三相聯動雙斷口戶外高壓隔離負荷開關的研究

熊晉樹, 張 成, 李 軼, 王旻潔, 尹子宇

(1.國網上海青浦供電公司, 上海 201799; 2.上海電力大學, 上海 200090)

隨著居民用電負荷的日漸增長,高壓配電線路必將承載更多負荷,同時增加更多的分叉、分支線路。為加強高壓線路管理和維護,縮小停電范圍,需要在各區域分段點安裝高壓開關。特別是在郊區和農村電網10 kV配電網線路中,廣泛使用高壓柱上開關產品,包括柱上隔離開關和柱上負荷開關,可以實現線路分段和保護[1]。高壓隔離開關作為電力系統中用量最多的輸變電設備之一,面臨以下兩個方面的考驗:一方面,高壓隔離開關大多完全暴露于外部環境中,所以在投入運行期間必須長時間耐受大風、大雨、雷害、冰雪、霧霾等各種環境氣候條件的影響,一些特殊區域還會受到灰塵以及小動物的侵害;另一方面,SF6氣體憑借其物理和化學性能穩定、絕緣和滅弧性能良好被廣泛應用于高壓隔離開關中,但若管理、使用不當或未按正確的方法對其進行回收和再生處理,將導致SF6氣體及其在高溫電弧作用下產生的有毒氣體分解物排放到大氣中,從而對環境造成污染,并影響設備正常運行[2]。

目前,我國常用的主配電網高壓隔離開關均沿用20世紀60年代設計的產品,在系統運行時容易產生多種問題從而造成設備缺陷和故障,如因長時間未進行分、合操作導致開關無法拉開等,對主配電網運行造成極大安全隱患。

基于傳統高壓隔離開關存在的問題,本文設計了一種用于戶外的小型三相聯動雙斷口高壓隔離負荷開關(產品型號GFW-12/630-20,上海甬吉電氣有限公司)。該設備采用新型防護材料和金屬材料、新型加工工藝和新型開關內部結構,具有無污染、長壽命、低成本、免維護和安全可靠等顯著優勢,符合節能環保理念和國家電網技術規范要求。

1 傳統高壓隔離開關缺陷

在現有的戶外開關設備中,負荷開關(斷路器)與隔離開關基本上是分開獨立的,生產和加工工藝已基本定型[3]。戶外的10 kV柱上隔離開關大多是結構簡單的刀閘方式,但其所處的大氣環境復雜,可能導致開關結構部件銹蝕、進水受潮,從而發生卡澀或分合閘不到位,甚至導致開關拒合拒分[4]。同時,隔離開關的制造工藝、材料選擇和機構方面存在以下問題:一是制造工藝水平和所用材料成本有限,導致許多老舊的隔離開關會出現平衡彈簧銹蝕的情況;二是倒閘三相拐臂的角度調整不對,且機構輸出軸法蘭角度調整不到位時,扇形齒輪爆齒,導致萬向節法蘭與機構法蘭連接螺絲被切斷、機構的限位開關鑄鐵件被打斷,從而使得開關不能正常分、合閘。隔離開關運行時合閘不到位、分閘不徹底,有可能導致觸頭嚴重發熱,影響電網安全穩定運行,并造成極大的人身安全隱患。

此外,10 kV戶外高壓負荷開關一般采用外部全密封的真空開關或采用SF6為絕緣介質的真空滅弧,開關整體體積較大且造價較高[5]。在分閘位置時,無法查看觸頭之間的絕緣距離和斷開標志,不適合作為隔離開關使用。同時,開關設備中的SF6極易泄漏,不符合環保要求。

2 新型開關設計原理

目前電力系統中采用的是三相交流供電,系統的穩定性和可靠性在很大程度上取決于3個相位之間的平衡和同步。三相聯動的核心原理在于確保操作隔離開關時,3個電源相位同時打開或關閉,以防止電流在不同相位中產生不均勻分布,從而危害電力系統安全運行。隔離開關作為電力系統中的關鍵開關設備,主要作用是將電源與電路或設備分離,以確保在操作過程中沒有電流流經被隔離的部分。隔離開關的三相聯動涉及3個相位的開關協調操作,對于防止電擊、設備損壞和維護工作的安全性至關重要。

本文設計了一種適用于額定電壓12 kV、頻率50/60 Hz的架空線路戶外三相聯動雙斷口隔離負荷開關。該隔離開關主要由機架、機構箱以及包含在全封閉式機構箱內部的開關機械結構和開關操作機構組成,整體結構如圖1所示。

本文所設計的開關在有電壓帶負荷情況下的合閘、分閘狀態如圖2所示。該開關結構由連扳、拐臂、主軸、真空滅弧室、可見斷口,以及布置在外殼上的防護板、外加傘裙和有機玻璃組成。

