吳上，唐雪平，王春華，馬偉君，吳奇鋼

(1.湖南長高高壓開關(guān)集團(tuán)股份公司，湖南 長沙410219；2.湖南長高高壓開關(guān)有限公司，湖南長沙410219)

0 引言

隨著電網(wǎng)的迅速發(fā)展，跨越覆冰地區(qū)的高壓、超高壓輸電線路越來越多，極端災(zāi)害天氣造成電網(wǎng)受災(zāi)的可能性也越來越大。輸電線路覆冰會(huì)引起線路過負(fù)載，造成線路跳閘、導(dǎo)線斷開、導(dǎo)線舞動(dòng)、倒桿塔等，進(jìn)而導(dǎo)致大面積停電事故。由于覆冰現(xiàn)象發(fā)生在嚴(yán)冬季節(jié)，大雪封山，公路冰凍，線路覆冰難以消除，易導(dǎo)致長時(shí)間停電，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和不良的社會(huì)影響。隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，大電流融冰技術(shù)廣泛應(yīng)用于輸電線路融冰，該方法利用融冰開關(guān)將電流接入三相短接后的輸電線路，將覆冰線路作為負(fù)載，利用電流的熱效應(yīng)使輸電線路發(fā)熱，從而達(dá)到融化輸電線路上覆冰的目的[1－12]。

融冰開關(guān)是用于高壓線路融冰的一種戶外高壓電器，當(dāng)輸電線路不需要融冰時(shí)，線路正常帶電運(yùn)行，融冰開關(guān)斷開，刀閘處于分閘位置，刀閘對(duì)地及斷口需滿足相應(yīng)電壓等級(jí)的絕緣要求。當(dāng)需要進(jìn)行線路融冰時(shí)，輸電線路停運(yùn)，融冰開關(guān)合閘使三相之間進(jìn)行短接，此時(shí)刀閘通過融冰大電流，使線路發(fā)熱，從而達(dá)到線路融冰的效果。融冰開關(guān)在具有融冰工況的變電站中的有效運(yùn)用，能夠替代人工臨時(shí)接線，減小勞動(dòng)強(qiáng)度、降低作業(yè)難度、縮短停電時(shí)間，且在融冰較頻繁的輸電線路中效果更為顯著。隨著對(duì)輸電線路大電流融冰開關(guān)的需求日益強(qiáng)烈，550 kV大電流融冰開關(guān)的研制生產(chǎn)具有較大的市場(chǎng)潛力。由于在融冰開關(guān)操作時(shí)常處于覆冰狀態(tài)，因而在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)必須充分考慮正常條件及覆冰條件下產(chǎn)品的平衡性能，保障融冰開關(guān)的正常操作功能。

1 產(chǎn)品主要技術(shù)參數(shù)及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 產(chǎn)品的主要技術(shù)參數(shù)

表1為本550 kV大電流6 300 A融冰開關(guān)產(chǎn)品的主要技術(shù)參數(shù)。

表1 產(chǎn)品主要技術(shù)參數(shù)

1.2 產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

針對(duì)550 kV運(yùn)行線路高壓電器需具備的絕緣性能及本融冰開關(guān)6 300 A通流能力的要求，對(duì)融冰開關(guān)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[14－15]，550 kV大電流6 300 A融冰開關(guān)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。采用三柱水平伸縮鉗夾組合式結(jié)構(gòu)，主通流部分共由兩把主閘刀和一個(gè)雙靜靜觸頭組成，其中主閘刀裝配主要由導(dǎo)電底座裝配、下導(dǎo)電臂裝配、上導(dǎo)電臂裝配組成，主閘刀裝配及界面如圖2所示。上導(dǎo)電管采用200 mm×10 mm合金鋁管，下導(dǎo)電管采用219 mm×8.2 mm合金鋁管制成。

圖1 550 kV－6 300 A融冰開關(guān)總體結(jié)構(gòu)

圖2 融冰開關(guān)主閘刀裝配及截面

2 主閘刀平衡性能的設(shè)計(jì)

