一種集成型高壓隔離開關電動操作機構箱研制

蔡 榮 張 君 鄧文華

（1.西一電氣有限公司 2.湖南長高高壓開關有限公司）

0 引言

高壓隔離開關電動操作機構是發電廠、變電站10kV及以上的敞開式高壓配電裝置中大量使用的電氣設備，通常1組雙接地傳統型高壓隔離開關裝有1把主刀和2把接地刀，需配置1臺主刀操作機構箱和2臺地刀操作機構箱（共3臺）。存在設備投資大，安裝、運維、檢修等方面工作量大、耗時長、效率低等問題，其中電動操作機構箱數量多是造成上述問題的主要原因。為此，某公司按照智能變電站電氣設備集成化、功能一體化和智能化的設計理念，以整合電動操作機構箱為突破口，研制一種集成型高壓隔離開關電動操作機構箱，箱內僅配置一臺操作電動機和一套電氣控制保護裝置。一臺三相一體的雙接地高壓隔離開關僅需配置1臺集成型高壓隔離開關電動操作機構箱，可減少2臺傳統型電動操作機構箱。設備造價降低，安裝、運維、檢修等方面工作量減小、工作效率提升。

1 使用環境條件

1）環境溫度：+60～-55℃；

2）海拔高度：2000m（2000m以上可按用戶要求提高產品適用能力）；

3）安裝場所應無嚴重塵埃、易燃易爆物質及化學腐蝕性氣體動影響；

4）地震烈度：9度。

2 主要技術參數

集成型高壓隔離開關電動操作機構箱技術參數見下表。

表 集成型高壓隔離開關電動操作機構箱技術參數

3 減速機及機械閉鎖結構設計

集成型高壓隔離開關電動操作機構箱內部結構如圖1所示。

圖1 集成型高壓隔離開關電動操作機構箱減速機結構示意圖

箱體上方設有主刀及左、右接地刀輸出軸3根，分別由同一臺電機驅動，同一時間只能驅動其中的一根輸出軸，通過電磁離合器的吸合與斷開來驅動或斷開輸出軸。主刀輸出軸由電機旋轉，驅動主刀一級蝸桿渦輪減速箱，再通過電磁離合器驅動主刀二級蝸桿渦輪減速箱，帶動主刀輸出軸旋轉。左地刀輸出軸及右地刀輸出軸的驅動原理與主刀類似。主刀、左接地刀、右接地刀第一級蝸桿渦輪減速箱之間通過萬向聯軸器連接。

電動機功率及電磁離合器的大小根據隔離開關需要的操作功通過計算確定。以220kV戶外高壓隔離開關電動操作機構為例，根據經驗和實際測量，各型220kV戶外高壓隔離開關主刀的操作力矩出廠操作力矩最大不超過600Nm，在戶外長期運行后，雖會由于銹蝕污穢等原因有所增長，但一般不超過900Nm，設定集成型高壓隔離開關電動操作機構箱輸出力矩相對產品操作力矩2倍的安全系數，輸出力矩取1800Nm。蝸桿蝸輪減速及電磁離合器的參數選擇如下［1-2］：

第一級蝸桿蝸輪減速的輸出力矩：

第二級蝸桿蝸輪減速的輸出力矩：

式中，電動機功率P1＝0.75kW；傳動效率η1＝0.6；傳動效率η2＝0.6；變比i1＝7，i1＝100。

經計算，第一級蝸桿蝸輪減速的輸出力矩T1＝30Nm，第二級蝸桿蝸輪減速的輸出力矩T1＝1800Nm。電磁離合器的動摩擦力矩：

經計算，電磁離合器摩擦力矩為80Nm。

傳統高壓隔離開關的機械閉鎖裝置，均設計在高壓隔離開關主刀與接地刀傳動之間，由于主刀與地刀傳動部位之間距離較遠，因此機構閉鎖裝置結構復雜，同時又要保證各閉鎖零件的機械強度，構件耗材量大，制造成本高，機械閉鎖的可靠性不高。而集成型高壓隔離開關電動操作機構箱，由于主、地刀操作設在同一個機構箱內，主刀輸出軸與地刀輸出軸之間的距離近，便于設置主刀和接地刀之間的機械閉鎖裝置，減少耗材，降低制造成本，提高機械閉鎖的可靠性。且機械閉鎖在同一個操作機構箱內實現，較傳統型操作機構的防誤設計結構簡單可靠，可避免人為誤操作的風險。

4 二次電氣回路設計

集成型高壓隔離開關電動操作機構箱電氣回路主要創新是在傳統的電動操作機構箱二次回路中，增加電磁離合器切換控制回路（見圖2），將近控／遙控時分閘、合閘支路分為主刀和地刀回路，且操作時各回路之間相互獨立并滿足電氣互鎖要求。

