盧彥輝 張銀穗 孫英杰 王之軍

（平高集團有限公司）

0 引言

電力系統(tǒng)中接地開關(guān)是最重要的電力設(shè)備之一。在線路兩端安裝快速接地開關(guān)，其實質(zhì)是將故障點的開放性電弧轉(zhuǎn)化開關(guān)內(nèi)壓縮性電弧，使流經(jīng)開關(guān)的電流大大減小，容易開斷[1]。根據(jù)IEC 62271-102和GB 1985—2004對E1級接地開關(guān)的要求，快速接地開關(guān)應(yīng)具有兩次關(guān)合短路電流的能力，其中一次關(guān)合在額定電壓波的峰值處，此時產(chǎn)生一個對稱的短路電流以及最長的預(yù)擊穿電弧，該電流為額定短路電流的對稱分量；另一次關(guān)合在額定電壓波零點處，此時無預(yù)擊穿，產(chǎn)生一個完整的非對稱短路電流，該電流為額定短路關(guān)合電流[2]。

某1100kV快速接地開關(guān)在短路關(guān)合試驗時失敗，動靜觸頭燒毀嚴重，分析了試驗失敗的可能原因，提出了樣機改進方案，增加觸指接觸壓力和關(guān)合速度，優(yōu)化后的樣機順利完成短路關(guān)合試驗。

1 快速開關(guān)短路關(guān)合試驗

該1100kV快速接地開關(guān)要求短路關(guān)合電流有效值63kA，電流峰值171kA。試驗時第一次關(guān)合電流峰值148kA，有效值71.4kA，未能達到要求；第二次關(guān)合時電流峰值145kA，有效值73.1kA，機構(gòu)彈簧只能分開一半，內(nèi)部氣壓由0.41MPa迅速升至0.5MPa，殼體外殼溫度急劇升高，試驗終止。

試驗樣機解體后發(fā)現(xiàn)動觸頭燒損較輕，動觸指基本上無燒損，如圖1所示。靜觸頭及靜觸指燒損嚴重，幾乎完全熔化，如圖2所示。

圖1 動觸頭端燒損情況

圖2 靜觸頭端燒損情況

2 短路關(guān)合試驗失敗原因分析

從試驗后樣機解體情況可以看出，快速接地開關(guān)動觸指幾乎無燒損，動觸頭燒損較輕，靜觸頭及靜觸指燒損非常嚴重。靜觸頭端結(jié)構(gòu)如圖3所示。從現(xiàn)象分析可知，動觸頭合閘運動至預(yù)擊穿位置時，動觸頭和靜弧觸頭之間產(chǎn)生電弧，一方面可能合閘時間較長，電弧燒蝕時間長；另一方面動觸頭和靜觸指接觸后由于觸指抱緊力不夠?qū)е陆佑|電阻較大，在短路電 流通過時發(fā)熱嚴重。因此分析試驗失敗原因主要有三個方面：①靜弧觸頭或靜主觸指通流能力不足；②觸指接觸壓力太??；③合閘速度較低。

圖3 靜觸頭端結(jié)構(gòu)

2.1 靜弧觸頭和靜主觸指通流能力核算

由于產(chǎn)品之前已經(jīng)順利通過動熱穩(wěn)定試驗，可以確定靜主觸指通流沒有問題。

雖然合閘時電流從動觸頭經(jīng)靜主觸指流走，但是合閘到位之前預(yù)擊穿電弧經(jīng)過靜觸頭流走，因此靜弧 觸頭必須有短路電流耐受能力。根據(jù)計 算[3]，式中短路電流穩(wěn)定值Ig=63000A，短路的等效持續(xù)時間te=0.3s，材料的熱穩(wěn)定系數(shù)c=210，因此計算出最小通流面積Sg≥164mm2。經(jīng)核算，靜 弧觸頭實際最小截面積只有83mm2，不能滿足要求，因此需要優(yōu)化靜弧觸頭，優(yōu)化后的靜弧觸頭最小通流面積302mm2，如圖4所示。靜主觸指數(shù)量及布置做了相應(yīng)修改，如圖5所示。

圖4 靜弧觸頭優(yōu)化前后（下方為優(yōu)化后）

圖5 靜主觸指優(yōu)化前后（右方為優(yōu)化后）

2.2 觸指接觸壓力核算

觸頭通過短路電流時，電流流經(jīng)接觸點會出現(xiàn)電流收縮現(xiàn)象，產(chǎn)生收縮電動力[4-5]。準確計算短路電流產(chǎn)生的收縮電動力比較困難，因此常用實驗得到的經(jīng)驗公式校核觸頭動穩(wěn)定性。根據(jù)文獻[6]中經(jīng)驗公式

