一种检测室内侧装悬架式高压大电流隔离开关

doi:10.11985/2018.10.007

一种检测室内侧装悬架式高压大电流隔离开关

胡勋¹, 陶群¹, 万媛², 黄实¹

1. 西安高压电器研究院有限责任公司西安 710077

2. 西安西电电气研究院有限责任公司西安 710075

An Indoor Side Mounted Suspension Type High Voltage and High Current Disconnector

Hu Xun¹, Tao Qun¹, Wan Yuan², Huang Shi¹

1. Xi’an High Voltage Apparatus Research Institute Co.,Ltd. Xi’an 710077 China;

2. Xi’an XD Electric Research Institute Co.,Ltd. Xi’an 710075 China

收稿日期: 2018-06-27 网络出版日期: 2018-10-31

Received: 2018-06-27 Online: 2018-10-31

作者简介 About authors

胡勋男 1988年生,工程师,主要从事高压电器产品试验检测认证及相关电力电子在电力系统中应用的技术研究工作。

陶群男 1969年生,高级技师,主要从事高压电器产品试验检测及高压电器产品设计与技术支持。

摘要

通过设置两个同轴的静触头,实现与动触头导电杆的水平直插式投切。两个静触头分别提供高电位母线的连接位置,使得开关整体包括操动机构与母线同时处于电网中的高电位,避免了由于高压破坏操作机构与隔离刀主体间绝缘的问题。利用远距离控制纯净压缩空气带动拉杆动作,实现驱动和控制的电气隔离。抗电磁干扰能力强,避免了强电磁干扰带来的误动作;运行安全方便,减少了工程造价,能够满足110kV及以下不同电压等级频繁操作的户内高压瞬时大电流工况中的隔离需求。

关键词： 检测室 ; 户内 ; 高压大电流 ; 隔离开关

Abstract

By setting two coaxial static contacts, the horizontal direct switching of the moving contact conducting rod can be realized. The two static contacts provide the connection position of the high potential bus-bar respectively, so that the switch includes the high potential of the operating mechanism and the bus-bar in the power grid simultaneously, the problem of insulation between the operating mechanism and the isolating cutter body is avoided. Remote control of clean compressed air drives the pull rod to achieve electrical isolation between drive and control, the ability to resist electromagnetic interference is strong, avoiding the mis-operation caused by strong electromagnetic interference. The operation is safe and convenient, and the cost of the project is reduced, and it can meet the isolation requirements of indoor high voltage instantaneous high current operating conditions with different voltage levels and frequent operation under 110kV and below.

Keywords： Test room ; indoor ; high voltage and large current ; disconnector

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本文引用格式

胡勋, 陶群, 万媛, 黄实. 一种检测室内侧装悬架式高压大电流隔离开关. 电气工程学报[J], 2018, 13(10): 35-40 doi:10.11985/2018.10.007

Hu Xun. An Indoor Side Mounted Suspension Type High Voltage and High Current Disconnector. Journal of Electrical Engineering[J], 2018, 13(10): 35-40 doi:10.11985/2018.10.007

1 引言

高电压大电流检测是检验高压电器产品的技术指标是否符合国家标准要求。大容量检测室需要满足各类试品不同型号的参数,不同试验类型就需要搭接各种试验回路,隔离开关在电网中主要起安全隔离的作用,同时能够承受与断路器相同的短路电流,一般不具有关合短路电流能力。检测室试验回路搭接要靠上百台隔离开关完成,系统回路的设计布置在很大程度上取决于隔离开关的尺寸及结构型式。随着电压等级的提高,隔离开关机械构造复杂,占地面积极大,当安装于特定临墙架空线路中时,由于面积狭小,很难满足设计要求;当应用于户内大容量检测室时,无论是短路开断试验还是全电流关合试验,每一档标准中要求的型式试验,都需要检测室回路的支撑。西安高压电器研究院作为国家认证检验中心,每天承接着各类电气产品的不同实验,实验室的设计规划直接影响每一档容量试验回路的能否建成,且试验回路中各个设备的性能直接决定了每一档容量试验回路的能否运行。由于试品不同,回路各异,大容量检测室需要靠投切各类隔离开关来搭建不同短路故障试验回路,操作频繁,且多次承受短路电流的冲击,这对隔离开关将是极大的考验,需要对其进行及时长期的检修维护。且很多元件为储能元件,对试验人员人身安全存在很大危险。传统的隔离开关操动机构虽然也能实现远方自动操作,但由于在大容量检测室这个高电压、大电流、强电磁场环境中,容易出现误动或直接损坏等现象。气动控制系统是实现生产自动化的一种重要手段,由于它具有防火、防爆、无污染、受电磁场影响小及工作可靠等一系列优点,在许多工业领域都得到了广泛应用^[1,2,3,4,5]。

