孫玉洲，孔玉輝，王巧紅，王占杰，李宇鵬

（1.平高集團有限公司，河南平頂山 467001；2.河南平高電氣股份有限公司，河南平頂山 467001）

0 前言

中國正處于經(jīng)濟快速增長的關(guān)鍵時期，電力需求持續(xù)較快增長，需求重心將長期位于東中部地區(qū)，而煤炭資源開發(fā)逐步西移、北移，水能資源的開發(fā)正向西南地區(qū)轉(zhuǎn)移，風(fēng)能、太陽能等新能源資源也將主要分布在西部、北部地區(qū)，未來能源流規(guī)模和距離將進一步增大，我國面臨大規(guī)模、遠距離、高效率電力輸送的挑戰(zhàn)。發(fā)展特高壓輸電可以推動國家清潔能源開發(fā)目標實現(xiàn)及清潔能源的高效利用，也有利于在全國范圍內(nèi)實現(xiàn)土地資源的優(yōu)化開發(fā)與節(jié)約利用[1]。根據(jù)國家電網(wǎng)公司規(guī)劃，將建成“五縱五橫”特高壓交流網(wǎng)架和27個特高壓直流輸電工程；作為直流輸電工程換流站的主要設(shè)備，408 kV直流隔離開關(guān)的自主研發(fā)，將有力的支持國內(nèi)電力發(fā)展的需要，為打破國外公司對直流輸電設(shè)備的技術(shù)壟斷，降低電力建設(shè)的成本，提高電網(wǎng)運行的可靠性有重要意義。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

近幾年，i 500 kV、i 800 kV直流輸電技術(shù)在世界范圍內(nèi)得到了長足發(fā)展，國外Areva、Siemens公司的408kV直流隔離開關(guān)已在向－上、云－廣等直流輸電工程中投入運行，國內(nèi)西開408 kV直流隔離開關(guān)也在錦蘇等工程投運。平高研制的816 kV直流隔離開關(guān)和接地開關(guān)已經(jīng)在錦蘇、哈鄭等工程投運，但缺少408kV直流隔離開關(guān)，沒有形成系列化產(chǎn)品。

2 關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

國外Alstom、Siemens公司的408 kV的直流隔離開關(guān)已在向-上、云-廣等直流輸電工程中投入運行，其現(xiàn)場照片如圖1；Alstom公司SPOL-400型直流隔離開關(guān)主閘刀采用單臂折疊插入式結(jié)構(gòu)，絕緣子支柱為三柱，其中兩柱為支撐絕緣子，一柱為旋轉(zhuǎn)絕緣子；西門子公司的408 kV直流隔離開關(guān)采用三柱水平旋轉(zhuǎn)式結(jié)構(gòu)，技術(shù)參數(shù)與之相當。

圖1 408 kV直流隔離開關(guān)

鑒于筆者公司408 kV直流隔離開關(guān)公司直流產(chǎn)品系列化的考慮，擬采用單臂折疊插入式結(jié)構(gòu)，考慮工程中產(chǎn)品抗震等級要求為AG5，所以支柱絕緣子選用單側(cè)兩柱支柱絕緣子，操作側(cè)增加一柱旋轉(zhuǎn)絕緣子，用于增加整體產(chǎn)品的穩(wěn)定性與抗震性能。產(chǎn)品主要由導(dǎo)電系統(tǒng)、絕緣子、底座、操動機構(gòu)等組成，由CJ11A型電動機操動機構(gòu)進行分、合閘操作，總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 總體結(jié)構(gòu)圖

2.2 主導(dǎo)電系統(tǒng)設(shè)計

408 kV直流隔離開關(guān)主導(dǎo)電系統(tǒng)整體選型采用與我公司已通過國家級鑒定的816 kV高壓直流隔離開關(guān)成系列化的雙柱單臂折疊插入式結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)既能滿足合閘時大電流的通流能力，又能實現(xiàn)在電路檢修或與其它設(shè)備進行電氣隔離時靈活分閘的功能，同時該結(jié)構(gòu)形式設(shè)計緊湊，相對于三柱水平旋轉(zhuǎn)式雙斷口隔離開關(guān)而言，能減少換流站的占地面積，節(jié)約工程投資。

2.2.1 斷口間絕緣距離的確定

對于隔離開關(guān)斷口絕緣距離，也可以根據(jù)標準正極性50%操作沖擊電壓來確定，如下式所示:

