換相隔離手車在雙向運行泵站中的開發與應用

劉 新 泉(江蘇省水利勘測設計研究院有限公司，江蘇 揚州 225000)

0 引 言

近年來，隨著許多大中型水利工程的建設，雙向排灌站的應用越來越廣泛。雙向排灌站常用的一種方法是通過機組(水泵電動機組)正向和反向運行實現泵站灌溉引水和防洪排澇功能，即通過電動機正轉和反轉實現機組正向、反向運行。小型排灌站一般裝設低壓電動機，在電動機主回路中裝設正向和反向交流接觸器，通過控制正向或反向交流接觸器吸合即可實現電動機正轉和反轉[1]。低壓元器件體積小，低壓帶電安全距離小，因此一臺低壓開關柜能滿足主回路和二次控制回路元器件的安裝要求。大中型排灌站電機容量大，電壓等級高(通常選用10 kV)，配套的高壓元器件體積大，高壓帶電安全距離大，若采用低壓電動機接線控制方式，至少需要2～3臺高壓開關柜才能滿足元器件安裝要求。為了滿足柜間連接排的翻排和換相要求，柜體需要加寬或加深，設備多占地大，且控制和保護變得復雜。

1 以往電動機正反轉實現方式及存在問題

三相電動機定子上有3個繞組，當電源按U、V、W相序接入電動機時，電流通過三相繞組在定子上形成正向旋轉的旋轉磁場，電動機轉子在其作用下正向旋轉。當任意調整U、V、W中的2個相序接入電動機時，電流通過三相繞組就會在定子上形成反向旋轉的旋轉磁場，轉子在其作用下反向旋轉，實現電動機的反轉。

以往實現高壓電動機反轉通常是在開關柜或電動機側將3芯電纜中的任意2芯進行調換，變換相序后使電動機反轉。由于電纜大都采用硬銅導體，導體外包絕緣、填充物和護套，電纜來回交叉搬動彎曲，長期下來會使電纜絕緣和保護層受傷，絕緣材料的電氣性能和機械性能劣化，使絕緣層變脆甚至斷裂，造成人為損傷，導致絕緣性能降低，影響泵站安全運行。正常情況下，試驗檢測人員每年對電氣設備包括電纜做一次預防性試驗，如果按照這種操作方式，需要經常對電纜進行預防性耐壓測試，加快了絕緣老化程度，也增加了維護成本。電纜頭與母排之間采用螺栓連接，如果經常拆裝，緊固件會磨損，導致連接部位松動變形，接觸電阻加大，電纜發熱嚴重，時間長久致使絕緣層破壞，造成相間短路、對地擊穿放電甚至著火。另外，如果泵站裝機臺數多、需要經常正向和反向交錯運行，操作人員需每臺機組來回反復改接線，不僅增加了操作人員的工作量，而且可能會因為錯接線或漏接線導致人為事故的發生。

2 換相隔離手車的研制

基于上述操作方式存在安全隱患，筆者結合工程設計，開發研制了一種在雙向運行泵站中使電動機反轉的換相隔離手車，該手車可以在不改變電動機定子接線相序的情況下使電動機反轉運行。

2.1 設計思路

在電動機高壓開關柜前側設置一臺隔離手車柜，該柜配備2臺隔離手車，一臺手車按A-A、B-B、C-C接線(正向運行手車，即常規隔離手車)，另一臺手車按A-C、B-B、C-A接線(反向運行手車，即換相隔離手車)。當泵站運行在灌溉引水工況時，將正向運行手車推進工作位置，機組實現正向運行；運行在防洪排澇工況時，將反向運行手車推進工作位置，機組實現反向運行。按照這種接線方式，需要設計一種使電動機反轉的換相隔離手車，一次操作即可實現所有機組正向或反向運行，可消除因改變電纜接線換相序帶來的不利影響。

