特高壓直流輸電工程用408 kV直流隔離開關研制*

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

中國正處于經濟快速增長的關鍵時期，電力需求持續較快增長，需求重心將長期位于東中部地區，而煤炭資源開發逐步西移、北移，水能資源的開發正向西南地區轉移，風能、太陽能等新能源資源也將主要分布在西部、北部地區，未來能源流規模和距離將進一步增大，我國面臨大規模、遠距離、高效率電力輸送的挑戰。發展特高壓輸電可以推動國家清潔能源開發目標實現及清潔能源的高效利用，也有利于在全國范圍內實現土地資源的優化開發與節約利用[1]。根據國家電網公司規劃，將建成“五縱五橫”特高壓交流網架和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備，408 kV直流隔離開關的自主研發，將有力的支持國內電力發展的需要，為打破國外公司對直流輸電設備的技術壟斷，降低電力建設的成本，提高電網運行的可靠性有重要意義。

1 國內外研究現狀

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

2 關鍵技術研究

2.1 總體結構設計

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

圖1 408 kV直流隔離開關

鑒于筆者公司408 kV直流隔離開關公司直流產品系列化的考慮，擬采用單臂折疊插入式結構，考慮工程中產品抗震等級要求為AG5，所以支柱絕緣子選用單側兩柱支柱絕緣子，操作側增加一柱旋轉絕緣子，用于增加整體產品的穩定性與抗震性能。產品主要由導電系統、絕緣子、底座、操動機構等組成，由CJ11A型電動機操動機構進行分、合閘操作，總體結構如圖2所示。

圖2 總體結構圖

2.2 主導電系統設計

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

2.2.1 斷口間絕緣距離的確定

對于隔離開關斷口絕緣距離，也可以根據標準正極性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

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

則令

其中：Κ—操作沖擊典型間隙系數，斷口間間隙系數1.1。

則：U50RP=1058.5 kV

將U50RP代入式（1）得d=3.5 m

2.2.2 上導末端軌跡優化

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

其中：

O—下導電管旋轉中心；

A—齒條拉桿轉動中心；

B—齒輪軸中心；

C—齒輪與齒條的嚙合點；

D—上導電管端點；

圖3 運行軌跡幾何模型

α—下導電管OB與水平線的夾角；

β—兩回轉中心與水平線的夾角；

θ—上導電管與水平線的夾角；

S—下導回轉中心至上導回轉中心；

L—上導回轉中心至上導端部距離(即BD距離）。

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

考慮408 kV直流隔離開關實際模型，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直流隔離開關來說，根據最小斷口空氣絕緣距離4 000 mm的要求及底座安裝尺寸，主導電系統上導電管裝配與下導電管裝配及轉動座的總長度要等于4 920 mm。408 kV直流隔離開關上導電管末端在不同的下導電管長度和上導電管長度下的運行軌跡如圖4；權衡各種因素，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，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整范圍中，使產品能平衡合閘。

圖4 D點運行軌跡

2.2.3 多段平衡彈簧設計

為了進行408 kV直流隔離開關平衡彈簧設計，首先進行模型可簡化，如圖5所示。

圖5 簡化模型

依據參考文獻[3]，依次將上、下導電管的重量進行質量替代，得出產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，經過多次優化，采用多段平衡彈簧設計（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 最優彈簧力曲線

2.3 主導電系統通流設計

2.3.1 主導電管通流計算

交流隔離開關一般不以額定電流運行，而直流隔離開關都是按額定電流運行。因此，直流隔離開關導電系統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品的重量，增加產品裝配調試的難度，增大產品的操作力等問題。

408 kV直流隔離開關額定電流8 000 A，為了滿足額定通流能力，主觸指采用環形觸指，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電管裝配、下導電管裝配、齒輪箱裝配和屏蔽環焊裝等構成；動、靜觸頭采用密封結構，能夠有效減少直流吸附效應對觸頭的影響，避免接觸不良而產生發熱現象。考慮到導電管在長期發熱計算中，導電管各部分通過熱傳導傳遞的熱量較少，可以在計算中忽略不計，所以只需計算出因對流交換熱量QC和因輻射交換熱量Qr，即可計算出導電管的通流能力[4]。