其中：d—間隙距離(m)；

U50RP—50%統(tǒng)計操作沖擊電壓(kV)。

標準正極性50%操作沖擊電壓U50可由下式求得：

其中：U—斷口間標準操作沖擊耐受電壓，取950 kV

σi—絕緣標準偏差，取0.06。

代入式（2）得：U50=1 164.3 kV

對于隔離開關(guān)斷口間放電過程歸納為棒－棒放電過程，用棒－棒間隙系數(shù)K進行修正。

則令

其中：Κ—操作沖擊典型間隙系數(shù)，斷口間間隙系數(shù)1.1。

則：U50RP=1058.5 kV

將U50RP代入式（1）得d=3.5 m

2.2.2 上導(dǎo)末端軌跡優(yōu)化

為了計算408 kV直流隔離開關(guān)動觸頭從分閘到合閘的動行軌跡圖，以優(yōu)化上下導(dǎo)電管尺寸，仿真其運動特性，可把它簡化為圖3所示幾何模型。

其中：

O—下導(dǎo)電管旋轉(zhuǎn)中心；

A—齒條拉桿轉(zhuǎn)動中心；

B—齒輪軸中心；

C—齒輪與齒條的嚙合點；

D—上導(dǎo)電管端點；

圖3 運行軌跡幾何模型

α—下導(dǎo)電管OB與水平線的夾角；

β—兩回轉(zhuǎn)中心與水平線的夾角；

θ—上導(dǎo)電管與水平線的夾角；

S—下導(dǎo)回轉(zhuǎn)中心至上導(dǎo)回轉(zhuǎn)中心；

L—上導(dǎo)回轉(zhuǎn)中心至上導(dǎo)端部距離(即BD距離）。

以O(shè)點為坐標原點建立坐標系如圖3所示，當下導(dǎo)由分閘位置到合閘位置，即由α0旋轉(zhuǎn)至α?xí)r，齒輪與齒條的嚙合中心點是不斷變動的，轉(zhuǎn)動過程中AC的長度由T0增長為T。根據(jù)文獻[2]可知，上導(dǎo)電管端部D點的軌跡為：

考慮408 kV直流隔離開關(guān)實際模型，α角度從α0（-1.59h）到90h+α0，BD與豎直面的夾角θ0=5.47h，于是θ=φ－α+θ0。

對于408 kV直流隔離開關(guān)來說，根據(jù)最小斷口空氣絕緣距離4 000 mm的要求及底座安裝尺寸，主導(dǎo)電系統(tǒng)上導(dǎo)電管裝配與下導(dǎo)電管裝配及轉(zhuǎn)動座的總長度要等于4 920 mm。408 kV直流隔離開關(guān)上導(dǎo)電管末端在不同的下導(dǎo)電管長度和上導(dǎo)電管長度下的運行軌跡如圖4；權(quán)衡各種因素，最終選取S=2 350 mm，L=2 570 mm，在此軌跡下，動觸頭合閘終了時最高點與終點位移為31 mm，有良好的直線性，有效的保證了動觸頭合閘時的平穩(wěn)，終點位置與機架豎直距離為230 mm，即保證了動觸頭分閘時不伸出底座外影到響對地絕緣，又保證此位置正處于靜觸頭調(diào)整范圍中，使產(chǎn)品能平衡合閘。

圖4 D點運行軌跡

2.2.3 多段平衡彈簧設(shè)計

為了進行408 kV直流隔離開關(guān)平衡彈簧設(shè)計，首先進行模型可簡化，如圖5所示。

圖5 簡化模型

依據(jù)參考文獻[3]，依次將上、下導(dǎo)電管的重量進行質(zhì)量替代，得出產(chǎn)品在合閘過程中所需理想平衡力曲線如圖6所示。

圖6 重力矩與彈簧力矩曲線

由圖6可知，彈簧力特性趨直性較差，若仍采用一根彈簧，誤差較大(重力矩與彈簧力矩差值為800N.m)，不能保證在運動的全過程取得令人滿意的平衡效果。因此，經(jīng)過多次優(yōu)化，采用多段平衡彈簧設(shè)計（如圖7所示），其組合特性呈折線，機械壽命試驗表明，效果較為滿意，基本保證了分、合閘全過程的平衡效果。

圖7 最優(yōu)彈簧力曲線

2.3 主導(dǎo)電系統(tǒng)通流設(shè)計

2.3.1 主導(dǎo)電管通流計算

交流隔離開關(guān)一般不以額定電流運行，而直流隔離開關(guān)都是按額定電流運行。因此，直流隔離開關(guān)導(dǎo)電系統(tǒng)需要較大的通流截面，良好的防污性能；但這些要求將會顯著增加產(chǎn)品的重量，增加產(chǎn)品裝配調(diào)試的難度，增大產(chǎn)品的操作力等問題。

