龔咪咪 駱常璐

（河南平芝高壓開關(guān)有限公司，河南平 頂山 467013）

隨著我國電力工業(yè)的高速發(fā)展和電壓等級的不斷提高，氣體絕緣封閉開關(guān)設(shè)備（GIS）在我國電力系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越廣泛。它是將斷路器、隔離開關(guān)、接地開關(guān)、電流互感器、電壓互感器、母線等元件組合封閉在接地的金屬殼體內(nèi)，充以一定壓力的SF6氣體作為絕緣介質(zhì)所組成的成套開關(guān)設(shè)備［1］。GIS占地面積少，受環(huán)境的影響小，不會產(chǎn)生噪音和無線電干擾，運(yùn)行安全可靠，因而自問世以來得到了快速發(fā)展［2-3］。

隔離開關(guān)的作用是在無負(fù)荷下合、分電路，起到輸送電力和安全隔離的作用，達(dá)到轉(zhuǎn)換電路和停電檢修的目的。其結(jié)構(gòu)形式和運(yùn)行的可靠性極大地關(guān)系到電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。在進(jìn)行隔離開關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，其操作功的計(jì)算十分必要，它直接決定操作機(jī)構(gòu)的選型是否正確，進(jìn)而影響隔離開關(guān)的動(dòng)作特性。所以，本文以550kV隔離開關(guān)為例，對其操作功的計(jì)算方法進(jìn)行了詳細(xì)的介紹和探討，并通過實(shí)際測量隔離開關(guān)的操作功，驗(yàn)證了計(jì)算方法的正確性。

1 隔離開關(guān)機(jī)構(gòu)操作功計(jì)算

1.1 隔離開關(guān)傳動(dòng)系統(tǒng)等效質(zhì)量計(jì)算

在計(jì)算操作功前，需要將隔離開關(guān)傳動(dòng)系統(tǒng)各部分質(zhì)量等效到機(jī)構(gòu)輸出端，以便進(jìn)行加速功能的計(jì)算。550kV GIS隔離開關(guān)的傳動(dòng)系統(tǒng)簡化圖如圖1所示。圖中A端為操作機(jī)構(gòu)輸出端，計(jì)算時(shí)需要將各部件質(zhì)量等效到A端，其計(jì)算公式如式（1）所示［4］。

圖1 隔離開關(guān)傳動(dòng)系統(tǒng)簡化圖

式中：m——隔離開關(guān)傳動(dòng)系統(tǒng)等效質(zhì)量（kg）；

m1、m2——連桿質(zhì)量（kg）；

m3——隔離開關(guān)分合閘觸頭運(yùn)動(dòng)部質(zhì)量（kg）；

a、b— —拐臂1尺寸（mm）；

c、d— —拐臂2尺寸（mm）；

I1、I2— —拐臂1、拐臂2的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg·mm2）。

以550kV GIS隔離開關(guān)為例，以上各參數(shù)數(shù)值如下表1所示。將表中各參數(shù)值代入式1，可得隔離開關(guān)傳動(dòng)系統(tǒng)等效質(zhì)量為：

表1 550kV GIS隔離開關(guān)計(jì)算等效質(zhì)量用各參數(shù)值

1.2 分閘加速動(dòng)能計(jì)算

隔離開關(guān)分閘時(shí)，觸頭分閘動(dòng)作的動(dòng)能大小計(jì)算公式如式（2）所示。

式中：A1——分閘加速動(dòng)能（N·m）；

m——運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)等效質(zhì)量（kg）；

vf——平均分閘速度（m/s）。

已知隔離開關(guān)平均分閘速度為vf=1.5m/s，則隔離開關(guān)分閘時(shí)的加速動(dòng)能為：

1.3 分閘時(shí)觸頭系統(tǒng)及密封件摩擦消耗功計(jì)算

式中：A2——分閘時(shí)觸頭系統(tǒng)及密封件摩擦消耗功（N·m）；

Pf1——主觸頭摩擦力（N）；

——主觸頭超程（m）；

Pf2——弧觸頭摩擦力（N）；

圖2 隔離開關(guān)主觸頭結(jié)構(gòu)

——弧觸頭超程（m）；

Pf3——轉(zhuǎn)動(dòng)密封件摩擦力（N）；

0——轉(zhuǎn)動(dòng)密封件行程（m）。

1.3.1 隔離開關(guān)主觸頭摩擦力計(jì)算

隔離開關(guān)主觸頭結(jié)構(gòu)如上圖所示，從圖紙可知隔離開關(guān)觸頭運(yùn)動(dòng)時(shí)的摩擦力與板簧壓力有關(guān)，已知圓周方向共有60個(gè)板簧，每個(gè)板簧的壓力為29.4N，觸頭摩擦系數(shù)取0.15，則主觸頭摩擦力為：Pf1=29.4×60×0.15=264.6N