2 隔离开关

现有技术中,户内隔离开关按动作方式有旋转式、插入式两种隔离开关,具体实施过程如图1、图2所示。

图1

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图1 插入式隔离开关

Fig.1 The insert type isolation switch

图2

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图2 隔离开关动作示意图

Fig.2 The isolation switch action diagram

插入式户内隔离开关三相共底架结构主要由静触头、基座、支柱绝缘子、拉杆绝缘子和动触头组成。三相平行安装,多触点插入式接触。

随着电压等级、通流能力的提高,断口开距需达到标准要求,则现有隔离开关的整体结构必须扩大,占地面积及费用将随之增加,当应用于大容量试验回路中时,数台高压隔离开关的摆放对试验回路的整体设计是极大的挑战,应用于临墙架空线路中时,仅有的空间很难达到设计要求。传统隔离开关操作机构均与开关本体绝缘,以防止高电位侵入二次控制系统,当其应用于户内关合、开断和开合试验的容量试验回路时,由于试验中操作频繁,隔离开关要多次承受大电流的冲击电压,机构承受电动力累计增加,对操作机构绝缘耐受水平带来更大考验,且隔离开关工作在高电压、大电流的强电磁场环境下,易使操作机构受到干扰而导致隔离开关误动作概率增大,故障系数增加,因此需要长期检修维护^{[6,7,8,9,10,11,12,13,14]}。

3 检测室用隔离开关设计方案

3.1 总体技术方案

针对目前隔离开关技术中存在的问题,临墙、架空、高压、大电流冲击和强磁场环境因素都是检测室所要考虑的客观环境,而对隔离开关的现场要求,如正常电流负荷和过负荷情况、端子静态和动态机械负荷、与隔离开关连接用的导线、所要求的操作性能及开合要求等技术条件,检测室需要根据实际需求来综合设计。

本文所述水平直插式隔离开关在户内临墙大电流架空线路中悬架侧装,整体构造方案选择两组静触头和与静触头配合的动触头导电杆,以及设置有若干不同安装位置且呈镂空态的支架。为使隔离间隙保持低的破坏性放电概率,通过绝缘子侧装悬架与母线平行安装,绝缘子垂直安装于户内与母线相邻的墙体上。两组静触头均设置有固定在支架上的前静触头和后静触头,且两组静触头采用同轴设计,各相的前、后静触头分别与电网中相对应的各相主母线前、后段相连;各相的前静触头和后静触头之间均设置有固定在拉杆上的动触头导电杆,拉杆另一端与设置用于提供驱动力且对地绝缘的操动机构相连,操动机构采用气动驱动,气动活塞拉杆采用钢材制成,电网中三相各相独立安装,可独立操作（或三相共机构同时操作）^{[15,16,17,18,19,20,21]}。具体隔离开关总装图如图3所示。

图3

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图3 水平直插式隔离开关图

Fig.3 The horizontal straight plug isolation switch

3.2 机构方案

依据隔离开关整体机构,弹簧触指分别设置在前触头和后触头内与动触头导电杆配合的部位。根据检测室实际安装地点的系统回路最高电流,设置弹簧触指呈椭圆形,采用银合金制成,镶嵌在对应静触头的安装槽内。由于隔离开关没有标准化的持续过电流能力,因此,选择隔离开关时,应使其额定电流适应于运行中可能出现的任何负载电流,本文所提设备每组静触头内至少共设有4圈弹簧触指,依据通流最大值确定每组触点数。触头内触指设计保证动、静触头紧密接触,减小接触电阻,达到导通大电流的技术要求。如图4、图5所示。

图4

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图4 隔离开关静触头

Fig.4 The isolation switch static contact

图5

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图5 隔离开关触指

Fig.5 The isolation switch touch finger

在后静触头与动触头导电杆的接触部位设置有导向圈,导向圈安装在对应的安装槽内。导向圈的环面高于镶嵌槽面,保障了其与动触头导电杆的紧密配合,为使动触头导电杆投切过程中能够始终保持对中,保证合闸后动触头导电杆能够完全、均匀、直线地与弹簧触指接触,防止通大电流时因动触头偏离轨迹致使弹簧触指烧坏,导向圈采用具有自润滑作用的聚四氟材料。图4中,在前触头与后静触头中均开有凹口槽,凹口槽中装有弹簧触指。

图6

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图6 隔离开关触头装配

Fig.6 The isolation switch contact assembly

动触头导电杆设有安装孔,动触头仅通过触头安装孔与操动机构相连。如图7所示,为防止在投切过程中由于触头自重下坠而偏离运行轨迹,动触头采用空心设计,表面镀银,且导电杆两端设计有易于进入静触头的导向锥面,减小趋肤效应,减少功率损耗,保证其能承受额定端子静态和动态机械负荷,而不损害可靠性和载流能力,提高了隔离开关投切操作的稳定性。

图7

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图7 隔离开关动触头

Fig.7 The isolation switch movable contact

本文所述隔离开关优选采用气电隔离驱动的水平操动机构,气动驱动通过气动管线或光缆与控制隔离开关开合的二次控制系统相连,气缸本体上设置有合分闸信号指示灯,并将合分闸信号反馈给远方操作控制台,保证隔离断口或间隙的每一个动触头的位置已由可靠的、看得见的位置指示装置指示,二次控制系统置于安全距离之外的控制柜内,由控制柜中引出进出两根气管连接至驱动气缸,起到气电隔离作用;在隔离开关投切过程中,通过二次控制系统使进、出气管分别通气推动气缸活塞拉杆,从而带动动触头导电杆来实现隔离开关合分闸操作,使其具有防火、防爆、无污染、受电磁场影响小、抗干扰能力强、工作可靠及维护便捷的优点。同时气动活塞拉杆采用钢制材料,能够多次承受电动力冲击,避免频繁操作发生断裂。