408 kV直流隔離開關(guān)額定電流8 000 A，為了滿足額定通流能力，主觸指采用環(huán)形觸指，多點接觸，能夠滿足長時間大電流運行需求。主閘刀裝配主要由上導(dǎo)電管裝配、下導(dǎo)電管裝配、齒輪箱裝配和屏蔽環(huán)焊裝等構(gòu)成；動、靜觸頭采用密封結(jié)構(gòu)，能夠有效減少直流吸附效應(yīng)對觸頭的影響，避免接觸不良而產(chǎn)生發(fā)熱現(xiàn)象?？紤]到導(dǎo)電管在長期發(fā)熱計算中，導(dǎo)電管各部分通過熱傳導(dǎo)傳遞的熱量較少，可以在計算中忽略不計，所以只需計算出因?qū)α鹘粨Q熱量QC和因輻射交換熱量Qr，即可計算出導(dǎo)電管的通流能力[4]。

首先對408 kV直流隔離開關(guān)的上導(dǎo)電管、下導(dǎo)電管材料選型，再通過校核發(fā)熱來驗證選擇的可行性。本次設(shè)計的產(chǎn)品其額定通流能力要求為8 000 A，計算出的上下導(dǎo)電管通流能力為8 208 A＞8 000 A，可以認為所選取的導(dǎo)電管能夠滿足長期通過8 000 A額定電流的要求。

2.3.2 觸頭通流能力的設(shè)計

隔離開關(guān)的觸頭材料一般為銅基材料，在通過額定電流時，其觸點（動、靜觸頭接觸部位）位置，由于接觸電阻的存在，接觸電阻產(chǎn)生的熱量集中在較小的范圍內(nèi)，這些熱量主要以傳導(dǎo)的方式向觸頭本體傳遞，觸點的溫度將高于觸頭的本體溫度。

在進行隔離開關(guān)的觸頭設(shè)計時，一方面要對觸頭進行通流能力設(shè)計，另一方面要限制接觸點的溫升，使其與觸頭的溫度相差不大，其溫差應(yīng)在5K之內(nèi)，確保觸頭長期通流的穩(wěn)定性[5]。當然，最終接觸點的溫度必須被被限制在GBT/T 11022-2011中表三規(guī)定的溫度之下。這就要求在進行觸頭設(shè)計時，要求有較好的散熱條件。同時，還要根據(jù)觸頭通過短路電流時發(fā)熱的校核，觸頭在流過短路電流時，接觸部分強烈發(fā)熱，在幾秒的時間內(nèi)，觸頭可能因過熱而出現(xiàn)局部融化，金屬噴濺甚至相互焊接等情況。

通過對多種類型的隔離開關(guān)的觸指進行計算，同時根據(jù)大量試驗結(jié)果表明，在設(shè)計中，為了防止觸頭溶化，若以銅的軟化溫度作為設(shè)計觸指的短時極限溫度是比較保守的；按熔點設(shè)計（銅的熔點溫度1 038℃），是不可靠的。國家標準規(guī)定：隔離開關(guān)在通過額定短時耐受電流后，開關(guān)設(shè)備不應(yīng)該有明顯的損壞；應(yīng)該能正常地操作，連續(xù)地承載額定電流而不超過規(guī)定的溫升極限，并在絕緣試驗時能耐受規(guī)定的電壓。這就說明在隔離開關(guān)觸頭通過額定短時耐受電流后，只要沒有明顯得損傷，仍能滿足承載額定電流的能力既可。根據(jù)以前的試驗經(jīng)驗，在設(shè)計中按τ小于熔點溫度的50%來進行隔離開關(guān)的觸頭短時溫升，觸頭既是安全的，又是經(jīng)濟的。對于銅基觸頭此溫度大概為500℃。

2.4 支柱絕緣子研究

2.4.1 支柱絕緣子選型

大氣中的固體或液體微粒，由于污穢微粒自身重力以及在絕緣子附近受到風(fēng)力、電場力等引起，沉積在絕緣子表面形成污穢層。由于直流的靜電吸塵作用（直流與交流電壓下污穢微粒在絕緣子表面沉積的差異主要決定于帶電微粒的運動，帶電微粒在直流電壓下受到恒定方向電場力作用下，而被吸引到絕緣子的表面），直流絕緣子的污穢要比交流嚴重的多[6]。因此，與交流系統(tǒng)相比，直流支柱絕緣子主要需解決兩個問題：①爬距電比距問題；②強度問題。

根據(jù)i 800 kV特高壓直流輸電工程招標技術(shù)規(guī)范要求，408 kV直流隔離開關(guān)采用復(fù)合絕緣子；每臺產(chǎn)品有五柱絕緣子，每柱絕緣子由兩節(jié)絕緣子疊加而成，絕緣子整柱抗彎8 kN，整柱抗扭6 kN·m，整柱絕緣子爬電比距為53 mm/kV，滿足工程需要。委托鄭州機械研究所進行抗震計算，計算結(jié)果表明，408 kV直流隔離開關(guān)在零周期加速度0.5 g時具有下列安全系數(shù)：使用破壞應(yīng)力最小安全系數(shù)2.25，許用應(yīng)力最小系數(shù)1.15，產(chǎn)品可滿足AG5級抗震要求。

