126kV投切電容器組負(fù)荷開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)

1、126kV投切電容器組負(fù)荷開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)李心一1，鄭佳歡2，劉偉1，劉罡2，賀平軍1，修士新2（1西安西電高壓開(kāi)關(guān)有限責(zé)任公司, 陜西省 西安市 ；2西安交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院, 陜西省 西安市 ）摘要：本文從投切電容器組的要求入手，分析了負(fù)荷開(kāi)關(guān)應(yīng)該滿足的技術(shù)條件，提出了投切電容器組的負(fù)荷開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)的思路及方案，包括負(fù)荷開(kāi)關(guān)的整體結(jié)構(gòu)、操縱機(jī)構(gòu)、滅弧室結(jié)構(gòu)及分合閘速度特性等。并對(duì)設(shè)計(jì)得到的負(fù)荷開(kāi)關(guān)進(jìn)行了電場(chǎng)的仿真分析。關(guān)鍵詞：電容器組；SF6；負(fù)荷開(kāi)關(guān)；設(shè)計(jì)方案中圖分類號(hào)： TM51 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：AThe Design Scheme of 126kV Load Switch for Capacit

2、or Banks SwitchingLI Xin-yi1, ZHENG Jia-huan2, LIU wei1, Liu Gang2, HE Ping-jun1, Xiu Shi-xin2（1. Xian XD High Voltage Apparatus Co. Ltd, Shaanxi, ,China; 2 School of Electrical Engineering, Xian Jiaotong University, Xian, Shaanxi, , China）Abstract According to the requirements for capacitor switchi

3、ng, the technical conditions for load switch are analyzed and the design scheme is put forward in this paper. The overall structure, operation mechanism, arc chamber and velocity characteristics are designed. After the load switch was designed, the electric field in arc chamber was simulated and ana

4、lyzed.Key words capacitor banks;SF6; load switch; design scheme0引言負(fù)荷開(kāi)關(guān)在投切并聯(lián)電容器組時(shí)，可能會(huì)發(fā)生重燃而產(chǎn)生重燃過(guò)電壓。負(fù)荷開(kāi)關(guān)開(kāi)斷后，斷口電壓超過(guò)負(fù)荷開(kāi)關(guān)介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度，就會(huì)發(fā)生負(fù)荷開(kāi)關(guān)重燃而使電路接通，由于電容器初始電壓與其穩(wěn)態(tài)電壓不同，回路中會(huì)產(chǎn)生暫態(tài)振蕩過(guò)程，從而出現(xiàn)較高水平的過(guò)電壓。為了抑制分閘過(guò)電壓的產(chǎn)生，就要采取措施快速提高負(fù)荷開(kāi)關(guān)斷口的介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度，避免分閘重燃的發(fā)生。同時(shí)，當(dāng)并聯(lián)電容器合閘投運(yùn)時(shí),將對(duì)電容器組進(jìn)行充電,這時(shí)會(huì)產(chǎn)生幅值很大頻率很高的暫態(tài)過(guò)電流，即合閘沖擊涌流，當(dāng)合閘涌流較大時(shí)，也會(huì)對(duì)觸頭造成

5、一定的燒蝕，影響負(fù)荷開(kāi)關(guān)的開(kāi)斷性能1-3。因此，需要設(shè)計(jì)專用負(fù)荷開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)，使其能夠承受電容器組的合閘涌流，同時(shí)分閘時(shí)斷口的介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度足夠高，避免重燃的發(fā)生。負(fù)荷開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)要先從整體出發(fā)，結(jié)合所使用的場(chǎng)合對(duì)負(fù)荷開(kāi)關(guān)的總體進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括整體結(jié)構(gòu)、操縱機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)方案等的選??；其次，還要對(duì)滅弧室的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括行程配合、觸頭結(jié)構(gòu)等。1負(fù)荷開(kāi)關(guān)的技術(shù)要求本文所設(shè)計(jì)的負(fù)荷開(kāi)關(guān)投切的電容器組的額定參數(shù)為：額定電壓126 kV，額定電容器組開(kāi)斷電流1600 A，額定電容器組關(guān)合涌流9.3 kA。參考DL/T6151997交流高壓負(fù)荷開(kāi)關(guān)參數(shù)選用導(dǎo)則，本次設(shè)計(jì)的負(fù)荷開(kāi)關(guān)的工頻耐受電壓，斷口間為275 kV

