一種抽水蓄能電站用換相開關構型參數及溫升研究

弟澤龍 程 立 曾廣移 黃 煒 呂軍玲

一種抽水蓄能電站用換相開關構型參數及溫升研究

弟澤龍1程 立1曾廣移2黃 煒2呂軍玲1

（1. 西安西電開關電氣有限公司，西安 710077；2. 南方電網調峰調頻發電有限公司，廣州 510630）

本文首次分析我國抽水蓄能電站單臺350MV?A以下容量主流發電電動機用換相開關的設計過程，探討換相開關的技術特點及設計要求，并就設計方案的溫升特性進行仿真研究。以該設計方案制造的樣機通過了溫升型式試驗，驗證了設計的合理性和可靠性。本文研究可為同類產品的性能提升或相似產品的研發提供參考。

換相開關；三相五極；溫升；可靠性

0 引言

近年來清潔和環保能源產業提速發展，抽水蓄能電站作為目前電力系統中最大的儲能形態，其作用日益凸顯[1-2]。抽水蓄能不僅是一種綠色高效能源利用形式，而且對于接入電網的出力波動較大的新能源如海上風電、太陽能等，具有良好的吸納和提質作用，增強了電力系統調節性能[3-6]。因而，抽水蓄能電站迎來了快速發展建設時期。

抽水蓄能電站所使用的發電電動機具有發電機和電動機兩種基本工況。在系統用電低谷期，機組運行在電動機工況進行抽水蓄能；在系統用電高峰期，機組運行在發電機工況進行發電并輸入電網。換相開關（phase reversal disconnector, PRD）是實現抽水蓄能電站機組發電和電動兩種工況轉換的專用一次設備[7]，安裝于發電電動機出口電壓主回路[8]，與發電機斷路器串聯使用，位于發電電動機和變壓器之間，參與抽水蓄能電站多種工況轉換過程[9-10]，其狀態良好與否對抽水蓄能電站運行極為重要。我國在運及規劃中的抽水蓄能電站均以安裝單臺容量300MV?A發電電動機為主，同時存在少數容量為350MV?A及400MV?A機組。換相開關具有載流大及可靠性高兩個基本特征，單臺發電電動機配用一臺換相開關，以300MV?A發電電動機為例，所配用的換相開關一般額定電壓為24kV[11]，額定通流能力應達到約12 500A，機械操作壽命應達到20 000次[12]。

目前，我國抽水蓄能電站建設所需換相開關完全依賴進口ABB、AE Power等公司設備，國內未見該領域相關產品。實現該設備國產化能有效緩解國內市場需求壓力，促進我國抽水蓄能電站建設持續發展。本文闡述一種抽水蓄能電站換相開關的設計過程，詳述其整體設計方案和通流溫升分析。

1 功能和結構研究

1.1 總體結構

換相開關安裝于抽水蓄能電站發電電動機和變壓器之間，其電站主接線如圖1所示。

圖1 換相開關電站主接線

換相開關用于改變發電電動機出口三相母線的相序，可以使用兩組三相開關實現該功能，即三相六極。當發電電動機處于發電工況時，機組出口母線連接一組三相開關，當發電電動機處于電動工況時，機組出口母線連接另一組三相開關。兩組三相開關一端均連接至發電電動機，另一端均連接至電網。三相六極換相開關示意圖如圖2所示，電網側相序不變，而兩組三相開關各自導通時回路的相序不同，因此通過機組出口母線與該兩組三相開關的切換連接，可以實現機組在發電工況和電動工況下的出口相序轉換。兩組三相開關分別用于發電工況（圖2中GA、GB、GC導通）和電動工況（圖2中PA、PB、PC導通）。在任何導流工況下，有且僅能有一組三相開關合閘通流。