2.2 手車基本結構

換相隔離手車采用銅排式隔離手車形式，由底盤車、絕緣罩、觸臂套管(絕緣筒)、換相連接銅排、動觸頭、絕緣子、框架及內部機構組成。其總體結構為前后布置形式，采用復合絕緣結構。導電部分安裝于絕緣筒內，絕緣筒采用環氧樹脂APG壓力凝膠工藝澆注而成，以絕緣筒為絕緣骨架，對地絕緣由絕緣筒的內外面承受，相間由筒壁與空氣復合絕緣承受。隔離手車配用專用推進機構，實現工作位置和試驗位置的互換。為防止帶負荷誤操作，專用推進機構上設置閉鎖電磁鐵，實現手車工作位置和試驗位置的鎖定，并設有行程開關，實現“工作”和“試驗”位置顯示。當手車處于工作位置或試驗位置時，閉鎖電磁鐵不通電，無法推進或退出手車。二次部分設置于機構箱體和專用推進機構內，手車配用航空插頭，帶有試驗位置和工作位置。

2.3 一次接線設計

換相隔離手車的框架、底盤車、推進機構及限位等部件與常規的隔離手車相同，區別主要在于固定絕緣子、觸臂套管的規格以及連接銅排加工處理的工藝不同。常規隔離手車A、B、C三相上、下觸頭間是用一根豎向銅排連接各自梅花觸頭，換相隔離手車采用前后布置形式，銅排換相排序由“近”到“遠”、由“左”到“右”分別為A相-C相連接、B相-B相連接、C相-A相連接，即A相上觸頭與C相下觸頭用一根┏┛形銅排連接各自梅花觸頭，B相上、下觸頭間用一根┃豎向銅排連接各自梅花觸頭，C相上觸頭與A相下觸頭用一根┗┓形銅排連接各自梅花觸頭，實現A-C、B-B、C-A接線(即A相和C相調換相序)，換相排之間及相與地之間需保證有足夠的電氣間隙。一次接線并不復雜，難點在于標準的隔離手車空間狹小，如何在有限的空間里實現銅排換相且滿足規定的電氣間隙要求，將不同載流量的換相隔離手車制造成標準結構與尺寸的通用產品，與常規隔離手車實現互換，筆者走訪了相關零部件生產制造廠和母線加工處理廠，了解其構造、組裝和母線加工處理工藝及試驗，采用不同的絕緣處理方式，克服因銅排截面不同(寬邊和窄邊規格不同)無法用統一的制造方法達到規定電氣間隙的技術難點，解決了換相排序難的問題。

首先，選取低、中、高3種不同規格長度的支柱絕緣子，高差不小于125 mm；選取長、中、短3種不同規格長度的觸臂套管，與低、中、高支柱絕緣子配套連接，總長控制在598 mm以內。其次，加工制作┏┛和┗┓換相連接排，銅排采用冷壓折彎技術一體化成平彎形[2]，表面光潔平整，無裂紋、折皺；工序：下料、銅排調直、調平、去毛刺，端面倒角、曲彎、沖孔、表面處理等。最后分別將低、中、高支柱絕緣子與對應的長、中、短觸臂套管進行組裝，按由“近”到“遠”、由“左”到“右”順序安裝┏┛、┃和┗┓ 3種連接排。

對于載流量小的銅排，由于其寬邊和窄邊比較小，采用上述方法基本能達到規定的電氣間隙，絕緣和耐壓試驗也符合要求。考慮運行環境潮濕和污穢等因素，在銅排表面外套熱縮護套，在相間、相地之間設置環氧樹脂板加強絕緣，確保運行安全。對于載流量大的銅排，由于其寬邊和窄邊大，有的甚至是多拼母排，按照上述方法組裝后無法達到國標規定的空氣中電氣間隙和爬電距離，必須采用特殊工藝進行處理。目前采用的是流化床涂覆工藝，在銅排表面涂覆阻燃性絕緣粉末：以環氧樹脂為基料，以硅微粉或氧化鋁為填料，以十二溴聯苯醚為阻燃劑，加入適量的固化劑和流平劑，通過特定的加工處理流程制成絕緣粉末，采用流化床涂覆工藝對表面進行絕緣處理，銅排具有更高的電氣性能、機械性能和耐熱性，特別是對于折彎形狀比較復雜的寬邊銅排，采用此工藝比熱縮護套更具優勢，避免了護套絕緣老化和散熱條件差的問題[3]。這種生產工藝加工過程較為復雜，銅排連接處不能作噴涂處理，搭接處搪錫、壓花、涂導電膏，降低接觸電阻，增加導電性能；在現場出現碰傷后無法補救，所以一般設置絕緣罩和隔板加以防護，同時也提高了整體絕緣水平。通過這種復合絕緣處理方式來加強相間和相對地絕緣，達到降低對絕緣距離的要求[4]。上述工序完成后進行絕緣電阻測量和交流耐壓試驗，主回路相間、相對地工頻耐壓按42 kV/min試驗，試驗結果滿足要求才可以證明裝置合格[5]。