6、，相間為275 kV;雷電沖擊耐受電壓斷口間和相間均為650 kV。2 負(fù)荷開(kāi)關(guān)的總體設(shè)計(jì) 在設(shè)計(jì)負(fù)荷開(kāi)關(guān)時(shí)，考慮到投切電容器組操作頻繁等特點(diǎn)，首先設(shè)計(jì)了開(kāi)關(guān)整體結(jié)構(gòu)、操縱機(jī)構(gòu)和傳動(dòng)方案。2.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 在整體結(jié)構(gòu)的選擇中，傳統(tǒng)的電氣聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)受外界影響較多，非全相動(dòng)作對(duì)電網(wǎng)沖擊較大，同時(shí)對(duì)設(shè)備也有一定的損傷，這是一定要避免的。而負(fù)荷開(kāi)關(guān)的操作較為頻繁，更需要考慮機(jī)械壽命以及機(jī)械操作的穩(wěn)定性，因而本設(shè)計(jì)采用較成熟的三相機(jī)械聯(lián)動(dòng)方案，提高三相同期性。其外形結(jié)構(gòu)及主要尺寸如圖1所示。圖1 負(fù)荷開(kāi)關(guān)試品外形圖Fig.1 The outline drawing of the load switch

7、2.2操縱機(jī)構(gòu)的選擇 結(jié)合仿真計(jì)算和耦合分析的結(jié)果，首先對(duì)負(fù)荷開(kāi)關(guān)的機(jī)械特性進(jìn)行了選擇。合閘速度的確定要考慮操動(dòng)機(jī)構(gòu)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)以及機(jī)械可靠性的要求，為了減小合閘預(yù)擊穿造成的觸頭燒蝕，適當(dāng)提高了合閘速度，確定合閘速度為7 m/s，相應(yīng)增大了合閘操作功；而考慮到機(jī)械壽命和操作的穩(wěn)定性分閘速度確定為5 m/s。1.安裝框架 2.機(jī)構(gòu)輸出 3.機(jī)構(gòu)框架4.分合閘繼電器 5.加熱板 6.碟簧組圖2 操縱機(jī)構(gòu)外形圖Fig.2 The outline drawing of the operating mechanism 在確定負(fù)荷開(kāi)關(guān)的機(jī)械特性之后，結(jié)合選定的分合閘速度對(duì)負(fù)荷開(kāi)關(guān)使用的操縱機(jī)構(gòu)進(jìn)行選擇

8、。本次設(shè)計(jì)的負(fù)荷開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)選用技術(shù)成熟的液壓操縱機(jī)構(gòu)4。最終確定采用CYA6型液壓碟簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)，機(jī)構(gòu)外形如圖2所示。2.3傳動(dòng)方案設(shè)計(jì) 由于該負(fù)荷開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)中分合閘速度較高，機(jī)構(gòu)分合閘操作功能量較大，所以對(duì)操縱機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)也就提出了更高的要求，為了增強(qiáng)系統(tǒng)機(jī)械強(qiáng)度及穩(wěn)定性，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用水平雙拉桿結(jié)構(gòu)，其示意圖見(jiàn)如圖3所示。1.本體 2.安裝板 3.連板 4.水平拉桿 5.邊相拐臂 6.中間相拐臂圖3 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖Fig.3 The schematic diagram of the transmission mechanism3 滅弧室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 本文設(shè)計(jì)的滅弧室采用混合式結(jié)構(gòu)，壓氣與熱膨脹在一個(gè)

