换相隔离手车在双向运行泵站中的开发与应用

刘 新 泉(江苏省水利勘测设计研究院有限公司，江苏 扬州 225000)

0 引 言

近年来，随着许多大中型水利工程的建设，双向排灌站的应用越来越广泛。双向排灌站常用的一种方法是通过机组(水泵电动机组)正向和反向运行实现泵站灌溉引水和防洪排涝功能，即通过电动机正转和反转实现机组正向、反向运行。小型排灌站一般装设低压电动机，在电动机主回路中装设正向和反向交流接触器，通过控制正向或反向交流接触器吸合即可实现电动机正转和反转[1]。低压元器件体积小，低压带电安全距离小，因此一台低压开关柜能满足主回路和二次控制回路元器件的安装要求。大中型排灌站电机容量大，电压等级高(通常选用10 kV)，配套的高压元器件体积大，高压带电安全距离大，若采用低压电动机接线控制方式，至少需要2～3台高压开关柜才能满足元器件安装要求。为了满足柜间连接排的翻排和换相要求，柜体需要加宽或加深，设备多占地大，且控制和保护变得复杂。

1 以往电动机正反转实现方式及存在问题

三相电动机定子上有3个绕组，当电源按U、V、W相序接入电动机时，电流通过三相绕组在定子上形成正向旋转的旋转磁场，电动机转子在其作用下正向旋转。当任意调整U、V、W中的2个相序接入电动机时，电流通过三相绕组就会在定子上形成反向旋转的旋转磁场，转子在其作用下反向旋转，实现电动机的反转。

以往实现高压电动机反转通常是在开关柜或电动机侧将3芯电缆中的任意2芯进行调换，变换相序后使电动机反转。由于电缆大都采用硬铜导体，导体外包绝缘、填充物和护套，电缆来回交叉搬动弯曲，长期下来会使电缆绝缘和保护层受伤，绝缘材料的电气性能和机械性能劣化，使绝缘层变脆甚至断裂，造成人为损伤，导致绝缘性能降低，影响泵站安全运行。正常情况下，试验检测人员每年对电气设备包括电缆做一次预防性试验，如果按照这种操作方式，需要经常对电缆进行预防性耐压测试，加快了绝缘老化程度，也增加了维护成本。电缆头与母排之间采用螺栓连接，如果经常拆装，紧固件会磨损，导致连接部位松动变形，接触电阻加大，电缆发热严重，时间长久致使绝缘层破坏，造成相间短路、对地击穿放电甚至着火。另外，如果泵站装机台数多、需要经常正向和反向交错运行，操作人员需每台机组来回反复改接线，不仅增加了操作人员的工作量，而且可能会因为错接线或漏接线导致人为事故的发生。

2 换相隔离手车的研制

基于上述操作方式存在安全隐患，笔者结合工程设计，开发研制了一种在双向运行泵站中使电动机反转的换相隔离手车，该手车可以在不改变电动机定子接线相序的情况下使电动机反转运行。

2.1 设计思路

在电动机高压开关柜前侧设置一台隔离手车柜，该柜配备2台隔离手车，一台手车按A-A、B-B、C-C接线(正向运行手车，即常规隔离手车)，另一台手车按A-C、B-B、C-A接线(反向运行手车，即换相隔离手车)。当泵站运行在灌溉引水工况时，将正向运行手车推进工作位置，机组实现正向运行；运行在防洪排涝工况时，将反向运行手车推进工作位置，机组实现反向运行。按照这种接线方式，需要设计一种使电动机反转的换相隔离手车，一次操作即可实现所有机组正向或反向运行，可消除因改变电缆接线换相序带来的不利影响。

