馬永旭，王占杰，孫玉洲，王巧紅，李宇鵬

（平高集團(tuán)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(kāi)關(guān)的研制

馬永旭，王占杰，孫玉洲，王巧紅，李宇鵬

（平高集團(tuán)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(guó)特高壓直流輸電工程對(duì)低壓側(cè)直流隔離開(kāi)關(guān)機(jī)械、電氣、耐地震等性能的要求，較詳細(xì)地介紹了ZGW5-100D/ J5500型高壓直流隔離開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)、試制及試驗(yàn)等研制情況。試驗(yàn)結(jié)果表明所研制ZGW5-100D/J5500型高壓直流隔離開(kāi)關(guān)的技術(shù)參數(shù)和性能指標(biāo)等均滿(mǎn)足我國(guó)目前特高壓直流輸電工程的要求。

高壓直流隔離開(kāi)關(guān)；換流站；雙柱水平開(kāi)啟單斷口；機(jī)械電氣性能

1 概述

國(guó)家“十二五”規(guī)劃綱要明確提出，適應(yīng)大規(guī)模跨區(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(jìn)一步擴(kuò)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(yuǎn)距離先進(jìn)輸電技術(shù)。據(jù)國(guó)家電網(wǎng)的規(guī)劃，“十二五”期間國(guó)家將建成11項(xiàng)特高壓直流輸電工程，100 kV直流隔離開(kāi)關(guān)作為特高壓直流工程換流站直流場(chǎng)設(shè)計(jì)布置的重要設(shè)備之一，是其他直流設(shè)備進(jìn)行檢修的安全保障，因此，為了滿(mǎn)足我國(guó)特高壓直流工程的需要，結(jié)合國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的隔離開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)理念，自行設(shè)計(jì)、研制出了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的ZGW5-100D/J5500型高壓直流隔離開(kāi)關(guān)。

2 正常使用條件

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

正常使用環(huán)境條件：

（1）周?chē)諝鉁囟龋?40℃～+40℃；

（2）海拔： 不超過(guò)3 000 m；

（3）風(fēng)速： 不超過(guò)34 m/s；

（4）覆冰厚度： 不大于10 mm；

（5）抗震水平： AG5；

（6）安裝場(chǎng)所應(yīng)無(wú)經(jīng)常性的劇烈振動(dòng)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(biāo)

3.1 產(chǎn)品分類(lèi)及技術(shù)參數(shù)

ZGW5-100D/J5500型高壓直流隔離開(kāi)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(biāo)

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

（2）隔離開(kāi)關(guān)及其附裝的接地開(kāi)關(guān)采用CJ11A型電動(dòng)機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)，分、合閘操作時(shí)間均為12 s±2 s。

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

（4）隔離開(kāi)關(guān)及其附裝的接地開(kāi)關(guān)分、合閘操作時(shí)，所需的操作力不超過(guò)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(kāi)關(guān)與其附裝的接地開(kāi)關(guān)具有機(jī)械聯(lián)鎖功能，以保證隔離開(kāi)關(guān)合閘時(shí)，接地開(kāi)關(guān)不能合閘，接地開(kāi)關(guān)合閘時(shí)，隔離開(kāi)關(guān)不能合閘。

4 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)性能分析與計(jì)算

4.1 產(chǎn)品總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

ZGW5-100D/J5500型高壓直流隔離開(kāi)關(guān)采用雙柱水平開(kāi)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(dòng)機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)等組成；根據(jù)需要可附裝一套或兩套直流接地開(kāi)關(guān)，直流接地開(kāi)關(guān)采用直掄式結(jié)構(gòu)，布置方式與隔離開(kāi)關(guān)底座平行。隔離開(kāi)關(guān)配用CJ11A型電動(dòng)機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行分、合閘操作；直流接地開(kāi)關(guān)配用CJ11A型電動(dòng)機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行分、合閘操作；隔離開(kāi)關(guān)和接地開(kāi)關(guān)之間裝有機(jī)械聯(lián)鎖裝置，可確保隔離開(kāi)關(guān)或接地開(kāi)關(guān)不發(fā)生誤操作?？傮w結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 ZGW5-100D/J5500型高壓直流隔離開(kāi)關(guān)

通過(guò)對(duì)ZGW5-100D/J5500型高壓直流隔離開(kāi)關(guān)進(jìn)行電場(chǎng)的校核及優(yōu)化，初步確定其斷口及對(duì)地絕緣距離；同時(shí)，結(jié)合國(guó)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(kāi)關(guān)的總體尺寸。

圖2 分閘狀態(tài)電場(chǎng)計(jì)算

圖3 合閘狀態(tài)電場(chǎng)計(jì)算

在施加170 kV直流電壓情況下，計(jì)算的結(jié)果為：分閘狀態(tài)的電場(chǎng)強(qiáng)度為1.826 kV/mm，合閘狀態(tài)的電場(chǎng)強(qiáng)度為1.951 kV/mm，如圖2和圖3所示。滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，并得到試驗(yàn)驗(yàn)證。

4.2 通流能力設(shè)計(jì)

