550 kV戶外交流隔離開關的結構設計與校核

□ 左 科 □ 郭 鑫 □ 吳 上

1.湖南長高高壓開關集團股份公司 長沙 4102192.湖南長高高壓開關有限公司 長沙 410219

1 研究背景

隨著電力事業的高速發展,電力線路輸送距離加長,電站輸變電設備正向大容量、高電壓方向發展。建設大型電站,要求斷路器額定開斷電流達到63 kA,進而要求戶外隔離開關的額定短時耐受電流也達到63 kA。可見,開發新結構、高性能、高可靠性的隔離開關產品非常有必要。

在“十五”計劃期間,國家電網公司加大了對電網建設的大規模投資,550 kV電網成為主電網,用戶對550 kV戶外高壓隔離開關的需求也迅速增長。根據規劃,我國每年需550 kV戶外高壓隔離開關和接地開關約2 000組,目前能生產該類型隔離開關并達到技術性能要求的公司并不多,大部分需求還依賴進口,而進口該類型產品則價格昂貴。可見,550 kV戶外高壓隔離開關的研制生產具有較大的市場潛力。

2 結構設計

國內外同類型550 kV戶外高壓隔離開關技術參數比較見表1。筆者公司生產的550 kV戶外高壓隔離開關由三相單極隔離開關組成,每相單極隔離開關單獨操作,電氣控制三相同期。垂直型隔離開關一般為三相交叉布置和一列式布置,水平型隔離開關一般為平行布置。單極隔離開關由底座、支柱絕緣子、操作絕緣子、主刀閘、接地刀閘、靜觸頭、操動機構組成。550 kV戶外高壓隔離開關結構如圖1所示。

3 計算校核

3.1 通流能力計算

550 kV戶外高壓隔離開關型式試驗通過的短時耐受電流應達到63 kA,溫升控制尤為重要,且同時需承受系統要求的短時耐受電流和峰值耐受電流,所以需要針對各導電部分的通流面積進行校核。

許用通流截面積[A]為:

(1)

式中:IS為短時耐受電流,值為63 kA;tS為短時耐受電流持續時間,值為3 s;ρ0為初始溫度時的電阻率,銅為0.017 5×10-6Ω·m,鋁為0.029×10-6Ω·m;α為電阻溫度系數,銅為4.33×10-3K-1,鋁為3.8×10-3K-1;γ為密度,銅為8.9×103kg/m3,鋁為2.7×103kg/m3;c為比熱容,銅為0.397×103J/(kg·K),鋁為0.88×103J/(kg·K);θs為最大允許發熱溫度,銅為300 ℃,鋁為200 ℃;θ0為初始溫度,值為20 ℃。

計算得到銅材料與鋁材料結構的許用通流截面積分別為480.9 mm2、865 mm2。

最小通流密度Ji為:

表1 550 kV戶外高壓隔離開關技術參數對比

Ji=I/A

(2)

式中:I為550 kV戶外高壓隔離開關的額定電流,值為4 000A;A為材料通流截面積。

校核550 kV戶外高壓隔離開關各導電部分材料的截面積及通流密度。上、下導電管為鋁管,外徑為150 mm,壁厚為6 mm,通流截面積為2 714 mm2,通流密度為1.47 A/mm2。導電帶有兩根,通流截面積為2 880 mm2,通流密度為1.39 A/mm2。動觸頭為異形截面銅板,通流截面積為3 088 mm2,通流密度為1.29 A/mm2。靜觸桿為銅管,外徑為62 mm,壁厚為5 mm,電流從兩邊向母線流動,通流截面積為1 790 mm2,通流密度為2.23 A/mm2。

根據資料,銅和鋁在短路情況下的許用通流密度分別為46 A/mm2、27 A/mm2,可見校核結果符合導電材料通過熱穩定電流所要求的最小截面積及長期通流密度要求。

3.2 平衡彈簧設計校核

550 kV戶外高壓隔離開關的平衡彈簧對減小操作力矩,保證開關平穩分合閘起關鍵作用。對于單臂折架式隔離開關,平衡彈簧選用兩端磨平并緊的Ⅱ類壓縮彈簧,依據GB/T 23935—2009《圓柱螺旋彈簧設計計算》進行計算。550 kV戶外高壓隔離開關上、下導電管的受力分析如圖2所示。

圖2中,F1為齒輪圓周力,Fn1、Fn2為以齒輪軸為中心的支撐反力,a為導電管與水平線的夾角5°～90°,G1為上導電管重力600 N,L1為上導電管以齒輪軸為原點的質心尺寸1.1 m,r為齒輪分度圓半徑,G2為下導電管重力1 310 N,L2為下導電管以轉動座轉軸為原點的質心尺寸1.3 m,L3為齒輪軸與轉軸的中心距2.8 m,M為平衡彈簧產生的平衡力矩。

齒輪圓周力F1為:

F1=G1L1cos2a/r

(3)

平衡力矩M為:

M=(G2L2+G1L3)cosa

(4)

平衡彈簧所需力T為:

T=M/L

(5)

式中:L為平衡彈簧作用力臂長,值為0.177 5 m。

整理得:

T=5.634M

(6)