9、氣室內(nèi)完成，負(fù)荷開(kāi)關(guān)分閘時(shí)，拉桿帶動(dòng)開(kāi)關(guān)氣缸的活塞高速運(yùn)動(dòng)，當(dāng)動(dòng)觸頭和靜觸頭分離時(shí)，電流沿著仍然關(guān)合的弧觸頭流動(dòng)，當(dāng)動(dòng)弧觸頭和靜弧觸頭分離時(shí)，由于電壓的存在，動(dòng)、靜弧觸頭之間會(huì)產(chǎn)生電弧5。 分閘運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，一方面壓氣缸內(nèi)的SF6氣體被壓縮增壓，同時(shí)電弧堵塞噴口；另一方面，電弧產(chǎn)生熱量同樣會(huì)對(duì)壓氣缸內(nèi)的SF6氣體增壓。在分閘過(guò)程中，高速的SF6氣體通過(guò)噴口將氣體聚集，吹向電弧，以便對(duì)電弧進(jìn)行冷卻，電弧在過(guò)零點(diǎn)熄滅，此后只要SF6的介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度大于斷口間的電壓恢復(fù)強(qiáng)度6，電弧就被成功開(kāi)斷，圖4為滅弧原理圖。1.靜主觸頭 2.靜主觸頭 3.噴口 4.電弧5.動(dòng)弧觸頭 6.動(dòng)主觸頭7.支持件 8.壓氣

10、缸圖4 滅弧原理圖Fig.4 The principle diagram of arc extinguishing chamber 滅弧室設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于滿足負(fù)荷開(kāi)關(guān)的開(kāi)合要求，同時(shí)能夠達(dá)到高的機(jī)械和電氣壽命，在設(shè)計(jì)時(shí)除考慮正常的開(kāi)合性能以外，還重點(diǎn)考慮了弧觸頭的燒蝕問(wèn)題。 主觸頭處采用插接式結(jié)構(gòu)，保證開(kāi)關(guān)正常通流能力；弧觸頭處采用插入式結(jié)構(gòu)，減小弧觸頭因頻繁燒蝕后導(dǎo)致?lián)舸﹫?chǎng)強(qiáng)降低的影響，保證開(kāi)關(guān)的開(kāi)斷性能，同時(shí)改善了電場(chǎng)。負(fù)荷開(kāi)關(guān)總行程為150 mm，其中超程為32 mm。滅弧室整體結(jié)構(gòu)如圖5所示。圖5 滅弧室結(jié)構(gòu)圖Fig.5 The structure diagram of the arc

11、chamber4 負(fù)荷開(kāi)關(guān)電場(chǎng)仿真分析在完成了負(fù)荷開(kāi)關(guān)的基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之后，本文利用有限元分析軟件ANSYS對(duì)負(fù)荷開(kāi)關(guān)的電場(chǎng)進(jìn)行仿真分析，仿真的內(nèi)容主要為雷電沖擊電壓時(shí)的電場(chǎng)、工頻耐壓條件下的電場(chǎng)以及整個(gè)分閘過(guò)程的電場(chǎng)7-10。在電場(chǎng)計(jì)算中，具體計(jì)算條件為：動(dòng)弧觸頭、動(dòng)主觸頭、動(dòng)側(cè)結(jié)構(gòu)部件金屬連接件以及無(wú)窮遠(yuǎn)邊界0=0，而靜弧觸頭、靜主觸頭及靜側(cè)結(jié)構(gòu)部件金屬連接件處的電壓根據(jù)計(jì)算內(nèi)容的不同設(shè)置不同電壓數(shù)值。4.1雷電沖擊電壓條件下的電場(chǎng)仿真本文計(jì)算了雷電沖擊電壓時(shí)的電場(chǎng)分布情況，此時(shí)的靜弧觸頭、靜主觸頭及靜側(cè)結(jié)構(gòu)部件金屬連接件處的電壓為650 kV。雷電沖擊電壓的計(jì)算結(jié)果如圖6和圖7所示。 圖6

12、 雷電沖擊電壓條件下的電場(chǎng)分布圖 圖7 雷電沖擊電壓條件下動(dòng)弧觸頭處電場(chǎng)分布圖 Fig.6 The electric field distribution in the lightning impulse Fig.7 The electric field distribution of the moving arc voltage contact in the lightning impulse voltage由仿真結(jié)果可知，雷電沖擊電壓時(shí)，滅弧室內(nèi)的電場(chǎng)主要分布在觸頭之間。滅弧室內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度的最大值為17.32 kV/mm，最大值出現(xiàn)在動(dòng)弧觸頭處。此時(shí)的電場(chǎng)強(qiáng)度最大值小于SF6氣體的擊穿場(chǎng)強(qiáng)2

