ZGW5-100D/J5500型高压直流隔离开关的研制

马永旭，王占杰，孙玉洲，王巧红，李宇鹏

（平高集团有限公司河南平高电气股份有限公司，河南平顶山 467001）

ZGW5-100D/J5500型高压直流隔离开关的研制

马永旭，王占杰，孙玉洲，王巧红，李宇鹏

（平高集团有限公司河南平高电气股份有限公司，河南平顶山 467001）

根据我国特高压直流输电工程对低压侧直流隔离开关机械、电气、耐地震等性能的要求，较详细地介绍了ZGW5-100D/ J5500型高压直流隔离开关的设计、试制及试验等研制情况。试验结果表明所研制ZGW5-100D/J5500型高压直流隔离开关的技术参数和性能指标等均满足我国目前特高压直流输电工程的要求。

高压直流隔离开关；换流站；双柱水平开启单断口；机械电气性能

1 概述

国家“十二五”规划纲要明确提出，适应大规模跨区输电和新能源发电并网要求，加快现代电网体系建设，进一步扩大西电东送的规模，完善区域主干电网，发展特高压等大容量、高效率、远距离先进输电技术。据国家电网的规划，“十二五”期间国家将建成11项特高压直流输电工程，100 kV直流隔离开关作为特高压直流工程换流站直流场设计布置的重要设备之一，是其他直流设备进行检修的安全保障，因此，为了满足我国特高压直流工程的需要，结合国内外先进的隔离开关设计理念，自行设计、研制出了具有自主知识产权的ZGW5-100D/J5500型高压直流隔离开关。

2 正常使用条件

ZGW5-100D/J5500型高压直流隔离开关主要用于特高压直流换流站直流场的中性母线侧，在合闸位置时，能承载正常回路条件下的电流及在规定时间内异常条件(例如短路)下的电流；在分闸位置时，可为电抗器、直流转换开关、互感器等设备的检修提供一个符合规定要求的安全可见的绝缘距离。

正常使用环境条件：

（1）周围空气温度：-40℃～+40℃；

（2）海拔： 不超过3 000 m；

（3）风速： 不超过34 m/s；

（4）覆冰厚度： 不大于10 mm；

（5）抗震水平： AG5；

（6）安装场所应无经常性的剧烈振动及易燃、易爆物质和化学腐蚀的影响。

3 产品技术参数及主要性能指标

3.1 产品分类及技术参数

ZGW5-100D/J5500型高压直流隔离开关，该产品按接地方式可分为不接地、单接地、双接地三种规格，其中单接地又分为左接地和右接地两种。如表1所示。

表1 主要技术参数

3.2 主要技术性能指标

（1）隔离开关及附装的接地开关的机械寿命不低于5 000次。

（2）隔离开关及其附装的接地开关采用CJ11A型电动机操动机构，分、合闸操作时间均为12 s±2 s。

（3）隔离开关分闸后，最小空气绝缘距离不小于1 800 mm；接地开关分闸后，最小空气绝缘距离不小于1 500 mm。

（4）隔离开关及其附装的接地开关分、合闸操作时，所需的操作力不超过60 N，并且在总转数最多10%的转数内，操作力的最大值允许为120 N。

（5）隔离开关与其附装的接地开关具有机械联锁功能，以保证隔离开关合闸时，接地开关不能合闸，接地开关合闸时，隔离开关不能合闸。

4 产品结构性能分析与计算

4.1 产品总体结构设计

ZGW5-100D/J5500型高压直流隔离开关采用双柱水平开启单断口结构；主要由底座总装配、直流支柱绝缘子、主导电系统和CJ11A型电动机操动机构等组成；根据需要可附装一套或两套直流接地开关，直流接地开关采用直抡式结构，布置方式与隔离开关底座平行。隔离开关配用CJ11A型电动机操动机构进行分、合闸操作；直流接地开关配用CJ11A型电动机操动机构进行分、合闸操作；隔离开关和接地开关之间装有机械联锁装置，可确保隔离开关或接地开关不发生误操作。总体结构见图1。

图1 ZGW5-100D/J5500型高压直流隔离开关

通过对ZGW5-100D/J5500型高压直流隔离开关进行电场的校核及优化，初步确定其断口及对地绝缘距离；同时，结合国内直流绝缘子制造工艺水平，选取合适的绝缘子高度，最终确定隔离开关的总体尺寸。

图2 分闸状态电场计算

图3 合闸状态电场计算

在施加170 kV直流电压情况下，计算的结果为：分闸状态的电场强度为1.826 kV/mm，合闸状态的电场强度为1.951 kV/mm，如图2和图3所示。满足设计要求，并得到试验验证。