2.2 手车基本结构

换相隔离手车采用铜排式隔离手车形式，由底盘车、绝缘罩、触臂套管(绝缘筒)、换相连接铜排、动触头、绝缘子、框架及内部机构组成。其总体结构为前后布置形式，采用复合绝缘结构。导电部分安装于绝缘筒内，绝缘筒采用环氧树脂APG压力凝胶工艺浇注而成，以绝缘筒为绝缘骨架，对地绝缘由绝缘筒的内外面承受，相间由筒壁与空气复合绝缘承受。隔离手车配用专用推进机构，实现工作位置和试验位置的互换。为防止带负荷误操作，专用推进机构上设置闭锁电磁铁，实现手车工作位置和试验位置的锁定，并设有行程开关，实现“工作”和“试验”位置显示。当手车处于工作位置或试验位置时，闭锁电磁铁不通电，无法推进或退出手车。二次部分设置于机构箱体和专用推进机构内，手车配用航空插头，带有试验位置和工作位置。

2.3 一次接线设计

换相隔离手车的框架、底盘车、推进机构及限位等部件与常规的隔离手车相同，区别主要在于固定绝缘子、触臂套管的规格以及连接铜排加工处理的工艺不同。常规隔离手车A、B、C三相上、下触头间是用一根竖向铜排连接各自梅花触头，换相隔离手车采用前后布置形式，铜排换相排序由“近”到“远”、由“左”到“右”分别为A相-C相连接、B相-B相连接、C相-A相连接，即A相上触头与C相下触头用一根┏┛形铜排连接各自梅花触头，B相上、下触头间用一根┃竖向铜排连接各自梅花触头，C相上触头与A相下触头用一根┗┓形铜排连接各自梅花触头，实现A-C、B-B、C-A接线(即A相和C相调换相序)，换相排之间及相与地之间需保证有足够的电气间隙。一次接线并不复杂，难点在于标准的隔离手车空间狭小，如何在有限的空间里实现铜排换相且满足规定的电气间隙要求，将不同载流量的换相隔离手车制造成标准结构与尺寸的通用产品，与常规隔离手车实现互换，笔者走访了相关零部件生产制造厂和母线加工处理厂，了解其构造、组装和母线加工处理工艺及试验，采用不同的绝缘处理方式，克服因铜排截面不同(宽边和窄边规格不同)无法用统一的制造方法达到规定电气间隙的技术难点，解决了换相排序难的问题。

首先，选取低、中、高3种不同规格长度的支柱绝缘子，高差不小于125 mm；选取长、中、短3种不同规格长度的触臂套管，与低、中、高支柱绝缘子配套连接，总长控制在598 mm以内。其次，加工制作┏┛和┗┓换相连接排，铜排采用冷压折弯技术一体化成平弯形[2]，表面光洁平整，无裂纹、折皱；工序：下料、铜排调直、调平、去毛刺，端面倒角、曲弯、冲孔、表面处理等。最后分别将低、中、高支柱绝缘子与对应的长、中、短触臂套管进行组装，按由“近”到“远”、由“左”到“右”顺序安装┏┛、┃和┗┓ 3种连接排。

对于载流量小的铜排，由于其宽边和窄边比较小，采用上述方法基本能达到规定的电气间隙，绝缘和耐压试验也符合要求。考虑运行环境潮湿和污秽等因素，在铜排表面外套热缩护套，在相间、相地之间设置环氧树脂板加强绝缘，确保运行安全。对于载流量大的铜排，由于其宽边和窄边大，有的甚至是多拼母排，按照上述方法组装后无法达到国标规定的空气中电气间隙和爬电距离，必须采用特殊工艺进行处理。目前采用的是流化床涂覆工艺，在铜排表面涂覆阻燃性绝缘粉末：以环氧树脂为基料，以硅微粉或氧化铝为填料，以十二溴联苯醚为阻燃剂，加入适量的固化剂和流平剂，通过特定的加工处理流程制成绝缘粉末，采用流化床涂覆工艺对表面进行绝缘处理，铜排具有更高的电气性能、机械性能和耐热性，特别是对于折弯形状比较复杂的宽边铜排，采用此工艺比热缩护套更具优势，避免了护套绝缘老化和散热条件差的问题[3]。这种生产工艺加工过程较为复杂，铜排连接处不能作喷涂处理，搭接处搪锡、压花、涂导电膏，降低接触电阻，增加导电性能；在现场出现碰伤后无法补救，所以一般设置绝缘罩和隔板加以防护，同时也提高了整体绝缘水平。通过这种复合绝缘处理方式来加强相间和相对地绝缘，达到降低对绝缘距离的要求[4]。上述工序完成后进行绝缘电阻测量和交流耐压试验，主回路相间、相对地工频耐压按42 kV/min试验，试验结果满足要求才可以证明装置合格[5]。