13、9 kV/mm，說(shuō)明滅弧室的絕緣強(qiáng)度可以滿足雷電沖擊電壓條件下的要求。4.2工頻耐壓條件下的電場(chǎng)仿真 在開(kāi)關(guān)的額定絕緣水平的計(jì)算中，除了雷電沖擊電壓條件外，還需要計(jì)算工頻耐壓條件下的電場(chǎng)分布情況。在計(jì)算負(fù)荷開(kāi)關(guān)內(nèi)部工頻耐壓條件下的電場(chǎng)分布時(shí)，具體條件為靜弧觸頭、靜主觸頭及靜側(cè)結(jié)構(gòu)部件金屬連接件處的電壓為275 kV。工頻耐壓條件下的電場(chǎng)計(jì)算結(jié)果如圖8和圖9所示。 圖8 工頻耐壓條件下的電場(chǎng)分布圖 圖9 工頻耐壓條件下動(dòng)弧觸頭處電場(chǎng)分布圖Fig .8 The electric field distribution in the power- Fig.9 The electric field di

14、stribution in the power- frequency frequency withstand voltage withstand voltage 由仿真結(jié)果可知，在工頻耐壓條件下滅弧室內(nèi)的電場(chǎng)主要分布在觸頭之間。滅弧室內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度的最大值為7.33 kV/mm，最大值出現(xiàn)在靜主觸頭處。工頻耐壓條件下電場(chǎng)強(qiáng)度的最大值也未達(dá)到SF6氣體的擊穿場(chǎng)強(qiáng)，滿足滅弧室的絕緣強(qiáng)度要求。4.3整個(gè)分閘過(guò)程的電場(chǎng)仿真在負(fù)荷開(kāi)關(guān)分閘過(guò)程中，電流通過(guò)動(dòng)、靜主觸頭接通,在開(kāi)斷過(guò)程中，動(dòng)、靜弧觸頭先分離，電流由主觸頭轉(zhuǎn)移到弧觸頭上流通，動(dòng)、靜弧觸頭分離后產(chǎn)生電弧。為了保證電弧復(fù)燃后仍產(chǎn)生于動(dòng)靜弧觸頭之間，在

15、進(jìn)行斷口間絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)一定要使同一時(shí)刻的動(dòng)，靜弧觸頭表面場(chǎng)強(qiáng)高于動(dòng)，靜主觸頭表面最大場(chǎng)強(qiáng)。為此，本文計(jì)算了整個(gè)分閘過(guò)程中滅弧室內(nèi)的電場(chǎng)強(qiáng)度分布情況，研究其結(jié)構(gòu)是否能滿足斷口間的絕緣配合。由于本文設(shè)計(jì)的負(fù)荷開(kāi)關(guān)是用于投切電容器組，因此其開(kāi)斷的電流為容性電流，在分閘過(guò)程中，靜弧觸頭、靜主觸頭及靜側(cè)結(jié)構(gòu)部件金屬連接件處施加的電壓為瞬態(tài)恢復(fù)電壓。根據(jù)相關(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，瞬態(tài)恢復(fù)電壓的具體施加方法為，剛分后每毫秒電壓增加35.3 kV，時(shí)間持續(xù)到剛分后8.7 ms，此后的電壓為工頻電壓。圖10為分閘過(guò)程中剛分后1 ms的電場(chǎng)強(qiáng)度分布情況。由于負(fù)荷開(kāi)關(guān)的分閘速度為7 m/s，故此時(shí)的開(kāi)距為7 mm，斷口間的

16、電壓為35.3 kV。圖10 分閘過(guò)程中剛分后1 ms的電場(chǎng)分布圖Fig.10 The electric field distribution at 1 ms after opening 由圖10可以看出，在剛分后1 ms時(shí)，滅弧室內(nèi)部的電場(chǎng)主要集中在觸頭區(qū)域，電場(chǎng)強(qiáng)度最大值為5.566 kV/mm，出現(xiàn)在動(dòng)弧觸頭處。圖11為分閘過(guò)程中剛分后8.7 ms的電場(chǎng)強(qiáng)度分布情況，此時(shí)的開(kāi)距為60.9 mm，斷口間的電壓為307.11 kV。圖11 分閘過(guò)程中剛分后8.7 ms的電場(chǎng)分布圖Fig.11 The electric field distribution at 8.7 ms after in