由于550 kV大電流融冰開關(guān)應(yīng)滿足6 300 A的長時(shí)間通流要求，主閘刀部分雖大量采用通流密度大的銅、鋁合金材料，但其下導(dǎo)電臂裝配、上導(dǎo)電臂裝配的總質(zhì)量超450 kg，僅僅依靠適配的操作機(jī)構(gòu)的輸出扭矩不足以操動(dòng)融冰開關(guān)進(jìn)行正常的分合閘，故在下導(dǎo)電臂裝配內(nèi)部設(shè)立儲(chǔ)能平衡彈簧。當(dāng)融冰開關(guān)在刀閘進(jìn)行分合閘運(yùn)動(dòng)時(shí)，平衡彈簧通過復(fù)位釋放能量和壓縮存儲(chǔ)能量，最大限度地平衡刀閘自身重量，以此達(dá)到減小對(duì)適配的電動(dòng)操動(dòng)機(jī)構(gòu)扭矩的需求，如圖3所示。

圖3 融冰開關(guān)主閘刀運(yùn)動(dòng)簡圖

零部件的裝配特性及各部分之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系，為簡化計(jì)算可將主閘刀重量劃分為下導(dǎo)電管及中間傳動(dòng)箱等重量G1、下操作桿及齒條等重量G2、平衡彈簧重量G3、上導(dǎo)電臂裝配的總重量G4四類。通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使用三維建模及相應(yīng)的材料設(shè)置，可得到主閘刀除平衡彈簧重量以外的其他三種類型的重量值及重心位置參數(shù)。根據(jù)超高壓、特高壓大電流產(chǎn)品設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，平衡彈簧的重量一般占總主閘刀重量的20%~30%。在進(jìn)行初始設(shè)計(jì)時(shí)，先假設(shè)平衡彈簧重量占主閘刀總重量的25%，并將其與下操作桿及齒條等重量合并，得到主閘刀重力矩的曲線圖。再利用融冰開關(guān)處于合閘狀態(tài)時(shí)的重力矩值及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后所得到的彈簧壓縮量求得此時(shí)平衡彈簧的彈性系數(shù)。根據(jù)彈簧的彈性系數(shù)得到對(duì)應(yīng)的彈簧力矩曲線。

合適的力矩曲線圖應(yīng)包含以下特征:1)彈簧應(yīng)有合適的預(yù)壓縮量，且初始位置彈簧力矩應(yīng)大于重力矩；2)為達(dá)到更好的平衡效果，兩條力矩曲線應(yīng)存在一個(gè)以上的交叉；3)合閘終了時(shí)重力矩大于彈簧力矩將更有利于融冰開關(guān)合閘到位；4)在任一位置時(shí)，兩個(gè)力矩曲線間的差值應(yīng)小于操作機(jī)構(gòu)所能提供的扭矩，且應(yīng)留有足夠的裕度供傳動(dòng)摩擦等引起的損耗。根據(jù)所得主閘刀重力矩曲線與彈簧力矩曲線的相對(duì)位置關(guān)系和以上要求對(duì)平衡彈簧的設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)整后，重新計(jì)算力矩對(duì)比曲線，直至滿足要求。最終得到融冰開關(guān)的平衡彈簧k值為277 N/mm，產(chǎn)品各部分的質(zhì)量見表2。

表2 主閘刀各部分質(zhì)量 kg

圖4為對(duì)融冰開關(guān)平衡彈簧設(shè)計(jì)后融冰開關(guān)由分閘狀態(tài)運(yùn)動(dòng)到合閘狀態(tài)時(shí)在不同位置對(duì)應(yīng)的力矩曲線圖，在不考慮摩擦力的影響下，兩條曲線的差值為該位置狀態(tài)下對(duì)操動(dòng)機(jī)構(gòu)所需的扭矩要求。本融冰開關(guān)平衡性能良好，對(duì)適配的電動(dòng)操動(dòng)機(jī)構(gòu)提供的扭矩較小，計(jì)算得到兩者力矩的最大差值為89 N·m。融冰開關(guān)在廠內(nèi)進(jìn)行實(shí)物調(diào)試時(shí)，實(shí)測(cè)主閘刀所需操作扭矩值≤350 N·m，電動(dòng)操動(dòng)機(jī)構(gòu)功率裕度大。

