提高10 kV环保型环网柜接地开关短路关合能力的措施.pdf

今 日 自 动 化Automation Today自动化技术与应用Automation technology and Application88 2 0 2 3.5 今日自动化2 0 2 3 年第5 期2023 No.5全球气候变化是21世纪人类面临的最艰巨的挑战之一1。近年来，国家“双碳”战略相关政策密集出台，中国南方电网公司在发布的建设新型电力系统行动方案白皮书中提到，将更大规模推动新能源发展，更大力度推进“新电气化”进程。“去 SF6化”工作是电力开关行业亟需解决的问题，也是电力开关设备研究、制造领域不可推卸的责任和义务。环保型环网柜（以下简称“环保柜”）以干燥空气作为绝缘介质，不含任何温室气体，将是 SF6充气环网柜的主要替代产品之一，也将成为我国10 kV 配电网领域的主流产品。1 环保柜接地开关短路关合能力问题在南方电网10 kV 配电网系统中，大部分的环网箱（柜）进出线方案的断路器单元柜，采用线路侧三工位隔离接地开关的方案，也称为“上断路器下隔离”（见图1）的一次方案。该方案照顾南方电网区域的运维操作习惯，当检修环网柜要挂接地线时，操作简单：分断路器分隔离开关合接地开关。但是该方案相对于母线侧三工位隔离接地开关的断路器单元柜，也称为“上隔离下断路器”（见图2）来说，对接地开关提出了更高的要求。该方案开关结构紧凑，隔离开关和接地开关设计为一体式的三工位隔离接地开关（见图3）。由刀闸式的接地开关来承担环网柜接地关合的功能，接地开关必须具有关合50 kA，甚至是63 kA峰值电流的能力2-3。在非 SF6气体介质中，提高接地开关短路关合能力，是该类产品的关键技术。据不完全统计，环保柜接地关合失败的原因，有80%以上是由于开关合闸时，预击穿电弧过大和合闸瞬间电流过大，动触刀、接地静触头过热而熔焊、烧损造成的。图1 上断路器方案一次接线 图2 上隔离方案一次接线三工位开关隔离合闸地刀合闸隔离分闸图3 三工位开关2 减少预击穿电弧和触头发热的措施2.1 提高接地开关合闸速度在接地开关关合短路电流过程中，由于短路电流的电动力减弱了合闸的操作力，动触刀与静触头尚未接触前发生击穿而产生电弧，可能使触刀、触头熔焊摘 要针对10 kV 环保型环网柜（以下简称“环保柜”）接地开关短路关合能力不足的问题，结合环保柜设计和试验情况，从降低预击穿电弧影响和提高触头耐烧损等方面，详细介绍了提高环保柜接地关合能力的措施。这些措施易于实现，效果明显，对10 kV 环保型环网柜设计具有重要的参考价值和指导意义。关键词环保；环网柜；接地开关；短路关合能力中图分类号TM643 文献标志码A 文章编号20956487（2023）05008803Measures to Improve the Short-circuit Making Ability of the Earthing Switch of the 10 kV Environmentally Friendly Ring Main UnitLIN WeiAbstractAiming at the problem of insufficient short-circuit making capacity of earthing switch of 10 kV environmentally friendly Ring Main Unit(hereinafter referred to as environmentally friendly Unit),combined with the design and test of environmentally friendly Unit,the measures to improve the short-circuit making capacity of environmentally friendly Unit are introduced in detail from the aspects of reducing the influence of pre-strike arc and improving the burn resistance of