ZGW5-100D/J5500型高壓直流隔離開關(guān)的研制

馬永旭，王占杰，孫玉洲，王巧紅，李宇鵬

（平高集團有限公司河南平高電氣股份有限公司，河南平頂山 467001）

ZGW5-100D/J5500型高壓直流隔離開關(guān)的研制

馬永旭，王占杰，孫玉洲，王巧紅，李宇鵬

（平高集團有限公司河南平高電氣股份有限公司，河南平頂山 467001）

根據(jù)我國特高壓直流輸電工程對低壓側(cè)直流隔離開關(guān)機械、電氣、耐地震等性能的要求，較詳細地介紹了ZGW5-100D/ J5500型高壓直流隔離開關(guān)的設(shè)計、試制及試驗等研制情況。試驗結(jié)果表明所研制ZGW5-100D/J5500型高壓直流隔離開關(guān)的技術(shù)參數(shù)和性能指標等均滿足我國目前特高壓直流輸電工程的要求。

高壓直流隔離開關(guān)；換流站；雙柱水平開啟單斷口；機械電氣性能

1 概述

國家“十二五”規(guī)劃綱要明確提出，適應(yīng)大規(guī)?？鐓^(qū)輸電和新能源發(fā)電并網(wǎng)要求，加快現(xiàn)代電網(wǎng)體系建設(shè)，進一步擴大西電東送的規(guī)模，完善區(qū)域主干電網(wǎng)，發(fā)展特高壓等大容量、高效率、遠距離先進輸電技術(shù)。據(jù)國家電網(wǎng)的規(guī)劃，“十二五”期間國家將建成11項特高壓直流輸電工程，100 kV直流隔離開關(guān)作為特高壓直流工程換流站直流場設(shè)計布置的重要設(shè)備之一，是其他直流設(shè)備進行檢修的安全保障，因此，為了滿足我國特高壓直流工程的需要，結(jié)合國內(nèi)外先進的隔離開關(guān)設(shè)計理念，自行設(shè)計、研制出了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的ZGW5-100D/J5500型高壓直流隔離開關(guān)。

2 正常使用條件

ZGW5-100D/J5500型高壓直流隔離開關(guān)主要用于特高壓直流換流站直流場的中性母線側(cè)，在合閘位置時，能承載正?；芈窏l件下的電流及在規(guī)定時間內(nèi)異常條件(例如短路)下的電流；在分閘位置時，可為電抗器、直流轉(zhuǎn)換開關(guān)、互感器等設(shè)備的檢修提供一個符合規(guī)定要求的安全可見的絕緣距離。

正常使用環(huán)境條件：

（1）周圍空氣溫度：-40℃～+40℃；

（2）海拔： 不超過3 000 m；

（3）風(fēng)速： 不超過34 m/s；

（4）覆冰厚度： 不大于10 mm；

（5）抗震水平： AG5；

（6）安裝場所應(yīng)無經(jīng)常性的劇烈振動及易燃、易爆物質(zhì)和化學(xué)腐蝕的影響。

3 產(chǎn)品技術(shù)參數(shù)及主要性能指標

3.1 產(chǎn)品分類及技術(shù)參數(shù)

ZGW5-100D/J5500型高壓直流隔離開關(guān)，該產(chǎn)品按接地方式可分為不接地、單接地、雙接地三種規(guī)格，其中單接地又分為左接地和右接地兩種。如表1所示。

表1 主要技術(shù)參數(shù)

3.2 主要技術(shù)性能指標

（1）隔離開關(guān)及附裝的接地開關(guān)的機械壽命不低于5 000次。

（2）隔離開關(guān)及其附裝的接地開關(guān)采用CJ11A型電動機操動機構(gòu)，分、合閘操作時間均為12 s±2 s。

（3）隔離開關(guān)分閘后，最小空氣絕緣距離不小于1 800 mm；接地開關(guān)分閘后，最小空氣絕緣距離不小于1 500 mm。

（4）隔離開關(guān)及其附裝的接地開關(guān)分、合閘操作時，所需的操作力不超過60 N，并且在總轉(zhuǎn)數(shù)最多10%的轉(zhuǎn)數(shù)內(nèi)，操作力的最大值允許為120 N。

（5）隔離開關(guān)與其附裝的接地開關(guān)具有機械聯(lián)鎖功能，以保證隔離開關(guān)合閘時，接地開關(guān)不能合閘，接地開關(guān)合閘時，隔離開關(guān)不能合閘。