2.4.2 頂端調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計

絕緣子頂端用可調(diào)的螺桿結(jié)構(gòu)在連接絕緣子法蘭和主閘刀支撐件（圖8），螺桿在絕緣子法蘭及主閘刀底座間用螺母、平墊、彈簧墊圈備緊，此螺桿間距可調(diào)節(jié)，方便現(xiàn)場的安裝調(diào)試，也為地基沉降提供了解決措施。

圖8 可調(diào)節(jié)的螺桿結(jié)構(gòu)

2.5 直流隔離開關(guān)電場仿真

408 kV直流隔離開關(guān)電場強度直接決定了設(shè)備的絕緣距離、無線電干擾水平、有效的安全距離、布置方式、設(shè)備成本等[7]。通過對408 kV直流隔離開關(guān)及接地開關(guān)直流電場的研究、分析，找到了降低408 kV直流隔離開關(guān)電場強度的有效方法[8-9]；并利用研究的結(jié)果完成408kV直流隔離開關(guān)高壓部分通流部分形狀、均壓環(huán)大小等的設(shè)計[10]，最終解決以下兩個問題：（1）直流隔離開關(guān)的絕緣問題；（2）設(shè)備運行時無線電干擾問題（降低設(shè)備現(xiàn)場運行時的噪聲問題）。

2.5.1 建立模型

在ANSYS建模過程中，受工作站計算能力的限制，對408 kV直流隔離開關(guān)的部分零部件進行了省略和簡化處理[11]。模型保留了隔離開關(guān)的基礎(chǔ)、動靜側(cè)均壓環(huán)、上下導(dǎo)電管及中間屏蔽環(huán)部分，408 kV直流隔離開關(guān)分、合閘模型在ANSYS中后建模如圖9所示。

2.5.2 計算條件與網(wǎng)格劃分

隔離開關(guān)本體外的空氣域相對介電常數(shù)定為1，基礎(chǔ)和主閘刀作為導(dǎo)體的相對介電常數(shù)為10 000。

隔離開關(guān)本體與空氣域的單元類型選擇SOLID123；在隔離開關(guān)模型外建立尺寸16 000 mm 560 000 mm 24 000 mm的小空氣域和尺寸為20 000 mm 14 000 mm 35 000 mm的大空氣域作為整個模型的邊界。因為空氣域的外表面在施加電壓時要強制為零值，所以不能太小，以免計算數(shù)值與真值誤差較大，也不能太大，以減少網(wǎng)格數(shù)量，節(jié)約計算時間。

圖9 仿真計算模型

2.5.3 計算結(jié)果(優(yōu)化后)

以均壓環(huán)管直徑、均壓環(huán)管之間的距離及最小空氣絕緣距離為可變因素，對隔離開關(guān)電場進行優(yōu)化；最終得出在均壓環(huán)管直徑為100 mm，均壓環(huán)管之間距離為1 200 mm，最小空氣絕緣距離為3 500 mm時，得到的電場強度值最小，結(jié)果如圖10、圖11。

根據(jù)參考文獻[12]所述，空氣的電離場強值3.0kV/mm，所計算結(jié)果均在此值范圍內(nèi)，理論上可以認為施加上述電壓時，空氣不會發(fā)生電離。最終通過絕緣驗證，均壓環(huán)的設(shè)計結(jié)構(gòu)滿足要求。

圖10 合閘時電場強度分布圖

圖11 分閘時電場強度分布圖

3 試驗驗證

圖12 i 800kV錫盟換流站運行照片

408 kV直流隔離開關(guān)在鄭州機械研究所通過了AG5抗震分析試驗，在國家高壓電器質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心通過絕緣試驗、無線電干擾試驗、溫升試驗、機械操作和壽命試驗及動熱穩(wěn)定試驗等型式試驗，驗證了該產(chǎn)品方案的可行性和各項技術(shù)指標的合理性。

4 應(yīng)用前景與效益

目前，該產(chǎn)品已經(jīng)成功應(yīng)用于“錫盟-泰州”i 800 kV特高壓直流輸電工程錫盟換流站，至今運行情況良好，見圖12。根據(jù)國家電網(wǎng)公司的規(guī)劃，到2020年將建成27個特高壓直流工程；隨著我國“一帶一路”戰(zhàn)略的提出，未來將建設(shè)全球能源互聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)綠色、低碳發(fā)展，帶動智能電網(wǎng)、特高壓、新能源等新興產(chǎn)業(yè)，因此408 kV直流隔離開關(guān)的應(yīng)用前景非常廣闊。

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