為了簡化外部母線聯接方式、提高產品可靠性，換相開關一般采用三相五極結構[7]，而不是三相六極結構。三相五極換相開關示意圖如圖3所示，五極分別為A、GB、GC、PB、PC。換相開關與發電電動機所取工況一致，當發電電動機處于發電工況時，A、GB、GC三極合閘，當發電電動機處于電動工況時，A、PB、PC三極合閘，A為兩工況共用極。圖3中分別顯示了五極分閘狀態、發電工況導流狀態和電動工況導流狀態。在任何導流狀態下，換相開關有且僅有三極合閘。

圖2 三相六極換相開關示意圖

圖3 三相五極換相開關示意圖

處于某一種導流工況下的換相開關五極在完成工況轉換指令操作后，能夠實現內部導體聯通回路的轉換或者內部導體與外部母線聯通回路的轉換，從而達到五極中最多僅有三極處于合閘導流狀態的目的，該三極對應連接來自發電電動機的三相輸出回路。在發電工況與電動工況下換相開關導通的三極回路不同，而電網側三相相序不變，從而實現了在兩種導流工況下發電電動機輸出回路三相相序的轉換。

根據導流回路轉換時是否借助于外聯母線，三相五極換相開關可以分為獨立型和集約型兩種，其示意圖分別如圖4和圖5所示，圖中點劃線框代表換相開關設備本體。

獨立型換相開關通常每一極獨立置于封閉金屬箱體內，共五個單極，每一極均設置輸入、輸出端，輸入和輸出端均連接封閉母線，圖4所示為一種整體五極布置形態。在發電和電動兩種工況下五極中均有且僅有三極合閘，且兩工況合閘三極不同，借助合閘三極所連接的輸入、輸出母線實現與進、出線兩側三相線路聯通，且通過封閉母線實現相序轉換。在圖4中，兩種工況下換相開關兩側的封閉母線導流段不同，在發電工況導流路徑為AM-A-AM、BM-GB-BM和CM-GC-CM，在電動工況導流路徑為AM-A-AM、BM-PB-CM和CM-PC-BM。AM、BM、CM和AM、BM、CM代表兩側母線。

圖4 三相五極獨立型換相開關示意圖

集約型換相開關通常僅有三相輸入、輸出端，輸入、輸出端均連接封閉母線，如圖5所示。在工況轉換時，換相開關內部導流路徑發生變化，而兩側封閉母線的導流方式不變，在換相開關內部實現了三相相序的轉換。在圖5中，進出線兩側導流時母線對應關系均為AM- AM、BM-BM和CM-CM。

圖5 三相五極集約型換相開關示意圖

換相開關一般配用電動機操動機構。在獨立型換相開關中，五極主回路開關各自單獨配用一臺機構，用于電動工況的兩極主回路開關也可以共用一臺機構兩極聯動，接地開關一般采用三極聯動，一組三極聯動配用一臺電動機操動機構。在集約型換相開關中，共用極配用一臺電動機操動機構，其余各極配用一臺電動機操動機構。

圖4及圖5所示兩種結構型式各有優缺點，獨立型極間絕緣性能易于保證，五極布置可以隨工程靈活調整；集約型總體占地空間小，結構模塊化程度高，傳動結構和五極之間的機械互鎖易于實現。

以上是換相開關整體結構的兩種布局型式，有待進一步研究簡化，在本文設計中采用三相五極獨立型整體結構。

1.2 單極結構

獨立型換相開關的單極結構示意圖如圖6所示，圖中所示為合閘狀態。在封閉金屬箱體內含動端和靜端兩部分，整體采用水平布置。動端支座、靜端支座和動觸頭均為圓筒狀結構，金屬箱體與兩支座之間使用環氧樹脂絕緣件支撐固定，動端、靜端及箱體之間的其他絕緣均采用干燥空氣。