圖4 力矩對(duì)比曲線

3 覆冰狀態(tài)下平衡性能的校核

融冰開關(guān)在覆冰后，刀閘的重量將發(fā)生變化，因此需要對(duì)覆冰后刀閘的平衡性能進(jìn)行重新校核。覆冰后刀閘的重量改變主要集中在上、下導(dǎo)電臂覆蓋冰層的重量，由于重力作用，假定僅在上、下導(dǎo)電臂上方有冰層覆蓋，且覆冰厚度均勻?yàn)楦脖?0 mm，計(jì)算得到的上導(dǎo)電臂覆蓋冰層質(zhì)量為13.67 kg，下導(dǎo)電臂覆蓋冰層質(zhì)量為17.61 kg。將覆冰后的融冰開關(guān)各部分重量代入后重新進(jìn)行平衡性能校核，得到力矩曲線如圖5所示。

圖5 刀閘覆冰后力矩曲線

由于彈簧預(yù)壓縮的作用，起始位置彈簧力矩同樣大于重力矩。融冰開關(guān)合閘過程中，在0°~65°范圍內(nèi)，兩條曲線差值較小，期間出現(xiàn)兩個(gè)交叉點(diǎn)，可認(rèn)為存在摩擦阻力且無外界作用時(shí)在該范圍內(nèi)的任何位置刀閘可達(dá)到基本平衡，刀閘在覆冰狀態(tài)下平衡彈簧平衡性能良好。當(dāng)?shù)堕l繼續(xù)往合閘方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，其重力矩較彈簧力矩增長快，主要原因是刀閘合閘操作末期平衡彈簧壓縮量增加緩慢，而重力矩在整個(gè)合閘過程中一直在增加。合閘終了時(shí)力矩差值達(dá)最大值160 N·m，適配的電動(dòng)操動(dòng)機(jī)構(gòu)完全可以滿足該操作力矩的需求，且有足夠裕度。

4 產(chǎn)品破冰能力的校核

本融冰開關(guān)采用外壓式夾緊結(jié)構(gòu)，觸指對(duì)數(shù)為4對(duì)，夾緊彈簧設(shè)計(jì)k值為11.4 N/mm，鉗夾時(shí)彈簧壓縮量為18 mm，故設(shè)計(jì)單對(duì)觸指夾緊力為205 N。單對(duì)觸指與靜觸桿接觸時(shí)存在4個(gè)接觸位置，單個(gè)接觸位置接觸長度為5 mm(觸指由5 mm厚銅排制成)。假設(shè)靜觸桿覆冰后觸指與靜觸桿之間接觸寬度為1 mm，即單對(duì)觸指總接觸面積為20 mm2，計(jì)算得此時(shí)的接觸壓力為10.25 MPa。冰的抗壓強(qiáng)度為735 kPa(流冰開始時(shí))，故觸指彈簧提供的夾緊力滿足融冰開關(guān)合閘時(shí)的破冰要求。

5 結(jié)語

刀閘的實(shí)物覆冰試驗(yàn)驗(yàn)證了本產(chǎn)品在覆冰狀態(tài)下的平衡性能滿足實(shí)際要求，說明通過本文平衡彈簧的設(shè)計(jì)方法能更加精準(zhǔn)的完成融冰開關(guān)主閘刀平衡彈簧的設(shè)計(jì)，減小對(duì)適配的電動(dòng)操動(dòng)機(jī)構(gòu)扭矩值的要求，且在20 mm覆冰工況時(shí)融冰開關(guān)能正常進(jìn)行分合閘操作，觸指彈簧提供的夾緊力能夠有效地將靜觸桿上覆蓋的冰層夾碎，保障融冰開關(guān)的正常通流。