由于ZGW5-100D/J5500型高壓直流隔離開(kāi)關(guān)作為特高壓直流輸電工程換流站的重要開(kāi)關(guān)設(shè)備，是直流輸電線(xiàn)路中的一個(gè)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(guò)負(fù)荷電流為6 300 A；同時(shí)由于直流輸電工程通常都是以額定電流運(yùn)行，因此對(duì)導(dǎo)電部分的可靠性要求較高，在設(shè)備運(yùn)行過(guò)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(gè)設(shè)備的正常運(yùn)行。為此，利用發(fā)熱和散熱平衡原理對(duì)主導(dǎo)電系統(tǒng)進(jìn)行了通流能力計(jì)算；并利用Ansys軟件對(duì)熱平衡狀態(tài)時(shí)主導(dǎo)電系統(tǒng)的溫度場(chǎng)進(jìn)行了計(jì)算和優(yōu)化；在此基礎(chǔ)上對(duì)主導(dǎo)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)做了全新的設(shè)計(jì)。在接線(xiàn)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(mǎn)足了主導(dǎo)電系統(tǒng)通流的需要。

4.3 機(jī)械傳動(dòng)設(shè)計(jì)

隔離開(kāi)關(guān)傳動(dòng)系統(tǒng)采用優(yōu)化的四連桿結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)時(shí)，為了減輕操作力矩，使分合閘終點(diǎn)位置能自鎖，往往使主動(dòng)拐臂在分閘或合閘位置，都處于相應(yīng)的死點(diǎn)位置，即δ=180°；當(dāng)隔離開(kāi)關(guān)主軸A轉(zhuǎn)角θ選定后，計(jì)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(jì)出滿(mǎn)足要求的傳動(dòng)系統(tǒng)。四連桿傳動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖4，計(jì)算過(guò)程如下。

（1）先選定主軸A轉(zhuǎn)角θ（對(duì)于雙柱水平單斷口隔離開(kāi)關(guān)θ取90°）、主動(dòng)拐臂中心到底座中心線(xiàn)的垂直距離h、主動(dòng)拐臂中心到主軸A水平距離m、被動(dòng)拐臂長(zhǎng)度R1。

（2）計(jì)算求出主動(dòng)拐臂長(zhǎng)度R2、連桿與兩中心連線(xiàn)的夾角β0、合閘位置時(shí)被動(dòng)拐臂與兩中心連線(xiàn)的夾角α、連桿長(zhǎng)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(jì)算得出β0=7.5°，α=52.5°，R2= 141.42 mm，L=1 216.82 mm。

4.4 機(jī)械強(qiáng)度校核

委托鄭州機(jī)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(kāi)關(guān)的抗震性能，計(jì)算結(jié)果表明，該直流隔離開(kāi)關(guān)抗震水平可以滿(mǎn)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(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

圖5 地震性能計(jì)算

5 產(chǎn)品通過(guò)的型式試驗(yàn)項(xiàng)目

ZGW5-100D/J5500型高壓直流隔離開(kāi)關(guān)在國(guó)家高壓電器質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心等進(jìn)行了全部型式試驗(yàn)，試驗(yàn)項(xiàng)目符合相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求，試驗(yàn)結(jié)果合格。試驗(yàn)結(jié)果證明其性能全部滿(mǎn)足ZGW5-100D/J5500型高壓直流隔離開(kāi)關(guān)的技術(shù)要求，并有一定的裕度。

完成的試驗(yàn)項(xiàng)目主要有：

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

（2）溫升試驗(yàn)、2 h過(guò)負(fù)荷電流的溫升試驗(yàn)及輔助回路的溫升試驗(yàn)；

（3）隔離開(kāi)關(guān)和附裝的接地開(kāi)關(guān)回路電阻測(cè)量；

（4）隔離開(kāi)關(guān)和附裝的接地開(kāi)關(guān)額定端子靜態(tài)機(jī)械負(fù)荷時(shí)的操作試驗(yàn)；

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

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

6 結(jié)束語(yǔ)

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

（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(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)軸承的侵蝕；轉(zhuǎn)動(dòng)部位采用自潤(rùn)滑軸套，操作靈活；零部件通用性好，系列化程度高。

（2）隔離開(kāi)關(guān)及附裝的接地開(kāi)關(guān)無(wú)論在合閘位置或分閘位置時(shí)，其主動(dòng)拐臂均處于死點(diǎn)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(jiǎn)單，可靠性較高，通流能力強(qiáng)。產(chǎn)品絕緣水平高、防腐能力好、機(jī)械壽命長(zhǎng)、外形美觀。完全滿(mǎn)足目前我國(guó)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(guó)電力出版社，2004.

［2］鐘振蛟.戶(hù)外隔離開(kāi)關(guān)導(dǎo)電回路過(guò)熱的起因及對(duì)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(xiàn)直流隔離開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)與計(jì)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(kāi)關(guān)的研制及應(yīng)用［J］.機(jī)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(jí)工程師。研究領(lǐng)域：高壓開(kāi)關(guān)產(chǎn)品設(shè)計(jì)與研發(fā)。

(編輯：阮 毅)

2013－08－26