各部分重量代入后重新進行平衡性能校核，得到力矩曲線如圖5所示。

圖5 刀閘覆冰后力矩曲線

由于彈簧預壓縮的作用，起始位置彈簧力矩同樣大于重力矩。融冰開關合閘過程中，在0°~65°范圍內(nèi)，兩條曲線差值較小，期間出現(xiàn)兩個交叉點，可認為存在摩擦阻力且無外界作用時在該范圍內(nèi)的任何位置刀閘可達到基本平衡，刀閘在覆冰狀態(tài)下平衡彈簧平衡性能良好。當?shù)堕l繼續(xù)往合閘方向運動時，其重力矩較彈簧力矩增長快，主要原因是刀閘合閘操作末期平衡彈簧壓縮量增加緩慢，而重力矩在整個合閘過程中一直在增加。合閘終了時力矩差值達最大值160 N·m，適配的電動操動機構完全可以滿足該操作力矩的需求，且有足夠裕度。

4 產(chǎn)品破冰能力的校核

本融冰開關采用外壓式夾緊結構，觸指對數(shù)為4對，夾緊彈簧設計k值為11.4 N/mm，鉗夾時彈簧壓縮量為18 mm，故設計單對觸指夾緊力為205 N。單對觸指與靜觸桿接觸時存在4個接觸位置，單個接觸位置接觸長度為5 mm(觸指由5 mm厚銅排制成)。假設靜觸桿覆冰后觸指與靜觸桿之間接觸寬度為1 mm，即單對觸指總接觸面積為20 mm2，計算得此時的接觸壓力為10.25 MPa。冰的抗壓強度為735 kPa(流冰開始時)，故觸指彈簧提供的夾緊力滿足融冰開關合閘時的破冰要求。

5 結語

刀閘的實物覆冰試驗驗證了本產(chǎn)品在覆冰狀態(tài)下的平衡性能滿足實際要求，說明通過本文平衡彈簧的設計方法能更加精準的完成融冰開關主閘刀平衡彈簧的設計，減小對適配的電動操動機構扭矩值的要求，且在20 mm覆冰工況時融冰開關能正常進行分合閘操作，觸指彈簧提供的夾緊力能夠有效地將靜觸桿上覆蓋的冰層夾碎，保障融冰開關的正常通流。