圖2 集成型高壓隔離開關電動操作機構箱操作控制系統圖

集成型高壓隔離開關電動操作機構箱二次操作如下（見圖3）。

圖3 集成型高壓隔離開關電動操作機構箱二次操作示意圖

以主刀近控操作為例，將近／遙控切換開關打到近控檔，近控主-地刀選軸開關打到主刀操作檔，近控主-地刀選軸開關的動觸頭與主刀電磁離合器的控制端相接觸，電磁離合器控制回路的主刀電磁離合器近控回路接通，使得主刀電磁離合器吸合，主刀第一級減速機構和主刀第二級減速機構通過主刀電磁離合器連接；然后，按下近控合閘按鈕（或近控分閘按鈕），近控分合閘回路的近控合閘回路接通（或近控分閘回路接通），同時合閘接觸器的觸頭（或分閘接觸器的觸頭）吸合，電動機開始正轉（或反轉），通過電動機轉軸帶動主刀第一級減速機構、左地刀第一級減速機構和右地刀第一級減速機構的軸順時針（或逆時針）轉動，然后再通過主刀電磁離合器帶動主刀第二級減速機構上的主刀輸出軸轉動，實現主刀的合閘（或分閘）；主刀合閘（或分閘）到位后，通過合閘限位開關（或分閘限位開關），實現近控合閘回路（或近控分閘回路）的斷開，主刀的合閘（或分閘）操作結束。左地刀的就地分閘、就地合閘操作以及右地刀的就地分閘、就地合閘操作同理。

遙控操作隔離開關的主刀合閘（或主刀分閘）時，將近／遙控切換開關打到遙控檔，其他操作過程與近控類似，不再贅述。

集成型高壓隔離開關電動操作機構箱上設有通信接口［3］，將信號通過網絡上傳，滿足智能變電站的要求。

5 樣機制造

集成型高壓隔離開關電動操作機構箱（見圖4），箱體采用不銹鋼材質制作，中間輸出軸為用來操作隔離開關主刀，左邊輸出軸用來操作隔離開關左接地刀，右邊輸出軸用來操作隔離開關右接地刀。二次電器元件采用合資產品，可靠性能進一步提高。經樣機測試各技術參數均達到設計要求。

圖4 集成型高壓隔離開關電動操作機構箱樣機實驗照片

6 主要創新點及技術經濟分析

（1）集成型高壓隔離開關電動操作機構箱主要創新點

1）減速機采用電磁離合技術，通過電磁離合器的吸合與斷開，實現高壓隔離開關主刀、地刀之間操作的切換；

2）主刀與地刀減速機的第一級之間采用萬向聯節器連接，實現1臺電動機帶動3個減速機傳動；

3）將高壓隔離開關上的機械閉鎖裝置取消，在機構箱內主刀、地刀輸出軸之間設計機械閉鎖，簡單可靠；

4）高壓隔離開關主刀、左地刀及右地刀共1臺機構箱，3根輸出軸，箱體內僅設1臺操作電動機和1套電氣控制保護系統。

（2）集成型高壓隔離開關電動操作機構箱技術經濟分析

1）隔離開關主刀與接地刀之間的機械閉鎖、電氣閉鎖均設在集成型高壓隔離開關電動操作機構箱內，結構更簡單，受力機械強度更高、設備安全可靠性進一步提高；

2）滿足智能變電站的運行維護要求。集成型高壓隔離開關電動操作機構箱具備通信接口，將隔離開關的信號通過網絡上傳；

3）控制電纜采用航空插頭接口，安裝調試、運行維護方便；

4）與傳統電動操作機構箱相比，集成型高壓隔離開關電動操作機構箱投資省，安裝時間短，運行維護方便。相應的安裝輔材、動力電纜和控制電纜及其穿管數量減少約40%，安裝調試工作量也相應減少約50%，支架材料節省約30%，土建基礎費用節省約20%。減少運行維護的工作量約30%；

5）與傳統電動操作機構箱相比，集成型高壓隔離開關電動操作機構箱只需一個箱體、一套電氣系統，制造成本節省約40%。

7 結束語

集成型高壓隔離開關電動操作機構箱是基于資源節約和功能集成等設計理念開發的新產品，與傳統型電動操作機構箱相比，具有結構簡單、重量輕，安裝維護工作量少、機械連鎖安全可靠、投資省等優點，且具備網絡通信功能，能滿足智能變電站無人值班的要求。樣機技術參數測試完全達到設計參數要求值，建議樣機通過掛網試運行后，完善技術方案和制造工藝，并開展小批量生產及小范圍試點應用工作，為高壓隔離開關從傳統型升級到智能型積累經驗。