圖2 三相聯動雙斷口隔離負荷開關的合閘、分閘狀態

由圖2可以看出,該開關在分閘時有明顯可見的電氣安全隔離距離,采用水平進出線與上下垂直斷開方式,使得工作電場與斷開方向成90°,并將動觸頭安裝在靜觸頭的下方。每相高壓進線和出線采用雙斷口結構,包括2個雙真空開關的斷口和2根隔離導電桿與動觸頭的斷口,使得隔離開距平均分配在兩側,有利于壓縮裝置體積,既能滿足負荷開關的技術要求,又能像隔離開關一樣,具有可見斷口,而且分閘時裸露觸頭不帶電[6]。由于采用雙斷口設計,開關在斷開時會形成明顯斷口,從而達到符合規定的絕緣距離,避免出現開關接觸不良的問題。此外,全封閉桿刀式設計和內部觸頭的倒裝形式,使得開關的關鍵部分不會直接暴露于外部環境中,極大降低了惡劣天氣影響、避免了小動物的侵害,有效保證開關的正常運行。隔離觸頭套和隔離導電桿上的觸頭座采用耐電弧燒蝕的鎢銅合金制作,不會因過電流而發熱熔化、燒壞或造成凹痕。

為保證三相聯動的可靠性和同步性,每相動觸頭的觸頭座都通過連扳、拐臂與主軸相連,并在縱梁上沿兩根導向桿上下運行達到同步分閘與合閘。開關操作機構示意如圖3所示。其中,開關的分、合閘操作是通過兩工位彈簧操作機構實現的。

圖3 開關操作機構示意

開關的合閘、分閘過程如下。

(1) 在開關分閘狀態下,拉動開關至合閘狀態,刀閘在合閘過程中先與滅弧室動觸頭接觸,滅弧室由分離狀態變為閉合狀態。此時,開關處于合閘狀態。

(2) 在分閘過程中,活動拐臂先與滅弧室動觸頭分離,使工作電流轉移到真空滅弧室,由真空滅弧室滅弧。活動拐臂移至另一穩定位置時,形成可見隔離斷口。此時,開關處于分閘狀態。

機構傳動采用掛簧傳輸方式,分合閘部件少,可靠性高,在實現快速分合閘的同時,避免了開關部件過多、傳動距離過長而引起的傳動卡澀問題。上述開關合閘狀態兩工位彈簧機構示意如圖4所示。

圖4 開關合閘狀態兩工位彈簧機構示意

此外,本文所設計的開關設備中滅弧、絕緣支柱采用了環氧樹脂固體絕緣技術和外包硅橡膠絕緣技術,使得帶電部位能夠全部包裹在絕緣件內,并且融合了兩種技術的優點,延長了設備使用壽命,提高了設備安全性能。

3 新型開關試驗結果

在每相進/出線端加裝高精度電流互感器,并在開關操作機構處加裝標準智能化接口,對一、二次設備進行聯合,得到三相聯動雙斷口隔離負荷開關實物,以滿足更為簡單便捷的測量、通訊、顯示、記錄、提示等需求。全封閉隔離負荷開關外觀結構如圖5所示。隔離負荷開關內部結構如圖6所示。

圖5 全封閉隔離負荷開關外觀結構

圖6 隔離負荷開關內部結構

為提高該隔離負荷開關的操作可靠性,在實物開關上加裝了閉鎖裝置,可實現機械閉鎖和電氣閉鎖。閉鎖部分安裝示意如圖7所示。

圖7 閉鎖部分安裝示意

根據相關標準,本文設計的三相聯動雙斷口全封閉式隔離負荷開關各部件參數要求如表1所示。

表1 開關各部件參數要求

對該隔離負荷開關進行型式試驗,得到其可靠參數見表2。其中:干試的額定短時工頻耐受電壓與額定雷電沖擊耐受電壓均為相間及對地與斷口處的實驗值;濕試的額定短時工頻耐受電壓為相間及對地的實驗值;S1表示接地故障條件;觸頭開距與接觸行程均為隔離斷口處的測試值。

表2 該隔離負荷開關可靠參數

將表2的型式試驗數據與表1的設定值進行對比可知,在額定電壓為12 kV、額定電流為630 A的環境下,本文設計的隔離負荷開關在面對各種故障(包括短路、雷電沖擊等)的情況下均體現良好性能,最大開斷電流能夠達到630 A,并且分合閘速度達到了相關國家標準,具備良好的機械穩定性。

4 結 語

本文設計了一種用于戶外的小型三相聯動雙斷口高壓真空隔離負荷開關,通過改進高壓隔離開關的內部機械結構、優化斷口結構形狀和材料選型等,顯著提高了開關的開斷容量和可靠性,減少了安全隱患,提高了配電網的供電可靠性,并延長了設備的使用壽命。此外,該隔離負荷開關達到了相關國家標準和設計之初的參數要求,主要適用于10 kV配電網線路,是一款合格且具有廣闊應用前景的新型配電設備。