4.2 通流能力设计

由于ZGW5-100D/J5500型高压直流隔离开关作为特高压直流输电工程换流站的重要开关设备，是直流输电线路中的一个电气元件，通流能力是其关键的参数。根据现有工程要求其额定电流为5 500 A，2 h过负荷电流为6 300 A；同时由于直流输电工程通常都是以额定电流运行，因此对导电部分的可靠性要求较高，在设备运行过程中，必须保证接触良好，否则极容易发热造成主触头部分的烧蚀而影响整个设备的正常运行。为此，利用发热和散热平衡原理对主导电系统进行了通流能力计算；并利用Ansys软件对热平衡状态时主导电系统的温度场进行了计算和优化；在此基础上对主导电系统的结构做了全新的设计。在接线座前后增加散热结构，两边盖板采用百叶窗结构，满足了主导电系统通流的需要。

4.3 机械传动设计

隔离开关传动系统采用优化的四连杆结构，设计时，为了减轻操作力矩，使分合闸终点位置能自锁，往往使主动拐臂在分闸或合闸位置，都处于相应的死点位置，即δ=180°；当隔离开关主轴A转角θ选定后，计算出四连杆结构有关转角及有关连杆尺寸，从而设计出满足要求的传动系统。四连杆传动系统简图见图4，计算过程如下。

（1）先选定主轴A转角θ（对于双柱水平单断口隔离开关θ取90°）、主动拐臂中心到底座中心线的垂直距离h、主动拐臂中心到主轴A水平距离m、被动拐臂长度R1。

（2）计算求出主动拐臂长度R2、连杆与两中心连线的夹角β0、合闸位置时被动拐臂与两中心连线的夹角α、连杆长度L。

从图4可知 β1=β2，

选取θ=90°，m=1 050 mm、h=272 mm，R1= 200 mm，并将其分别代入式（1）、（2）、（3）、（4）中，计算得出β0=7.5°，α=52.5°，R2= 141.42 mm，L=1 216.82 mm。

4.4 机械强度校核

委托郑州机械研究所，采用有限元模型分析了ZGW5-100D/J5500型高压直流隔离开关的抗震性能，计算结果表明，该直流隔离开关抗震水平可以满足GB13540-2009规定的AG5的要求，安全系数大于2.23。

图4 四连杆传动系统简图

图5 地震性能计算

5 产品通过的型式试验项目

ZGW5-100D/J5500型高压直流隔离开关在国家高压电器质量监督检验中心等进行了全部型式试验，试验项目符合相关国家标准和行业标准的要求，试验结果合格。试验结果证明其性能全部满足ZGW5-100D/J5500型高压直流隔离开关的技术要求，并有一定的裕度。

完成的试验项目主要有：

（1）机械特性试验、机械操作试验、隔离开关和附装的接地开关的5 000次机械寿命试验；

（2）温升试验、2 h过负荷电流的温升试验及辅助回路的温升试验；

（3）隔离开关和附装的接地开关回路电阻测量；

（4）隔离开关和附装的接地开关额定端子静态机械负荷时的操作试验；

（5）隔离开关及附装的接地开关短时耐受电流25 kA（3 s）、峰值耐受电流63 kA的容量试验；

（6）海拔3 000 m的60 min直流耐受电压试验、雷电冲击电压试验、操作冲击耐受电压试验。

6 结束语

ZGW5-100D/J5500型高压直流隔离开关采用双柱水平开启单断口结构，产品具有如下特点。

（1）产品触指采用外压式板簧，性能可靠；轴承座装配采用上下双道密封，防止雨水、沙尘对转动轴承的侵蚀；转动部位采用自润滑轴套，操作灵活；零部件通用性好，系列化程度高。

（2）隔离开关及附装的接地开关无论在合闸位置或分闸位置时，其主动拐臂均处于死点位置，可以有效防止外力作用下的误分闸现象，提高产品可靠性。

（3）导电关节部分采用导电带，其结构简单，可靠性较高，通流能力强。产品绝缘水平高、防腐能力好、机械寿命长、外形美观。完全满足目前我国直流输电工程的要求。

［1］赵畹君.高压直流输电工程技术［M］.北京：中国电力出版社，2004.

［2］钟振蛟.户外隔离开关导电回路过热的起因及对策［J］.高压电器，2005（4）：307-309，312.

［3］马永旭，王占杰，王红敏.中性母线直流隔离开关的设计与计算［J］.高压电器，2011（5）：70-75.

［4］王占杰，徐光辉，马永旭，等.±800kV特高压直流隔离开关的研制及应用［J］.机电工程技术，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

马永旭，男，1965年生，河南平顶山人，高级工程师。研究领域：高压开关产品设计与研发。

(编辑：阮 毅)

2013－08－26