contacts.These measures are easy to achieve and have obvious effects,which have important reference value and guiding significance for the design of 10 kV environmentally friendly Ring Main Unit.Keywordsenvironmentally friendly;ring main unit;earthing switch;short-circuit making capacity提高1 0 k V 环保型环网柜接地开关短路关合能力的措施林蔚（广东正超电气有限公司，广东汕头51504）今 日 自 动 化Automation Today自动化技术与应用Automation technology and Application2 0 2 3.5 今日自动化 892 0 2 3 年第5 期2023 No.5及烧损。提高接地开关的合闸速度，减少预击穿时间，能有效提高环保柜接地开关短路关合能力。从试验经验总结，环保柜接地开关合闸速度，要在触刀与触头接触点处的线速度最少达到5 m/s 以上。加大接地开关操作机构的输出功，是提高接地开关合闸速度的直接有效方法。在现有的主流三工位开关操作机构的基础上，内嵌1根小弹簧，由原来的单弹簧机构改为“双弹簧”机构，是一个有效且方便实现的技术方案。该方案的巧妙之处是，两根弹簧受力的时间点并不相同，小弹簧在分位时并不受力，操作轴转动到接近大弹簧死点时，小弹簧才受力。接地刀闸动作的初始阶段，在大小弹簧共同作用下有足够的合闸速度，在接地刀闸动作的后半程，小弹簧又不受力，此时只有大弹簧在做功，这样可以减少接地静触头受到动触刀太大的冲击，减少合闸反弹。在不增加额外的操作力情况下，套嵌的小弹簧能提供一个辅助的动能，提高了接地开关的合闸速度。由于绝缘性能的考虑，接地开关的主传动轴通常采用非金属材料做成，在加大输出功后，接地开关主传动轴刚性不足的问题更为凸显，由此产生预击穿电弧，烧损触刀、触头，最终导致接地关合失败。加大操作机构输出功带来的另外一个负面影响是，合闸反弹过大，尤其是在强度、刚度最为薄弱的中间相。因此，针对性地加强三工位开关框架的强度，尤其是接地静触头安装横梁的强度，同时还在接地静触头处增加缓冲垫，以减少合闸反弹，是提高环保柜接地关合能力的必要措施。2.2 改善触刀、触头电场分布情况在均匀电场中，SF6气体的绝缘性能十分优良，SF6间隙的击穿场强大约是同等空气间隙的3倍，也就是说，在其他同等条件情况下，环保柜的接地关合的困难程度要远大于 SF6充气柜。电场分布越均匀，气隙的平均击穿场强也就越大。因此，可以通过改进电极形状的方法，来减小气隙中的最大电场强度，以改善电场分布，提高气隙的击穿电压。增大电极的曲率半径，消除电极表面的毛刺、电极表面尖角，都是可采用的有效方案。具体措施为：环保柜接地开关的动触刀和接地静触头，都采用大的圆弧过渡；动触刀、静触头都用砂纸打磨光滑，无尖端毛刺；动触刀弹簧紧固螺栓的位置加盖均压帽。另外，还可以改变接地静触头的形状，触头的形状由常规的直角形状改为倒大斜角形状，使触头靠近动触刀的位置形状，与动触刀运动轨迹圆的切向方向平行（见图4）。2.3 减少触刀与触头的接触电阻电器发热的来源在于内部的能量损耗，降低电器工作温度的主要途径就是设法减少损耗，电阻损耗（或称焦耳损耗）P=KfI2R（式中，Kf 为交流附加损耗系数）。因此，减少动触刀与静触头的接触电阻，是提高环保柜接地关合成功率的有效方案，具体措施如下。（1）选择合适的材料作为环保柜接地开关动触刀和静触头的基材。触刀、触头的基体材料可选择纯铜T2Y或铬锆铜C18150，纯铜T2Y的电导率56 Ms/m、抗拉强度295 MPa、硬度为70 HB，铬锆铜 C18150的电导率43 Ms/m、抗拉强度为540640 MPa、硬度为75 HB，纯铜 T2Y 的电气性能、经济性优于铬锆铜 C18150，机械性能方面铬锆铜 C18150优于纯铜T2Y，设计者可根据实际情况选择合适的触刀、触头基材。