由此得到導電管與水平線夾角在5°～90°內各均布點的平衡彈簧壓縮量X,見表2。擬合得到開關力矩所需彈簧力曲線,如圖3所示。

彈簧總壓縮量為200 mm,工作壓力值為37 500 N,彈簧理論剛性系數為187.5 N/mm。

平衡彈簧剛性系數k計算值為:

式中:G3為平衡彈簧切邊模量,值為78 MPa;d為平衡彈簧絲直徑,值為2.5 mm;D為平衡彈簧外徑,值為100 mm;n為平衡彈簧圈數,值為20。

3.3 重要零部件強度校核

550 kV戶外高壓隔離開關在分合閘過程中,底座傳動部分所受操作力是開關本體重力力矩與平衡彈簧力矩的差值。底座拉桿受力F3與錐齒輪受扭矩M2關系見表3。

拉桿材料為0Cr18Ni9,查設計手冊,可知許用拉伸應力[σ1]為100 MPa,可調拉桿最小橫截面積S為113.1 mm2。

拉桿所受拉伸應力σ為:

拉桿所受拉伸應力小于許用拉伸應力,拉桿抗拉強度合格。

▲圖1 550 kV戶外高壓隔離開關結構

齒輪軸材料為45號鋼,布氏硬度(HB)為240～280。查設計手冊可知許用抗扭強度[σn]為650 MPa,許用扭轉靜應力[τ1]為140 MPa～160 MPa。

齒輪軸抗扭模量WP為:

式中:d為齒輪軸外徑,值為40 mm;b為齒輪軸鍵槽寬,值為12 mm;t為齒輪軸鍵槽深,值為5 mm。

▲圖2 550 kV戶外高壓隔離開關受力分析

▲圖3 開關力矩所需彈簧力曲線

齒輪軸最大扭轉應力τmax為:

τmax=M2max/WP=47 MPa

許用彎曲應力[σFP]為:

[σFP]=σFlimYδrelTYRrelTYXYST/SFlim=514.5 MPa

式中:σFlim為齒輪材料彎曲疲勞強度極限,值為343 MPa;YST為應力修正因數,值為2;YRrelT為相對齒根表面狀況因數,值為1.05;YδrelT為相對齒根圓角敏感因數,值為1;YX為尺寸因數,值為1;SFlim為最小安全因數,值為1.4。

齒輪軸彎曲應力σF為:

σF=FTKAKVKFβKFαYSaYKYFaYεYβYFS2/

(0.85b1mmnYFS1)=380.5 MPa

式中:FT為齒輪圓周力;KA為使用因數;KV為動載因數;KFβ為齒向載荷分布因數;KFα為齒間載荷分布因數;YSa為齒形因數;YK為錐齒輪因數;YFa為應力修正因數;Yε為齒輪抗彎強度重合度因數;Yβ為齒輪抗彎強度螺旋角因數;b1為齒輪齒寬;mmn為齒輪中點模數;YFS1、YFS2為復合齒形因數。

表2 平衡彈簧壓縮量

表3 底座拉桿受力和錐齒輪受扭矩關系

齒輪軸的最大扭轉應力和彎曲應力均小于材料許用彎曲應力,因此強度校核合格。

4 關鍵部件設計改進

根據上述詳細計算校核,對550 kV戶外交流隔離開關關鍵零部件——觸頭的結構進行改進,改進后的觸頭結構如圖4所示。改進后觸頭由四對觸指、觸指座、彈簧座、操作桿、傳動架、連板、彈簧等零件組成。合閘時,由操作桿推動傳動架向前運動,通過連板使彈簧座帶動觸指合攏。當觸指合攏至夾到定觸桿時,由于觸指不能繼續運動,彈簧座壓縮夾緊彈簧,并使力加在觸指上。觸指最后夾緊靜觸桿,保證合閘夾緊力穩定。由于每個觸指由一個彈簧加載,因此可以使接觸穩定可靠。

▲圖4 改進后觸頭結構

平衡彈簧是主刀閘結構的核心零部件,需按預定的要求儲能或釋能,參照壓縮彈簧的設計方法確定設計參數,最大限度平衡主刀閘的重力矩,以利于主刀閘的運動。

底座傳動結構中的導電轉動部位采用軟導電帶連接,軟導電帶為固定接觸,不會因為臟污和灰塵影響導電性能,散熱面積大,通流能力強。為了使轉軸能長時間靈活動作,轉軸兩端設置全密封不銹鋼軸承,調節桿兩端采用不銹鋼關節軸承。改進后的底座傳動結構如圖5所示。

▲圖5 改進后底座傳動結構

5 結束語

筆者對550 kV戶外高壓隔離開關進行了結構設計和校核,首先參照國內外同類型產品的特點初步確定設計方案,然后對其中的關鍵零部件進行理論計算分析,提出改進550 kV戶外高壓隔離開關性能的措施,并針對隔離開關的結構及關鍵零部件受力情況進行分析,達到優化結構、降低成本、減小試制工作量的目的。550 kV戶外高壓隔離開關新產品的設計制造為豐富筆者公司產品系列,節約生產成本,提高產品市場競爭力做出了貢獻。