一種集成型高壓隔離開關(guān)電動操作機(jī)構(gòu)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(guān)有限公司）

0 引言

高壓隔離開關(guān)電動操作機(jī)構(gòu)是發(fā)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(shè)備，通常1組雙接地傳統(tǒng)型高壓隔離開關(guān)裝有1把主刀和2把接地刀，需配置1臺主刀操作機(jī)構(gòu)箱和2臺地刀操作機(jī)構(gòu)箱（共3臺）。存在設(shè)備投資大，安裝、運(yùn)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(jī)構(gòu)箱數(shù)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(shè)備集成化、功能一體化和智能化的設(shè)計理念，以整合電動操作機(jī)構(gòu)箱為突破口，研制一種集成型高壓隔離開關(guān)電動操作機(jī)構(gòu)箱，箱內(nèi)僅配置一臺操作電動機(jī)和一套電氣控制保護(hù)裝置。一臺三相一體的雙接地高壓隔離開關(guān)僅需配置1臺集成型高壓隔離開關(guān)電動操作機(jī)構(gòu)箱，可減少2臺傳統(tǒng)型電動操作機(jī)構(gòu)箱。設(shè)備造價降低，安裝、運(yùn)維、檢修等方面工作量減小、工作效率提升。

1 使用環(huán)境條件

1）環(huán)境溫度：+60～-55℃；

2）海拔高度：2000m（2000m以上可按用戶要求提高產(chǎn)品適用能力）；

3）安裝場所應(yīng)無嚴(yán)重塵埃、易燃易爆物質(zhì)及化學(xué)腐蝕性氣體動影響；

4）地震烈度：9度。

2 主要技術(shù)參數(shù)

集成型高壓隔離開關(guān)電動操作機(jī)構(gòu)箱技術(shù)參數(shù)見下表。

表 集成型高壓隔離開關(guān)電動操作機(jī)構(gòu)箱技術(shù)參數(shù)

3 減速機(jī)及機(jī)械閉鎖結(jié)構(gòu)設(shè)計

集成型高壓隔離開關(guān)電動操作機(jī)構(gòu)箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 集成型高壓隔離開關(guān)電動操作機(jī)構(gòu)箱減速機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

箱體上方設(shè)有主刀及左、右接地刀輸出軸3根，分別由同一臺電機(jī)驅(qū)動，同一時間只能驅(qū)動其中的一根輸出軸，通過電磁離合器的吸合與斷開來驅(qū)動或斷開輸出軸。主刀輸出軸由電機(jī)旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動主刀一級蝸桿渦輪減速箱，再通過電磁離合器驅(qū)動主刀二級蝸桿渦輪減速箱，帶動主刀輸出軸旋轉(zhuǎn)。左地刀輸出軸及右地刀輸出軸的驅(qū)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(lián)軸器連接。

電動機(jī)功率及電磁離合器的大小根據(jù)隔離開關(guān)需要的操作功通過計算確定。以220kV戶外高壓隔離開關(guān)電動操作機(jī)構(gòu)為例，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際測量，各型220kV戶外高壓隔離開關(guān)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(yùn)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(shè)定集成型高壓隔離開關(guān)電動操作機(jī)構(gòu)箱輸出力矩相對產(chǎn)品操作力矩2倍的安全系數(shù)，輸出力矩取1800Nm。蝸桿蝸輪減速及電磁離合器的參數(shù)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(jī)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(jīng)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(jīng)計算，電磁離合器摩擦力矩為80Nm。

傳統(tǒng)高壓隔離開關(guān)的機(jī)械閉鎖裝置，均設(shè)計在高壓隔離開關(guān)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(yuǎn)，因此機(jī)構(gòu)閉鎖裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，同時又要保證各閉鎖零件的機(jī)械強(qiáng)度，構(gòu)件耗材量大，制造成本高，機(jī)械閉鎖的可靠性不高。而集成型高壓隔離開關(guān)電動操作機(jī)構(gòu)箱，由于主、地刀操作設(shè)在同一個機(jī)構(gòu)箱內(nèi)，主刀輸出軸與地刀輸出軸之間的距離近，便于設(shè)置主刀和接地刀之間的機(jī)械閉鎖裝置，減少耗材，降低制造成本，提高機(jī)械閉鎖的可靠性。且機(jī)械閉鎖在同一個操作機(jī)構(gòu)箱內(nèi)實(shí)現(xiàn)，較傳統(tǒng)型操作機(jī)構(gòu)的防誤設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單可靠，可避免人為誤操作的風(fēng)險。

4 二次電氣回路設(shè)計

集成型高壓隔離開關(guān)電動操作機(jī)構(gòu)箱電氣回路主要創(chuàng)新是在傳統(tǒng)的電動操作機(jī)構(gòu)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(dú)立并滿足電氣互鎖要求。