（2）加大动触刀的触头压力，防止动触刀、静触头由于接触不良造成接触电阻过大的情况。但是触刀的触头压力也不能设计得过大，过大的触头压力，会增加操作机构额外的负担和触头的机械损伤程度，反而造成接触不良、接触电阻过高的情况。另外，在计算动触刀触头压力时，还要考虑到高温对动触刀弹簧的影响，因此，尽量选用耐高温的触刀弹簧。根据试验经验总结，环保柜接地开关动触刀的触头压力在300350 N 之间比较合适。（3）开关触头间的接触方式以面接触最为合理。环保柜接地开关动触刀的尾部结构，通常设计为两个凸台，作为与接地静触头的接触点，接触点的结构设计为大圆弧状最为合适。另外，在动触刀两个接触点中间开一条极细的细缝，使动触刀尾端分为上下两部分，当接地开关合闸时，在触头压力的作用下，动触刀片的上下两部分会各自稍微弯曲变形，使凸台接触点与静触头良好接触（见图5）。3 提高触刀、触头耐烧损措施3.1 触刀、触头的截面积的选择环保柜接地开关在关合峰值电流时，触刀与触头的接触位置由于过电流和预击穿电弧的作用，会产生大量的热量，防止触刀、触头过热烧损，要选择合适截面积的触刀、触头。由于铜、铜合金材料价格较高，其占接地开关成本比例较高，因此，触刀、触头的截面选择要同时考虑可靠性和经济性。根据相关标准3平行图4 静触刀示意图今 日 自 动 化Automation Today自动化技术与应用Automation technology and Application90 2 0 2 3.5 今日自动化2 0 2 3 年第5 期2023 No.5计算并结合试验经验总结，对于关合50 kA 和63 kA的峰值电流，环保柜接地开关动触刀的尺寸，分别采用25 mm8 mm 和30 mm8 mm 的尺寸较为合适。3.2 动触刀、接地静触头镶嵌合金材3.2.1 合金材料的选择目前，在中高压开关行业，应用较广的耐高温触头材料是铜钨合金，其综合了金属钨和铜的优点，其中钨熔点高（钨熔点为3 410，铜熔点为1 080），密度大，铜的导电导热性能优越。常用的牌号有WCu50、WCu60、WCu70等，合金触点选择时，要兼顾到耐高温和导电、导热两方面的需求。根据试验经验总结，环保柜接地开关触头合金触点材料选择WCu60（硬度70 HB，导电47%IACS）较为合适。3.2.2 合金材料镶嵌位置的选择环保柜接地开关的触头镶嵌耐高温的铜钨合金触点，目的是为了让触头耐烧，不会过高温烧损。因此，铜钨合金触点应该镶嵌在接地关合过程中，触头温度最高的位置。如2.3所述，环保柜接地开关动触刀与接地静触头，采用两个凸台面接触，直接把铜钨合金镶嵌在动触刀与静触头的接触点（凸台面）上，是比较简单常规的方案，但经试验验证，该方案并不是最优方案，将环保柜接地开关的动触刀设计为单合金触点结构是更优的方案。单合金触点结构与双合金触点相比，经济性也更优。另外，环保柜接地开关的触头与触刀的接触区域，也可考虑设计为镶嵌合金材料的方案。该方案提高了静触头的耐烧损性能，但会出现“硬碰硬”的负面影响，加大了动、静触头机械损伤程度，甚至会造成铜钨合金触点脱落。设计者可根据关合峰值电流的大小，对接地静触头采用镶嵌铜钨合金的方案慎重选择。3.2.3 合金材料镶嵌方式的选择采用熔焊的工艺，把铜钨合金触点焊在触刀片上，是行业内较为普遍采用的把铜钨合金触点镶嵌进触刀基材中的工艺方法。现在也有一些制造厂商尝试采用冷压的工艺方法，把铜钨合金触点镶嵌进触刀基材中，由于铜钨合金触点的硬度很高，因此，该工艺方法是采用冷压触刀基材，触刀基材变形后“抱”紧铜钨合金触点。环保柜接地开关触刀镶嵌铜钨合金中，热焊和冷压两种工艺方法各有利弊，热焊工艺较为成熟，冷压工艺生产效率更高，设计者可根据生产量等实际情况做选择。4 结束语环保柜接地开关短路关合能否成功，除了上述影响因素外，还受到关合电流性质、电流方向、运行工况等影响，因此，在设计环保柜过程中，对于接地开关短路关合能力的考虑，要预留有足够的裕度，确保能够可靠的关合故障电流。参考文献1 3.6 kV40.5 kV 交流金属封闭开关设备和控制设备：GB/T39062020S.2 高压交流隔离开关和接地开关：GB/T19852014S.3 黎斌.SF6高压电器设计 M.北京：机械工业出版社，2003.图5 动触刀示意图