1.3.2 隔離開關(guān)弧觸頭摩擦力計(jì)算

圖3 隔離開關(guān)弧觸頭結(jié)構(gòu)

隔離開關(guān)弧觸頭結(jié)構(gòu)如上圖所示，觸頭為懸臂梁結(jié)構(gòu)，一端固定，另一端受壓，已知觸頭由六瓣組成，運(yùn)動(dòng)時(shí)每瓣受到的壓力為49.27N，觸頭摩擦系數(shù)取0.15，則弧觸頭摩擦力為：

1.3.3 轉(zhuǎn)動(dòng)密封件摩擦力計(jì)算

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，分閘時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)密封件的摩擦力取150N，即有Pf3=150N［4］。

綜上，由隔離開關(guān)本體結(jié)構(gòu)可知，主觸頭的超程為35mm，弧觸頭的超程為51mm，轉(zhuǎn)動(dòng)密封件受摩擦力時(shí)對應(yīng)的行程為35mm，則可得分閘時(shí)觸頭系統(tǒng)及密封件摩擦消耗功A2為：

1.4 分閘時(shí)油緩沖器吸收的能量

操作機(jī)構(gòu)帶動(dòng)觸頭系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)時(shí)，需要帶動(dòng)油緩沖器一起動(dòng)作，而緩沖器工作時(shí)，油缸中的油經(jīng)排油孔高速排泄，形成較強(qiáng)的油流阻尼，將消耗一部分操作功，計(jì)算較復(fù)雜，常用經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)來處理，如公式（4）所示。

式中：A3——油緩沖器吸收能量（N·m）；

Af——機(jī)構(gòu)操作功（N·m）。

1.5 隔離開關(guān)機(jī)構(gòu)操作功計(jì)算

隔離開關(guān)機(jī)構(gòu)操作功計(jì)算公式如式（5）所示。

式中：ηf——傳動(dòng)交率，一般取0.90。

通過前述計(jì)算，可將各參數(shù)數(shù)值代入上面公式，從而得到隔離開關(guān)機(jī)構(gòu)操作功大小，即有：

2 隔離開關(guān)機(jī)構(gòu)操作功實(shí)際值測量

隔離開關(guān)機(jī)構(gòu)操作功計(jì)算完成后，根據(jù)操作功的計(jì)算值大小選擇合適的操作機(jī)構(gòu)與隔離開關(guān)本體匹配。隔離開關(guān)樣機(jī)裝配完成后，利用力矩測試儀對隔離開關(guān)實(shí)際動(dòng)作時(shí)的操作功大小進(jìn)行測量，測試儀圖片和測試過程如圖4、圖5所示。測試時(shí)，總共測試6次，結(jié)果如表2所示。

圖4 力矩測試儀

圖5 隔離開關(guān)操作功測試過程

從測試結(jié)果可知，隔離開關(guān)機(jī)構(gòu)操作功實(shí)際測試平均值為123N·m。而計(jì)算的理論值為115N·m，實(shí)際值比理論值大8N·m，誤差度約為7%，在10%范圍內(nèi)，從而驗(yàn)證了理論計(jì)算方法的正確性。

表2 隔離開關(guān)機(jī)構(gòu)操作功實(shí)際測試值

3 結(jié)論

本文以550kV GIS中新開發(fā)的隔離開關(guān)為例，首先確定了隔離開關(guān)操作功的計(jì)算模型和計(jì)算方法，然后根據(jù)隔離開關(guān)的結(jié)構(gòu)和相關(guān)尺寸，確定模型中各參數(shù)的意義和大小，從而計(jì)算出操作功的理論值。最后，在隔離開關(guān)樣機(jī)裝配完成后，通過實(shí)際測量操作功，發(fā)現(xiàn)操作功實(shí)測平均值與理論值的誤差度為7%，小于10%，進(jìn)而驗(yàn)證了計(jì)算模型和計(jì)算方法的正確性，為隔離開關(guān)操作機(jī)構(gòu)的正確選型提供了依據(jù)。

［1］邱毓昌.GIS裝置及其絕緣技術(shù)［M］.北京：水利電力出版社，1994.

［2］高有華，孫彤，申力，等.GIS中快速暫態(tài)過電壓的研究［J］.沈陽工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2008（4）：51-53.

［3］童彤.750kV特高壓GIS隔離開關(guān)特快速暫態(tài)過電壓（VFTO）的危害及預(yù)防［J］.新疆電力，2006（4）：17-23.

［4］黎斌.SF6高壓電器設(shè)計(jì)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.