4 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)性能分析與計算

4.1 產(chǎn)品總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

ZGW5-100D/J5500型高壓直流隔離開關(guān)采用雙柱水平開啟單斷口結(jié)構(gòu)；主要由底座總裝配、直流支柱絕緣子、主導(dǎo)電系統(tǒng)和CJ11A型電動機操動機構(gòu)等組成；根據(jù)需要可附裝一套或兩套直流接地開關(guān)，直流接地開關(guān)采用直掄式結(jié)構(gòu)，布置方式與隔離開關(guān)底座平行。隔離開關(guān)配用CJ11A型電動機操動機構(gòu)進行分、合閘操作；直流接地開關(guān)配用CJ11A型電動機操動機構(gòu)進行分、合閘操作；隔離開關(guān)和接地開關(guān)之間裝有機械聯(lián)鎖裝置，可確保隔離開關(guān)或接地開關(guān)不發(fā)生誤操作。總體結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 ZGW5-100D/J5500型高壓直流隔離開關(guān)

通過對ZGW5-100D/J5500型高壓直流隔離開關(guān)進行電場的校核及優(yōu)化，初步確定其斷口及對地絕緣距離；同時，結(jié)合國內(nèi)直流絕緣子制造工藝水平，選取合適的絕緣子高度，最終確定隔離開關(guān)的總體尺寸。

圖2 分閘狀態(tài)電場計算

圖3 合閘狀態(tài)電場計算

在施加170 kV直流電壓情況下，計算的結(jié)果為：分閘狀態(tài)的電場強度為1.826 kV/mm，合閘狀態(tài)的電場強度為1.951 kV/mm，如圖2和圖3所示。滿足設(shè)計要求，并得到試驗驗證。

4.2 通流能力設(shè)計

由于ZGW5-100D/J5500型高壓直流隔離開關(guān)作為特高壓直流輸電工程換流站的重要開關(guān)設(shè)備，是直流輸電線路中的一個電氣元件，通流能力是其關(guān)鍵的參數(shù)。根據(jù)現(xiàn)有工程要求其額定電流為5 500 A，2 h過負荷電流為6 300 A；同時由于直流輸電工程通常都是以額定電流運行，因此對導(dǎo)電部分的可靠性要求較高，在設(shè)備運行過程中，必須保證接觸良好，否則極容易發(fā)熱造成主觸頭部分的燒蝕而影響整個設(shè)備的正常運行。為此，利用發(fā)熱和散熱平衡原理對主導(dǎo)電系統(tǒng)進行了通流能力計算；并利用Ansys軟件對熱平衡狀態(tài)時主導(dǎo)電系統(tǒng)的溫度場進行了計算和優(yōu)化；在此基礎(chǔ)上對主導(dǎo)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)做了全新的設(shè)計。在接線座前后增加散熱結(jié)構(gòu)，兩邊蓋板采用百葉窗結(jié)構(gòu)，滿足了主導(dǎo)電系統(tǒng)通流的需要。

4.3 機械傳動設(shè)計

隔離開關(guān)傳動系統(tǒng)采用優(yōu)化的四連桿結(jié)構(gòu)，設(shè)計時，為了減輕操作力矩，使分合閘終點位置能自鎖，往往使主動拐臂在分閘或合閘位置，都處于相應(yīng)的死點位置，即δ=180°；當(dāng)隔離開關(guān)主軸A轉(zhuǎn)角θ選定后，計算出四連桿結(jié)構(gòu)有關(guān)轉(zhuǎn)角及有關(guān)連桿尺寸，從而設(shè)計出滿足要求的傳動系統(tǒng)。四連桿傳動系統(tǒng)簡圖見圖4，計算過程如下。

（1）先選定主軸A轉(zhuǎn)角θ（對于雙柱水平單斷口隔離開關(guān)θ取90°）、主動拐臂中心到底座中心線的垂直距離h、主動拐臂中心到主軸A水平距離m、被動拐臂長度R1。

（2）計算求出主動拐臂長度R2、連桿與兩中心連線的夾角β0、合閘位置時被動拐臂與兩中心連線的夾角α、連桿長度L。

從圖4可知 β1=β2，

選取θ=90°，m=1 050 mm、h=272 mm，R1= 200 mm，并將其分別代入式（1）、（2）、（3）、（4）中，計算得出β0=7.5°，α=52.5°，R2= 141.42 mm，L=1 216.82 mm。