通过支架的设置能够使隔离开关架空安装,并且可根据所需额定电压大小,调整断口开距,满足不同情况下的绝缘距离设计要求。镂空设置的支架还能够减小结构尺寸,占用空间小,维护简单。隔离开关支架设计如图8所示。

图8

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图8 隔离开关支架

Fig.8 The isolation switch bracket

3.3 控制方案

隔离开关各相前静触头与对应相母线前段相连,后静触头与母线后段相连,两个静触头分别提供高电位母线的连接位置,机构实现水平直插式投切。在隔离开关带电运行期间,开关整体包括操动机构与母线同时处在电网中的高电位,避免了由于高压破坏操作机构与隔离刀开关主体间绝缘的问题,且相邻端口间设置间隔形成断口开距。

通过静触头的限位保证了动触头导电杆的水平运动,利用断口开距满足隔离需求,保障从其一侧的端子到另一侧任一端子不会流过危险的泄漏电流。隔离开关投切过程中,动触头导电杆始终保持与后静触头相连;在气缸活塞作用下,动触头导电杆向前运动,使导电杆水平插入前静触头,与前静触头中弹簧触指接触,实现隔离开关合闸,在气缸活塞作用下,动触头导电杆向后运动,脱离前静触头,直到导电杆刀开关达到后静触头前端时,实现隔离开关分闸。

通过将二次控制系统设置在安全距离之外的控制柜内,使其远离隔离开关本体,通过气管相连,利用对地绝缘的操动机构的设置,能够保证其控制的绝缘,实现驱动和控制的电气隔离,控制柜本身也进行了电磁屏蔽,发生闪络时,使二次控制系统免受高压侵袭或由于强电磁干扰导致误动作。

4 技术方案分析

本文所述隔离开关运行于高压大电流工况下,能够满足额定电压110kV,额定短路电流有效值80kA内各种类型容量型式试验要求,现场运行总装如图9所示,且已经投入检测室中运行。由于设备所处环境为容量实验室,运行工况为短路故障试验,通流时间很短,故满足瞬时散热即可,对于标准中规定的隔离开关温升试验并无强制要求;基于此设备在检测室中的位置要求,只做搭建试验回路起隔离作用,不做开合小电流要求;在常规短路试验及额定短路持续时间内隔离开关承受额定峰值耐受电流和额定短时耐受电流示波图如图10、图11所示,在有效值63kA（3s）、峰值174kA参数下,处于合闸位置的隔离开关,触头无分离,无电弧,且任何部件没有明显的机械损伤,符合标准要求;在重力、振动及撞击作用情况下,隔离开关及其操动机构,均没有脱离其分闸或合闸位置。机械结构紧凑,气缸、活塞拉杆、动触头与静触头均处于同一直线上,在户内临墙架空安装不占空间,动作方式简单,气动直插式投切,动静触头及触指的设计增加了试验系统中稳定性,隔离开关主体与母线高电压等电位,操作机构为气电隔离,二次控制不受高电位强磁场干扰,具有一定的抗干扰能力。单相操作,应用灵活,维护简单,节省成本。

图9

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图9 隔离开关现场总装图

Fig.9 The isolation switch field assembly drawing

图10

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图10 峰值耐受电流示波图

Fig.10 The peak withstand current oscilloscope

图11

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图11 短时耐受电流示波图

Fig.11 The short time withstand current oscilloscope

5 结束语

本文所述隔离开关结构上呈直插式投切,结构小巧,为户内侧装悬架安装,与气动操动机构配合,运行维护安全简单,满足设计要求,为室内试验回路设计提供更大空间,减少了户内变电的工程造价,减少了频繁检修维护次数,降低资源费用,特别是在户内大量使用时效果显著;为我国高电压、大电流工程的建设、安全运行具有重要的意义,本设备通过与快速操动机构配合还可关合短路电流,可塑性强。虽然采用的是单相隔离开关,但是同样适用于三相或者多相隔离开关;其中前、后静触头可根据电压等级决定绝缘间距,绝缘距离可根据设计要求延伸。将动静触头分别与对应相的母线相连,可以采用单独的操动机构,也能够共用一套操动机构;当改进操动拉杆为导电铜棒时能够更大限度地减小设备体积。虽然本文所述为侧装悬架式,但是也可平面安装或倒装悬挂式安装,根据不同位置不同需求设计不同,为实验室的建造提供更多优化选择。

参考文献

原文顺序

文献年度倒序

文中引用次数倒序

被引期刊影响因子

[1]

GB 1985—2014 高压交流隔离开关和接地开关[S] B 1985—2014 高压交流隔离开关和接地开关[S].北京: 中国标准出版社, 2015.