三工位隔离接地开关三相动热稳定性能验证

2015-10-14朱科杜少云张宇肖鹤旋

河南科技 2015年22期

关键词：螺旋弹簧热稳定性工位

朱科　杜少云　张宇　肖鹤旋

（河南平芝高压开关有限公司，河南　平顶山　467013）

三工位隔离接地开关三相动热稳定性能验证

朱科杜少云张宇肖鹤旋

（河南平芝高压开关有限公司，河南平顶山467013）

按照国家标准GB1985规定的隔离接地开关（以下简称DS/ES）型式试验要求，电气开关设备必须满足动稳定和热稳定性能的要求。本文介绍了一种三相共箱式三工位DS/ES和三相动、热稳定（以下简称STC）试验失败与成功的过程，整理相关试验数据并综合分析。为了有效地应对动、热稳定性能的要求，探讨DS/ES接触部结构设计方法的应用。

隔离接地开关；三工位；三相共箱式；动稳定&热稳定；三相试验

电气设备动、热稳定性能试验验证，不仅考核了设备承载短时大电流热效应的能力，也验证了设备整体绝缘和机械强度。随着国家标准GB术语与国际化标准IEC术语的进一步融合规范，术语“动稳定和热稳定性能”被“额定峰值耐受和额定短时耐受”替代。额定短时耐受性能试验（即：热稳定试验），在规定的使用和性能条件下，在额定短路持续时间内，电器在关合位置所能承载的额定短时电流有效值。额定短路持续时间，在电气设备合闸位置时能承载额定短时耐受电流的时间间隔。额定峰值耐受性能试验（即：动稳定试验），在规定的使用和性能条件下，机械开关在合闸位置时能承载的额定短路耐受电流第一个大半波的电流峰值。通常，额定峰值耐受电流标准值等于2.5倍额定短时耐受电流。当系统直流分量的衰减时间常数大于45ms，并结合电力系统特性和电气开关设备的操作特点，额定峰值耐受电流标准值会大于2.5倍额定短时耐受电流，按照IEC标准规定可以为2.6倍，2.7倍，如若遇到此种特殊倍数要求，需要在相关技术条件中明确。

1　三相共箱式三工位DS/ES

本文介绍的三相共箱式三工位DS/ES，动、热稳定性能验证的目标值如下：额定短时耐受电流40kA（rms），额定短路持续时间3s，额定峰值耐受电流100kA（peak），峰值耐受时间为20ms（0.3/15=0.02s）。动、热稳定性能试验采用三相直接试验法，相间电压按照试验理论上不需要施加，但由于试验站内电气设备实际电压控制能力和水平受限，直接试验时相间电压基本上等于系统电压，且不大于3000V，同时对三相试验回路有相对严格地要求，保持三相系统电流基本平衡。

图一　DS/ES三维内部构造

图二　DS/ES三相动、热稳定试验姿态

2　DS/ES三相STC试验

三相直接法STC试验过程，试品内为零表压SF6，电阻为铜排至ES接地座，当试验电流持续时间达到2.5s左右时，试验记录波形显示A、B两相没能耐受住额定短时电流，从而放电→击穿→烧毁，试验数据如表一所示，STC失败记录详见图三。

表一　DS/ES试验数据（失败）

图三　STC失败记录

3　查找、分析失败原因

三工位隔离接地开关在动、热稳定试验遭遇失败后，我们首先对试验样机安全排毒处置，然后进行了解体检查，通过对毁坏零部件的仔细勘查和壳体内部烧蚀及残留痕迹进行分析，从而进一步研讨，排除了制造间隙和关键尺寸不良的问题。随后经查阅DS/ES原始设计资料发现，接地开关侧装螺旋弹簧触指的槽深直径为￠85.4mm和隔离开关侧装螺旋弹簧触指的槽深直径￠84.8mm不一致，虽然直径方向只有0.6mm，单边也不过0.3mm的差距，但足以影响到整个接触部位的接触电阻，因为接触电阻不均匀会导致三相电流失衡，从而引发三相STC试验的失败。再者经过核算DS/ES静触头端单段式￠1.3mm线径的螺旋弹簧触指，得出该单段式结构难以满足短时通流40kA的结论。经过研讨和相似结构类比，确定重新设计弹簧触指，合理控制接触点的压力和间隙挤压变形量，整体控制触头接触部的接触电阻，从上述方面入手制定应对STC性能的措施。

4　静端螺旋弹簧触指和环槽设计校核

目前弹簧触指有两种材料被普遍应用于电气开关设备，一种是铍青铜，另一种是锆铬铜。锆铬铜的弹性较铍青铜差，压缩变形量要合理控制，一般应在1～1.5mm范围内。锆铬铜的导电率较铍青铜高，将近一倍，这使得弹簧触指接触点的接触电阻降低。锆铬铜的导电性与弹性是一把双刃剑，导电率高使接触电阻低，弹性差压变形量小接触压力小导致接触电阻增大，因此材料的选择需要通过动、热稳定性能试验研究来验证。

根据热平衡公式：J12/ρ1= J22/ρ2，则J22=ρ2* J12/ρ1；若ρ2=2ρ1，则J2=J1；

由铍青铜额定电流密度［Jr1］=5～6A/mm2，短时耐受电流密度为［Jk1］=100A/mm2，当铍青铜的导电率为34%，锆铬铜的导电率为70%，则可以知道：锆铬铜的额定电流密度为［Jr2］=7.15～8.58A/mm2，短时耐受电流密度为［Jk2］=143A/mm2。

额定电流通流能力Ir=2mnrs0［Jr］/kS，额定短时耐受电流通流能力Ik=2mnrs0［Jk］/kS，

式中kS为设计裕度系数，m为弹簧触头并联条数，nr为弹簧额定圈数，s0为铜丝截面积；

取kS=1.1时，按照73圈的弹簧触指线径为￠1.6mm，则Ir=1.87～2.3kA，Ik=38kA；

取kS=1.2时，按照73圈的弹簧触指线径为￠1.6mm，则Ir=1.71～2.1kA，Ik=35kA；

螺旋弹簧触指为83圈，但由于动触头杆上齿条的存在，与动触头杆实际有效的接触圈数为73圈，弹簧触头极限圈数：nm=πD1（h1-f）/［ d0（d+0.5 d0）］，其中h1=11.4，f=1.5～2.0，计算得nm=95～90；由此弹簧83圈时并未并圈。

由额定圈数 nr=nm-（10～20）可知此弹簧83圈可行，依据以上计算，重新设计了83圈、￠1.6mm线径的螺旋弹簧触指，触指槽深直径调整为￠83.8mm，并综合研讨后决定实施修改方案，重新组织样机再做STC试验。

5　再次STC试验成功

三相直接STC试验回路如图四，试验数据如表二，图五为试验记录，根据隔离接地开关三相动、热稳定试验资料，开关静端结构改进后顺利通过了动、热稳定性能试验的验证，试验数据如下：三相电阻差值基本控制范围在0.3～0.6μΩ；三相电流有效值为41.7kA （A相）、42.0kA（B相）、40.7kA （C相）；三相电流持续时间为3.055s（A相）、3.055s（B相）、3.05s（C相）；三相额定峰值电流为104 kA（A相）、60.1kA（B相）、97.3 kA（C相）；额定短路耐受电流40kA；等效时间为3.278s；额定峰值耐受电流出现在三相中的其中一相上，峰值电流值为额定峰值电流1.04倍；试验数据满足预定的动、热稳定性能验证目标，技术参数符合GB1985国家标准要求。