1—箱體外殼 2—動端絕緣支撐 3—動端支座 4—動端觸指 5—動觸頭 6—靜端觸指 7—靜端絕緣支撐 8—靜端支座

單極動觸頭的傳動系統為空間連桿系統。在圖6中該傳動系統的輸入端與外部電動操動機構輸出軸連接，輸出端則與動觸頭鉸接。電動操動機構的輸出為轉軸回轉運動，通過該傳動系統實現了將回轉運動轉換為直線運動。動觸頭沿其軸線直線運動，實現單極開關的合閘與分閘操作。

在動端支座和靜端支座緊鄰斷口的端部均沿周向設置多個觸指接觸點，在合閘狀態借助觸指周向均布壓力自動校正動觸頭與兩支座的位置對中，確保接觸狀態良好。

2 溫升導流研究

2.1 設計思路

換相開關作為連接于發電電動機出口主回路的電力開關，具有電流大、電壓低的負載特性，其在長期通流工況下的溫升性能極為重要。在本文設計中，換相開關額定電流確定為15 000A，遠大于常見開關額定電流。在較大載流條件下，導體截面電流密度較大，電流熱效應顯著，且趨膚效應增加了導體發熱量。

換相開關各極均安裝于密閉金屬箱體內，在通流工況下，導流回路產生的熱量不能直接傳導至外界空氣，而必須經過導流回路與箱體外殼之間的干燥空氣并借助箱體外殼向外傳導，熱阻較大。為降低溫升發熱，可以通過氣流循環冷卻方式增強散熱效果[13-14]，抽水蓄能電站特別要求設備必須具備自然冷卻能力，不能借助循環風冷等輔助方式，設備溫升性能主要依賴自身熱容量實現。換相開關整體尺寸存在約束，極間尺寸受限于發電電動機出口母線相間距，常見相間距約1 500mm，而各極導體尺寸則受限于導體與箱體外殼之間的絕緣要求。

在導流回路上，觸頭觸指的接觸電阻通常大于其自身電阻，接觸位置發熱明顯。接觸電阻與接觸壓力、鍍層等因素相關，一般隨接觸壓力增大而減小，然而過大的接觸壓力會增加觸頭觸指磨損從而降低滑動接觸的機械壽命。

開關類產品溫升受到多種因素影響[15-17]。本文設計側重從兩方面進行結構優化以減小溫升：一是減小設備中導體的通流密度，減小發熱量；二是增加設備中導體的外表面積，增強散熱。支座、動觸頭均整體呈現薄壁圓筒狀，通過調整其直徑，能達到同時增大截面積和增大外表面積的目的，且基本不增加零件制造難度。為了減小導流回路的接觸電阻，對于各接觸位置，沿薄壁導體周向設置較多觸指接觸點，通過較多觸點并聯的方式降低接觸電阻，且不增加觸頭觸指接觸壓力。為預估校核設計方案的溫升，進行仿真分析。

2.2 溫升仿真分析

采用電磁場與熱流場耦合仿真計算換相開關溫 升[18-22]。首先建立換相開關的有限元分析模型，計算得出通流時其電流、磁場和損耗分布。然后將由電磁計算所得熱功耗導入熱力學仿真模型，該過程按網格節點導入方式進行，為了保證傳遞數據的準確性，電磁場與流場計算模型一致。最后通過熱流場分析得出換相開關的溫度場分布。

為了簡化計算，考慮到模型的對稱性，取單極一半模型進行計算。換相開關計算模型如圖7所示。

圖7 換相開關計算模型

1）電磁場仿真

在換相開關通流主回路中存在兩處電接觸，電接觸是導流回路中的主要發熱點之一[23-26]，電接觸建模采用等效建模的方式。首先通過對樣機實測獲得各處接觸電阻值，將接觸電阻視為串聯在觸頭之間的電阻，對這一電阻進行實體建模并賦以虛擬材料參數，使其電阻值與實測接觸電阻一致。通過這一設置，使接觸電阻在溫升有限元計算中得以體現。電接觸示意圖如圖8所示，換相開關存在兩處接觸等效，具體接觸電阻賦值情況見表1。