17、stant of contacts separating由圖11可以看出，在剛分后8.7 ms時(shí)，滅弧室內(nèi)部的電場(chǎng)也主要集中在觸頭區(qū)域，電場(chǎng)強(qiáng)度最大值達(dá)到了14.01 kV/mm，出現(xiàn)在動(dòng)弧觸頭處。通過(guò)對(duì)負(fù)荷開(kāi)關(guān)分閘過(guò)程的電場(chǎng)的仿真計(jì)算，可以得到整個(gè)分閘過(guò)程的電場(chǎng)強(qiáng)度最大值變化情況。圖12為剛分后8.7 ms前電場(chǎng)強(qiáng)度最大值隨開(kāi)距變化的曲線。圖12 剛分后8.7 ms內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度最大值變化曲線Fig.12 The maximum of the electric field intensity in 8.7 ms after instant of contacts separating由剛分后8.

18、7 ms前各個(gè)時(shí)間的電場(chǎng)仿真結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)，在剛分后8.7 ms前，隨著瞬態(tài)恢復(fù)電壓的增大，滅弧室內(nèi)的電場(chǎng)強(qiáng)度始終集中在觸頭區(qū)域，并且隨著分閘過(guò)程的進(jìn)行，電場(chǎng)強(qiáng)度最大值逐漸增大，8.7 ms時(shí)電場(chǎng)強(qiáng)度的最大值達(dá)到了14.01 kV/mm，始終小于SF6氣體的擊穿場(chǎng)強(qiáng)。剛分8.7 ms以后，由于觸頭間所加的電壓為126 kV的工頻電壓，相比于8.7 ms時(shí)的307.11 kV小很多，所以這個(gè)階段內(nèi)滅弧室內(nèi)的電場(chǎng)強(qiáng)度相比8.7 ms之前減小很多，并且隨著開(kāi)距的增大，電場(chǎng)強(qiáng)度逐漸減小。圖13為剛分后8.8 ms時(shí)的電場(chǎng)分布圖。圖13 剛分后8.8 ms時(shí)的電場(chǎng)分布圖Fig.13 The electr

19、ic field distribution at 8.8 ms after instant of contacts separating隨著開(kāi)距的增大，滅弧室內(nèi)的電場(chǎng)逐漸減小，在開(kāi)距達(dá)到118 mm時(shí)，滅弧室內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度最小。開(kāi)距達(dá)到118 mm時(shí)的電場(chǎng)強(qiáng)度的分布圖如圖14所示。圖14 觸頭完全打開(kāi)時(shí)的電場(chǎng)分布圖Fig.14 The electric field distribution of the contacts opening completely由仿真結(jié)果可知，由于8.7 ms以后，觸頭間所加電壓一直為126 kV的工頻電壓，隨著開(kāi)距的增加，滅弧室內(nèi)的電場(chǎng)強(qiáng)度不斷減小。行程達(dá)到118 mm時(shí)，滅弧室內(nèi)的電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到最小，為3.35 kV/mm，此時(shí)電場(chǎng)強(qiáng)度最大值出現(xiàn)在靜觸頭處。因此在整個(gè)分閘過(guò)程中，滅弧室內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度的最大值始終出現(xiàn)在弧觸頭處，大于主觸頭處的電場(chǎng)強(qiáng)度，滿足設(shè)計(jì)要求。5總結(jié)本文根據(jù)用于投切電容器組的負(fù)荷開(kāi)關(guān)參數(shù)，對(duì)負(fù)荷開(kāi)關(guān)各部分結(jié)構(gòu)逐步進(jìn)行了設(shè)計(jì)，提出了滿足實(shí)際使用要求的設(shè)計(jì)方案。通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)方案的雷電沖擊下以及工頻耐壓下的電場(chǎng)進(jìn)行仿真計(jì)算，發(fā)現(xiàn)電場(chǎng)最集中的點(diǎn)處的電場(chǎng)強(qiáng)度小于SF6氣體的擊穿場(chǎng)