ZGW5-100D/J5500型高壓直流隔離開關的研制

馬永旭，王占杰，孫玉洲，王巧紅，李宇鵬

（平高集團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型高壓直流隔離開關的研制

馬永旭，王占杰，孫玉洲，王巧紅，李宇鵬

（平高集團有限公司河南平高電氣股份有限公司，河南平頂山 467001）

根據我國特高壓直流輸電工程對低壓側直流隔離開關機械、電氣、耐地震等性能的要求，較詳細地介紹了ZGW5-100D/ J5500型高壓直流隔離開關的設計、試制及試驗等研制情況。試驗結果表明所研制ZGW5-100D/J5500型高壓直流隔離開關的技術參數和性能指標等均滿足我國目前特高壓直流輸電工程的要求。

高壓直流隔離開關；換流站；雙柱水平開啟單斷口；機械電氣性能

1 概述

國家“十二五”規劃綱要明確提出，適應大規模跨區輸電和新能源發電并網要求，加快現代電網體系建設，進一步擴大西電東送的規模，完善區域主干電網，發展特高壓等大容量、高效率、遠距離先進輸電技術。據國家電網的規劃，“十二五”期間國家將建成11項特高壓直流輸電工程，100 kV直流隔離開關作為特高壓直流工程換流站直流場設計布置的重要設備之一，是其他直流設備進行檢修的安全保障，因此，為了滿足我國特高壓直流工程的需要，結合國內外先進的隔離開關設計理念，自行設計、研制出了具有自主知識產權的ZGW5-100D/J5500型高壓直流隔離開關。

2 正常使用條件

ZGW5-100D/J5500型高壓直流隔離開關主要用于特高壓直流換流站直流場的中性母線側，在合閘位置時，能承載正常回路條件下的電流及在規定時間內異常條件(例如短路)下的電流；在分閘位置時，可為電抗器、直流轉換開關、互感器等設備的檢修提供一個符合規定要求的安全可見的絕緣距離。

正常使用環境條件：

（1）周圍空氣溫度：-40℃～+40℃；

（2）海拔： 不超過3 000 m；

（3）風速： 不超過34 m/s；

（4）覆冰厚度： 不大于10 mm；

（5）抗震水平： AG5；

（6）安裝場所應無經常性的劇烈振動及易燃、易爆物質和化學腐蝕的影響。

3 產品技術參數及主要性能指標

3.1 產品分類及技術參數

ZGW5-100D/J5500型高壓直流隔離開關，該產品按接地方式可分為不接地、單接地、雙接地三種規格，其中單接地又分為左接地和右接地兩種。如表1所示。

表1 主要技術參數

3.2 主要技術性能指標

（1）隔離開關及附裝的接地開關的機械壽命不低于5 000次。

（2）隔離開關及其附裝的接地開關采用CJ11A型電動機操動機構，分、合閘操作時間均為12 s±2 s。

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

（4）隔離開關及其附裝的接地開關分、合閘操作時，所需的操作力不超過60 N，并且在總轉數最多10%的轉數內，操作力的最大值允許為120 N。

（5）隔離開關與其附裝的接地開關具有機械聯鎖功能，以保證隔離開關合閘時，接地開關不能合閘，接地開關合閘時，隔離開關不能合閘。

4 產品結構性能分析與計算

4.1 產品總體結構設計

ZGW5-100D/J5500型高壓直流隔離開關采用雙柱水平開啟單斷口結構；主要由底座總裝配、直流支柱絕緣子、主導電系統和CJ11A型電動機操動機構等組成；根據需要可附裝一套或兩套直流接地開關，直流接地開關采用直掄式結構，布置方式與隔離開關底座平行。隔離開關配用CJ11A型電動機操動機構進行分、合閘操作；直流接地開關配用CJ11A型電動機操動機構進行分、合閘操作；隔離開關和接地開關之間裝有機械聯鎖裝置，可確保隔離開關或接地開關不發生誤操作。總體結構見圖1。

圖1 ZGW5-100D/J5500型高壓直流隔離開關

通過對ZGW5-100D/J5500型高壓直流隔離開關進行電場的校核及優化，初步確定其斷口及對地絕緣距離；同時，結合國內直流絕緣子制造工藝水平，選取合適的絕緣子高度，最終確定隔離開關的總體尺寸。

圖2 分閘狀態電場計算

圖3 合閘狀態電場計算

在施加170 kV直流電壓情況下，計算的結果為：分閘狀態的電場強度為1.826 kV/mm，合閘狀態的電場強度為1.951 kV/mm，如圖2和圖3所示。滿足設計要求，并得到試驗驗證。