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

2.3.2 觸頭通流能力的設計

隔離開關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，接觸電阻產生的熱量集中在較小的范圍內，這些熱量主要以傳導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。

在進行隔離開關的觸頭設計時，一方面要對觸頭進行通流能力設計，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，其溫差應在5K之內，確保觸頭長期通流的穩定性[5]。當然，最終接觸點的溫度必須被被限制在GBT/T 11022-2011中表三規定的溫度之下。這就要求在進行觸頭設計時，要求有較好的散熱條件。同時，還要根據觸頭通過短路電流時發熱的校核，觸頭在流過短路電流時，接觸部分強烈發熱，在幾秒的時間內，觸頭可能因過熱而出現局部融化，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的觸指進行計算，同時根據大量試驗結果表明，在設計中，為了防止觸頭溶化，若以銅的軟化溫度作為設計觸指的短時極限溫度是比較保守的；按熔點設計（銅的熔點溫度1 038℃），是不可靠的。國家標準規定：隔離開關在通過額定短時耐受電流后，開關設備不應該有明顯的損壞；應該能正常地操作，連續地承載額定電流而不超過規定的溫升極限，并在絕緣試驗時能耐受規定的電壓。這就說明在隔離開關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。根據以前的試驗經驗，在設計中按τ小于熔點溫度的50%來進行隔離開關的觸頭短時溫升，觸頭既是安全的，又是經濟的。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i 800 kV特高壓直流輸電工程招標技術規范要求，408 kV直流隔離開關采用復合絕緣子；每臺產品有五柱絕緣子，每柱絕緣子由兩節絕緣子疊加而成，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，計算結果表明，408 kV直流隔離開關在零周期加速度0.5 g時具有下列安全系數：使用破壞應力最小安全系數2.25，許用應力最小系數1.15，產品可滿足AG5級抗震要求。

2.4.2 頂端調節結構設計

絕緣子頂端用可調的螺桿結構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，此螺桿間距可調節，方便現場的安裝調試，也為地基沉降提供了解決措施。

圖8 可調節的螺桿結構

2.5 直流隔離開關電場仿真

408 kV直流隔離開關電場強度直接決定了設備的絕緣距離、無線電干擾水平、有效的安全距離、布置方式、設備成本等[7]。通過對408 kV直流隔離開關及接地開關直流電場的研究、分析，找到了降低408 kV直流隔離開關電場強度的有效方法[8-9]；并利用研究的結果完成408kV直流隔離開關高壓部分通流部分形狀、均壓環大小等的設計[10]，最終解決以下兩個問題：（1）直流隔離開關的絕緣問題；（2）設備運行時無線電干擾問題（降低設備現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的基礎、動靜側均壓環、上下導電管及中間屏蔽環部分，408 kV直流隔離開關分、合閘模型在ANSYS中后建模如圖9所示。

2.5.2 計算條件與網格劃分

隔離開關本體外的空氣域相對介電常數定為1，基礎和主閘刀作為導體的相對介電常數為10 000。

隔離開關本體與空氣域的單元類型選擇SOLID123；在隔離開關模型外建立尺寸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，以免計算數值與真值誤差較大，也不能太大，以減少網格數量，節約計算時間。

圖9 仿真計算模型

2.5.3 計算結果(優化后)

以均壓環管直徑、均壓環管之間的距離及最小空氣絕緣距離為可變因素，對隔離開關電場進行優化；最終得出在均壓環管直徑為100 mm，均壓環管之間距離為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，結果如圖10、圖11。

根據參考文獻[12]所述，空氣的電離場強值3.0kV/mm，所計算結果均在此值范圍內，理論上可以認為施加上述電壓時，空氣不會發生電離。最終通過絕緣驗證，均壓環的設計結構滿足要求。

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，在國家高壓電器質量監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定試驗等型式試驗，驗證了該產品方案的可行性和各項技術指標的合理性。

4 應用前景與效益

目前，該產品已經成功應用于“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。根據國家電網公司的規劃，到2020年將建成27個特高壓直流工程；隨著我國“一帶一路”戰略的提出，未來將建設全球能源互聯網，實現綠色、低碳發展，帶動智能電網、特高壓、新能源等新興產業，因此408 kV直流隔離開關的應用前景非常廣闊。

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