圖2 集成型高壓隔離開關(guān)電動操作機(jī)構(gòu)箱操作控制系統(tǒng)圖

集成型高壓隔離開關(guān)電動操作機(jī)構(gòu)箱二次操作如下（見圖3）。

圖3 集成型高壓隔離開關(guān)電動操作機(jī)構(gòu)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(guān)打到近控檔，近控主-地刀選軸開關(guān)打到主刀操作檔，近控主-地刀選軸開關(guān)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(jī)構(gòu)和主刀第二級減速機(jī)構(gòu)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(jī)開始正轉(zhuǎn)（或反轉(zhuǎn)），通過電動機(jī)轉(zhuǎn)軸帶動主刀第一級減速機(jī)構(gòu)、左地刀第一級減速機(jī)構(gòu)和右地刀第一級減速機(jī)構(gòu)的軸順時針（或逆時針）轉(zhuǎn)動，然后再通過主刀電磁離合器帶動主刀第二級減速機(jī)構(gòu)上的主刀輸出軸轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)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(guān)（或分閘限位開關(guān)），實(shí)現(xiàn)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(jié)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(guān)的主刀合閘（或主刀分閘）時，將近／遙控切換開關(guān)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(guān)電動操作機(jī)構(gòu)箱上設(shè)有通信接口［3］，將信號通過網(wǎng)絡(luò)上傳，滿足智能變電站的要求。

5 樣機(jī)制造

集成型高壓隔離開關(guān)電動操作機(jī)構(gòu)箱（見圖4），箱體采用不銹鋼材質(zhì)制作，中間輸出軸為用來操作隔離開關(guān)主刀，左邊輸出軸用來操作隔離開關(guān)左接地刀，右邊輸出軸用來操作隔離開關(guān)右接地刀。二次電器元件采用合資產(chǎn)品，可靠性能進(jìn)一步提高。經(jīng)樣機(jī)測試各技術(shù)參數(shù)均達(dá)到設(shè)計要求。

圖4 集成型高壓隔離開關(guān)電動操作機(jī)構(gòu)箱樣機(jī)實(shí)驗(yàn)照片

6 主要創(chuàng)新點(diǎn)及技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

（1）集成型高壓隔離開關(guān)電動操作機(jī)構(gòu)箱主要創(chuàng)新點(diǎn)

1）減速機(jī)采用電磁離合技術(shù)，通過電磁離合器的吸合與斷開，實(shí)現(xiàn)高壓隔離開關(guān)主刀、地刀之間操作的切換；

2）主刀與地刀減速機(jī)的第一級之間采用萬向聯(lián)節(jié)器連接，實(shí)現(xiàn)1臺電動機(jī)帶動3個減速機(jī)傳動；

3）將高壓隔離開關(guān)上的機(jī)械閉鎖裝置取消，在機(jī)構(gòu)箱內(nèi)主刀、地刀輸出軸之間設(shè)計機(jī)械閉鎖，簡單可靠；

4）高壓隔離開關(guān)主刀、左地刀及右地刀共1臺機(jī)構(gòu)箱，3根輸出軸，箱體內(nèi)僅設(shè)1臺操作電動機(jī)和1套電氣控制保護(hù)系統(tǒng)。

（2）集成型高壓隔離開關(guān)電動操作機(jī)構(gòu)箱技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

1）隔離開關(guān)主刀與接地刀之間的機(jī)械閉鎖、電氣閉鎖均設(shè)在集成型高壓隔離開關(guān)電動操作機(jī)構(gòu)箱內(nèi)，結(jié)構(gòu)更簡單，受力機(jī)械強(qiáng)度更高、設(shè)備安全可靠性進(jìn)一步提高；

2）滿足智能變電站的運(yùn)行維護(hù)要求。集成型高壓隔離開關(guān)電動操作機(jī)構(gòu)箱具備通信接口，將隔離開關(guān)的信號通過網(wǎng)絡(luò)上傳；

3）控制電纜采用航空插頭接口，安裝調(diào)試、運(yùn)行維護(hù)方便；

4）與傳統(tǒng)電動操作機(jī)構(gòu)箱相比，集成型高壓隔離開關(guān)電動操作機(jī)構(gòu)箱投資省，安裝時間短，運(yùn)行維護(hù)方便。相應(yīng)的安裝輔材、動力電纜和控制電纜及其穿管數(shù)量減少約40%，安裝調(diào)試工作量也相應(yīng)減少約50%，支架材料節(jié)省約30%，土建基礎(chǔ)費(fèi)用節(jié)省約20%。減少運(yùn)行維護(hù)的工作量約30%；

5）與傳統(tǒng)電動操作機(jī)構(gòu)箱相比，集成型高壓隔離開關(guān)電動操作機(jī)構(gòu)箱只需一個箱體、一套電氣系統(tǒng)，制造成本節(jié)省約40%。

7 結(jié)束語

集成型高壓隔離開關(guān)電動操作機(jī)構(gòu)箱是基于資源節(jié)約和功能集成等設(shè)計理念開發(fā)的新產(chǎn)品，與傳統(tǒng)型電動操作機(jī)構(gòu)箱相比，具有結(jié)構(gòu)簡單、重量輕，安裝維護(hù)工作量少、機(jī)械連鎖安全可靠、投資省等優(yōu)點(diǎn)，且具備網(wǎng)絡(luò)通信功能，能滿足智能變電站無人值班的要求。樣機(jī)技術(shù)參數(shù)測試完全達(dá)到設(shè)計參數(shù)要求值，建議樣機(jī)通過掛網(wǎng)試運(yùn)行后，完善技術(shù)方案和制造工藝，并開展小批量生產(chǎn)及小范圍試點(diǎn)應(yīng)用工作，為高壓隔離開關(guān)從傳統(tǒng)型升級到智能型積累經(jīng)驗(yàn)。