2.4 二次接線設計

二次接線主要涉及電流回路、電壓回路和控制回路。

電流回路：由于一次接線實現了A相和C相的相序調換，通過電流互感器采集的二次回路信號也相應實現了A相和C相的相序調換，因此電流回路不需要進行改接線。

電壓回路：電壓信號是公用信號，電動機饋線回路與進線及其他饋線回路的電壓信號均取自同一組電壓互感器，在正向運行時，由于沒有改變一次接線，因此電流與電壓的相序是相對應的。反向運行時，由于電動機母線A相與C相的相序進行了互換，因此電壓互感器送給電動機饋線回路的電壓信號也需要互換，電壓回路二次接線需進行改接線，確保電流與電壓相序是相對應的。

控制回路：電壓信號的互換主要是通過2個中間繼電器來實現的，一個中間繼電器用于正向運行，另一個中間繼電器用于反向運行。當正向運行手車處于工作位置時，正向運行中間繼電器接通，電壓信號為A-B-C相序；當反向運行手車處于工作位置時，反向運行中間繼電器接通，電壓信號為C-B-A相序。這樣電壓信號與電流信號相序始終保持一致。為防止中間繼電器拒動或誤動，可采用雙繼電器并聯工作，保證信號正確發出。

上述控制回路接線在柜內二次儀表室完成，換相隔離手車的位置接點通過航空插頭轉接送出，其中用于正向和反向運行的特征接點需分開設置，當正向或反向運行手車位于工作位置時，該手車的特征接點接通各自的控制回路，確保正向或反向運行信號準確發出。

根據以上一次接線和二次接線的設計與研制，通過使用不同的運行手車，達到一次操作即可實現一次和二次接線的互換，實現所有機組正向或者反向運行。

3 應用情況

第1臺換相隔離手車應用于江蘇省秦淮新河抽水站改造工程，經過一段時間機組正向和反向運行，證明該裝置性能穩定，操作方便。隨后，省內其他一些雙向運行泵站(如蘇州裴家圩泵站、仙人大港泵站、無錫梅梁湖泵站、金壇石橋泵站、常州大通河西泵站、遙觀北泵站、淮安里運河泵站、 太倉十八港南泵站等工程)也紛紛采用了該設計思路，通過使用換相隔離手車實現電動機反轉，達到機組正向和反向運行目的，機組運行安全可靠、操作簡便、易于管理，提高了設備使用壽命，同時也大大減輕了運行人員的工作量。

4 結 語

換相隔離手車從研制出來到現在廣泛使用已經過了很長一段時間，其間經過了結構調整、絕緣處理幾次改進，裝置運用日漸成熟。需要注意的是，在選擇大截面銅排規格時要安排好長寬比，方便銅排成形，盡量利用空氣絕緣，達到規范要求的電氣間隙。另外，從技術角度看，換相隔離手車還有改進和提升的空間，如選用多拼母排時可以采用管形絕緣母線，母線可以和觸臂套管合為一體；母排不規則折彎難以成形時可以采用軟母線。這些方法都可以在今后的工程實踐中繼續研制。

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[1] 孫美君，吳曉斌. 工業與民用配電設計手冊[M].3版. 北京：中國電力出版社，2005：657-658.

[2] GB50149-2010，電氣裝置安裝工程：母線裝置施工及驗收規范[S].

[3] 朱龍余. 流化床涂覆在高壓開關柜母線絕緣上的應用[J]. 現代涂料與涂裝，2005，(1): 46-47.

[4] DL/T 404-2007，3.6～40.5 kV交流金屬封閉開關設備和控制設備[S].

[5] GB50150-2006，電氣裝置安裝工程 電氣設備交接試驗標準[S].