4.4 機械強度校核

委托鄭州機械研究所，采用有限元模型分析了ZGW5-100D/J5500型高壓直流隔離開關(guān)的抗震性能，計算結(jié)果表明，該直流隔離開關(guān)抗震水平可以滿足GB13540-2009規(guī)定的AG5的要求，安全系數(shù)大于2.23。

圖4 四連桿傳動系統(tǒng)簡圖

圖5 地震性能計算

5 產(chǎn)品通過的型式試驗項目

ZGW5-100D/J5500型高壓直流隔離開關(guān)在國家高壓電器質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心等進行了全部型式試驗，試驗項目符合相關(guān)國家標準和行業(yè)標準的要求，試驗結(jié)果合格。試驗結(jié)果證明其性能全部滿足ZGW5-100D/J5500型高壓直流隔離開關(guān)的技術(shù)要求，并有一定的裕度。

完成的試驗項目主要有：

（1）機械特性試驗、機械操作試驗、隔離開關(guān)和附裝的接地開關(guān)的5 000次機械壽命試驗；

（2）溫升試驗、2 h過負荷電流的溫升試驗及輔助回路的溫升試驗；

（3）隔離開關(guān)和附裝的接地開關(guān)回路電阻測量；

（4）隔離開關(guān)和附裝的接地開關(guān)額定端子靜態(tài)機械負荷時的操作試驗；

（5）隔離開關(guān)及附裝的接地開關(guān)短時耐受電流25 kA（3 s）、峰值耐受電流63 kA的容量試驗；

（6）海拔3 000 m的60 min直流耐受電壓試驗、雷電沖擊電壓試驗、操作沖擊耐受電壓試驗。

6 結(jié)束語

ZGW5-100D/J5500型高壓直流隔離開關(guān)采用雙柱水平開啟單斷口結(jié)構(gòu)，產(chǎn)品具有如下特點。

（1）產(chǎn)品觸指采用外壓式板簧，性能可靠；軸承座裝配采用上下雙道密封，防止雨水、沙塵對轉(zhuǎn)動軸承的侵蝕；轉(zhuǎn)動部位采用自潤滑軸套，操作靈活；零部件通用性好，系列化程度高。

（2）隔離開關(guān)及附裝的接地開關(guān)無論在合閘位置或分閘位置時，其主動拐臂均處于死點位置，可以有效防止外力作用下的誤分閘現(xiàn)象，提高產(chǎn)品可靠性。

（3）導(dǎo)電關(guān)節(jié)部分采用導(dǎo)電帶，其結(jié)構(gòu)簡單，可靠性較高，通流能力強。產(chǎn)品絕緣水平高、防腐能力好、機械壽命長、外形美觀。完全滿足目前我國直流輸電工程的要求。

［1］趙畹君.高壓直流輸電工程技術(shù)［M］.北京：中國電力出版社，2004.

［2］鐘振蛟.戶外隔離開關(guān)導(dǎo)電回路過熱的起因及對策［J］.高壓電器，2005（4）：307-309，312.

［3］馬永旭，王占杰，王紅敏.中性母線直流隔離開關(guān)的設(shè)計與計算［J］.高壓電器，2011（5）：70-75.

［4］王占杰，徐光輝，馬永旭，等.±800kV特高壓直流隔離開關(guān)的研制及應(yīng)用［J］.機電工程技術(shù)，2012（8）：132-135.

Development of ZGW5-100D/J5500 Type HVDC Disconnectors

MA Yong-xu，WANG Zhan-jie，SUN Yu-zhou，WANG Qiao-hong，LI Yu-peng
（Pinggao Group Ltd，Henan Pinggao Electric Co.，Ltd，Pingdingshan467001，China）

According to China's UHV DC transmission project on the low side DC disconnectors mechanical，electrical resistance，earthquake and other performance requirements，detailed descript the ZGW5-100D/J5500 type HVDC disconnectors design，prototype development，testing and other situations.Experimental results show that the developed ZGW5-100D/J5500 type HVDC disconnectors technical parameters and performance indicators etc.can meet current UHV DC transmission project requirements.

HVDC disconnectors；converter station；double-column horizontal open single fracture；mechanical and electrical properties

TM56

B

1009－9492(2014)02－0008－04

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.02.003

馬永旭，男，1965年生，河南平頂山人，高級工程師。研究領(lǐng)域：高壓開關(guān)產(chǎn)品設(shè)計與研發(fā)。

(編輯：阮 毅)

2013－08－26