式中，Im為每片觸指流過的短路電流（峰值），A，本文中該值為7773A；Kb=5000，為銅-銅梅花觸頭系數(shù)；Fj為每個觸點的向心抱緊力。由式（1）求得Fj≥23.7N。

為了得出板簧實際的壓力值，選取新的板簧樣品，通過壓力測試儀器測得相關(guān)數(shù)據(jù)生成如圖6壓力與壓縮量關(guān)系曲線。然后根據(jù)板簧工作時的壓縮量，計算得出單片觸指接觸壓力約為10.7N，明顯小于最小要求值23.7N。

圖6 壓力測試儀測得的板簧壓力值曲線

基于以上計算分析，對樣機靜觸頭端結(jié)構(gòu)進行修改，增加板簧壓縮量，同時，參照相關(guān)產(chǎn)品的接觸壓力，最后確定優(yōu)化后的觸指接觸壓力為41N。

2.3 合閘速度核算

短路關(guān)合試驗時，觸頭電動力及觸頭接觸壓力形成的摩擦力是關(guān)合時的主要阻力，關(guān)合時合閘操作功必須大于阻力消耗的功才能可靠關(guān)合[2]，即

式中，m為動觸頭運動部件歸化到動觸頭處的歸化質(zhì) 量，取4.1kg；FD為觸頭電動力；Fj為觸頭的總接 觸壓力；LC為動觸頭插入靜觸指的深度；FDH為預(yù)擊穿時動觸頭的電動力；LDH為預(yù)擊穿時動觸頭與靜弧觸頭間的距離；f為摩擦系數(shù)。

式中，C為回路系數(shù)；Im為峰值短路電流。

因此，

因此，

由上式計算得出v≥3.76m/s，考慮到設(shè)計時需有一定安全系數(shù)，合閘速度取4.2m/s。

實際短路關(guān)合試驗時合閘速度3.7m/s，速度較低，可能是試驗失敗的原因之一。為了增加快速接地開關(guān)合閘速度，需對彈簧機構(gòu)進行調(diào)整改進。

3 樣機優(yōu)化設(shè)計與試驗測試

根據(jù)以上原因分析，對樣機進行了相應(yīng)改進： ①由于靜弧觸頭通流能力不足，改進了靜弧觸頭尺寸，相應(yīng)增加了觸指數(shù)量；②由于測得的觸指接觸壓力比計算得出的接觸壓力小得多，因此增加了觸指接觸壓力，保證觸頭接觸時接觸電阻足夠?。虎坭b于實際試驗時的合閘速度小于計算分析得出所需的合閘速度，因此通過增加彈簧預(yù)壓縮量的方式提高了彈簧機構(gòu)合閘速度?；谝陨显蚍治黾案倪M措施，重新投制了相關(guān)零部件，樣機重新裝配后順利完成短路關(guān)合試驗。

圖8 短路關(guān)合試驗照片

4 結(jié)束語

通過對1100kV快速接地開關(guān)試驗樣機某次短路關(guān)合試驗失敗原因分析，提出優(yōu)化改進措施。樣機根據(jù)改進措施完成優(yōu)化設(shè)計，并順利通過短路關(guān)合試驗。驗證了分析的正確性，同時為以后快速接地開關(guān)設(shè)計提供參考。主要得出以下結(jié)論：

1）快速接地開關(guān)試驗樣機靜觸頭最小截面積由83mm2增加為302mm2，保證了足夠通流能力。

2）觸指接觸壓力由10.7N增加為41N，關(guān)合短路電流時沒有發(fā)生熔焊或熔化現(xiàn)象。

3）短路關(guān)合速度由3.7m/s提高到4.2m/s，實現(xiàn)安全可靠關(guān)合。

[1]林莘, 何柏娜, 徐建源. 特高壓快速接地開關(guān)的研制[J]. 電器工業(yè), 2007(4): 51-54.

[2]張猛, 馬曾銳. ZF8-550/4000-63 GIS的研制[J]. 高壓電器, 2007, 43(6): 440-443.

[3]DL/T 621—1997 交流電氣裝置的接地[S]. 1998.

[4]T. Yamada, et al. Feature articles, UHV A. C. transmission system[J]. Journal of IEE of Japan, 1982, 102(11): 1-83.

[5]S. Handa, S. Matsuda. Auto-extinction characteristics of secondary arc on UHV transmission lines[C]. CIREPI Peport 181023, January 1982.

[6]黎斌. SF6高壓電器設(shè)計[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2010.