4.2 通流能力設計

由于ZGW5-100D/J5500型高壓直流隔離開關作為特高壓直流輸電工程換流站的重要開關設備，是直流輸電線路中的一個電氣元件，通流能力是其關鍵的參數。根據現有工程要求其額定電流為5 500 A，2 h過負荷電流為6 300 A；同時由于直流輸電工程通常都是以額定電流運行，因此對導電部分的可靠性要求較高，在設備運行過程中，必須保證接觸良好，否則極容易發熱造成主觸頭部分的燒蝕而影響整個設備的正常運行。為此，利用發熱和散熱平衡原理對主導電系統進行了通流能力計算；并利用Ansys軟件對熱平衡狀態時主導電系統的溫度場進行了計算和優化；在此基礎上對主導電系統的結構做了全新的設計。在接線座前后增加散熱結構，兩邊蓋板采用百葉窗結構，滿足了主導電系統通流的需要。

4.3 機械傳動設計

隔離開關傳動系統采用優化的四連桿結構，設計時，為了減輕操作力矩，使分合閘終點位置能自鎖，往往使主動拐臂在分閘或合閘位置，都處于相應的死點位置，即δ=180°；當隔離開關主軸A轉角θ選定后，計算出四連桿結構有關轉角及有關連桿尺寸，從而設計出滿足要求的傳動系統。四連桿傳動系統簡圖見圖4，計算過程如下。

（1）先選定主軸A轉角θ（對于雙柱水平單斷口隔離開關θ取90°）、主動拐臂中心到底座中心線的垂直距離h、主動拐臂中心到主軸A水平距離m、被動拐臂長度R1。

（2）計算求出主動拐臂長度R2、連桿與兩中心連線的夾角β0、合閘位置時被動拐臂與兩中心連線的夾角α、連桿長度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，計算得出β0=7.5°，α=52.5°，R2= 141.42 mm，L=1 216.82 mm。

4.4 機械強度校核

委托鄭州機械研究所，采用有限元模型分析了ZGW5-100D/J5500型高壓直流隔離開關的抗震性能，計算結果表明，該直流隔離開關抗震水平可以滿足GB13540-2009規定的AG5的要求，安全系數大于2.23。

圖4 四連桿傳動系統簡圖

圖5 地震性能計算

5 產品通過的型式試驗項目

ZGW5-100D/J5500型高壓直流隔離開關在國家高壓電器質量監督檢驗中心等進行了全部型式試驗，試驗項目符合相關國家標準和行業標準的要求，試驗結果合格。試驗結果證明其性能全部滿足ZGW5-100D/J5500型高壓直流隔離開關的技術要求，并有一定的裕度。

完成的試驗項目主要有：

（1）機械特性試驗、機械操作試驗、隔離開關和附裝的接地開關的5 000次機械壽命試驗；

（2）溫升試驗、2 h過負荷電流的溫升試驗及輔助回路的溫升試驗；

（3）隔離開關和附裝的接地開關回路電阻測量；

（4）隔離開關和附裝的接地開關額定端子靜態機械負荷時的操作試驗；

（5）隔離開關及附裝的接地開關短時耐受電流25 kA（3 s）、峰值耐受電流63 kA的容量試驗；

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

6 結束語

ZGW5-100D/J5500型高壓直流隔離開關采用雙柱水平開啟單斷口結構，產品具有如下特點。

（1）產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、沙塵對轉動軸承的侵蝕；轉動部位采用自潤滑軸套，操作靈活；零部件通用性好，系列化程度高。

（2）隔離開關及附裝的接地開關無論在合閘位置或分閘位置時，其主動拐臂均處于死點位置，可以有效防止外力作用下的誤分閘現象，提高產品可靠性。

（3）導電關節部分采用導電帶，其結構簡單，可靠性較高，通流能力強。產品絕緣水平高、防腐能力好、機械壽命長、外形美觀。完全滿足目前我國直流輸電工程的要求。

［1］趙畹君.高壓直流輸電工程技術［M］.北京：中國電力出版社，2004.

［2］鐘振蛟.戶外隔離開關導電回路過熱的起因及對策［J］.高壓電器，2005（4）：307-309，312.

［3］馬永旭，王占杰，王紅敏.中性母線直流隔離開關的設計與計算［J］.高壓電器，2011（5）：70-75.

［4］王占杰，徐光輝，馬永旭，等.±800kV特高壓直流隔離開關的研制及應用［J］.機電工程技術，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，高級工程師。研究領域：高壓開關產品設計與研發。

(編輯：阮 毅)

2013－08－26