圖8 電接觸示意圖

表1 各接觸電阻賦值

在電磁場仿真計算中，設置的材料屬性參數見表2，施加的電流激勵示意圖如圖9所示，其余邊界條件均為默認。

表2 材料屬性

圖9 加載電流激勵示意圖

由仿真可得，在通流15 000A時導流回路總體交流損耗約310W，以此作為熱力學仿真的輸入。

2）熱力學仿真

將計算幾何模型加空氣包做自然對流散熱仿真，帶空氣包的流體模型如圖10所示。設置空氣包的6個面中除對稱面以外的5個面為壓力出口邊界條件，環境溫度設置為313K，設置整體模型的初始溫度和出口溫度為313K，在仿真計算中充分考慮自然對流和熱輻射。系統發熱量由電磁計算得到，在流場模型中導入各節點熱量值作為內熱源，進行熱流場仿真。與溫度相關的材料參數見表3。

圖10 帶空氣包的流體模型

表3 與溫度相關的材料參數

計算得到換相開關內部導體溫度云圖如圖11所示，箱體外殼溫度云圖如圖12所示。

圖11 換相開關內部導體溫度云圖

圖12 換相開關箱體外殼溫度云圖

從圖11可見，主回路最大溫升（即最高溫度366K）出現在觸指接觸部位，環境溫度313K，則最大溫升約53K，符合GB/T 11022中溫升限值65K的要求[11, 27]。從圖12可見，箱體最大溫升（即最高溫度324K）出現在頂部，環境溫度313K，則最大溫升約11K，符合GB/T 11022中溫升限值30K的要求[11, 27]。仿真結果同時表明，該換相開關在15 000A通流條件下的溫升具有一定裕度，從而容許所用材料的物理特性在一定范圍內波動。

3 型式試驗

為最終確認設計的合理性及可靠性，在西安高壓電器研究院依據國家標準GB/T 11022等進行溫升型式試驗，試驗現場接線如圖13所示。在溫升型式試驗中，試驗電流達到16 500A，試驗結果見表4，試驗結果合格。通過溫升型式試驗檢驗了設計的合理性，也表征了產品的技術參數。

圖13 換相開關溫升型式試驗現場接線

表4 溫升試驗結果

4 結論

本文分析了一種抽水蓄能電站用換相開關的設計研究過程，涉及換相開關的使用工況、技術特點和設計要求，對其可行的整體設計方案進行了探索，并就產品的溫升性能進行了分析。

作為發電電動機出口用開關設備，換相開關必須承載較大額定電流，溫升性能尤為重要。本文針對一種換相開關設計方案進行了電磁-熱力學耦合場仿真分析，以此預估其溫升性能。根據該方案所制造的樣機通過了溫升型式試驗，從而驗證了其合理性。基于該設計和研究過程，可以為更大容量、更高可靠性的同類或相似產品設計提供有益參考。

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Research on configuration parameters and temperature rise of a kind of phase reversal disconnector for pumped storage power station

DI Zelong1CHENG Li1ZENG Guangyi2HUANG Wei2Lü Junling1

(1. Xi’an XD Switchgear Co., Ltd, Xi’an 710077;2. China Southern Power Grid Peak Shaving and Frequency Modulation Power Generation Co., Ltd, Guangzhou 510630)

The design process of phase reversal disconnector for pumped storage generator/motor with the capacity below 350MV?A is analyzed for the first time in China. The technical characteristics and design requirements are discussed, and the performance of temperature rise of a design scheme is estimated by simulation. The prototype designed according to the scheme has passed the temperature rise type test, which verifies the rationality and reliability of the scheme. The research can provide some useful reference for the performance improvement of similar products or the new development of similar products.

phase reversal disconnector; three-phase and five-pole; temperature rise; reliability

中國南方電網公司科技項目（STKJXM20190198）

2022-08-22

2022-10-01

弟澤龍（1988—），男，陜西省渭南市人，碩士，主要從事發電機斷路器系列高壓開關研發設計工作。