2.4 二次接线设计

二次接线主要涉及电流回路、电压回路和控制回路。

电流回路：由于一次接线实现了A相和C相的相序调换，通过电流互感器采集的二次回路信号也相应实现了A相和C相的相序调换，因此电流回路不需要进行改接线。

电压回路：电压信号是公用信号，电动机馈线回路与进线及其他馈线回路的电压信号均取自同一组电压互感器，在正向运行时，由于没有改变一次接线，因此电流与电压的相序是相对应的。反向运行时，由于电动机母线A相与C相的相序进行了互换，因此电压互感器送给电动机馈线回路的电压信号也需要互换，电压回路二次接线需进行改接线，确保电流与电压相序是相对应的。

控制回路：电压信号的互换主要是通过2个中间继电器来实现的，一个中间继电器用于正向运行，另一个中间继电器用于反向运行。当正向运行手车处于工作位置时，正向运行中间继电器接通，电压信号为A-B-C相序；当反向运行手车处于工作位置时，反向运行中间继电器接通，电压信号为C-B-A相序。这样电压信号与电流信号相序始终保持一致。为防止中间继电器拒动或误动，可采用双继电器并联工作，保证信号正确发出。

上述控制回路接线在柜内二次仪表室完成，换相隔离手车的位置接点通过航空插头转接送出，其中用于正向和反向运行的特征接点需分开设置，当正向或反向运行手车位于工作位置时，该手车的特征接点接通各自的控制回路，确保正向或反向运行信号准确发出。

根据以上一次接线和二次接线的设计与研制，通过使用不同的运行手车，达到一次操作即可实现一次和二次接线的互换，实现所有机组正向或者反向运行。

3 应用情况

第1台换相隔离手车应用于江苏省秦淮新河抽水站改造工程，经过一段时间机组正向和反向运行，证明该装置性能稳定，操作方便。随后，省内其他一些双向运行泵站(如苏州裴家圩泵站、仙人大港泵站、无锡梅梁湖泵站、金坛石桥泵站、常州大通河西泵站、遥观北泵站、淮安里运河泵站、 太仓十八港南泵站等工程)也纷纷采用了该设计思路，通过使用换相隔离手车实现电动机反转，达到机组正向和反向运行目的，机组运行安全可靠、操作简便、易于管理，提高了设备使用寿命，同时也大大减轻了运行人员的工作量。

4 结 语

换相隔离手车从研制出来到现在广泛使用已经过了很长一段时间，其间经过了结构调整、绝缘处理几次改进，装置运用日渐成熟。需要注意的是，在选择大截面铜排规格时要安排好长宽比，方便铜排成形，尽量利用空气绝缘，达到规范要求的电气间隙。另外，从技术角度看，换相隔离手车还有改进和提升的空间，如选用多拼母排时可以采用管形绝缘母线，母线可以和触臂套管合为一体；母排不规则折弯难以成形时可以采用软母线。这些方法都可以在今后的工程实践中继续研制。

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[1] 孙美君，吴晓斌. 工业与民用配电设计手册[M].3版. 北京：中国电力出版社，2005：657-658.

[2] GB50149-2010，电气装置安装工程：母线装置施工及验收规范[S].

[3] 朱龙余. 流化床涂覆在高压开关柜母线绝缘上的应用[J]. 现代涂料与涂装，2005，(1): 46-47.

[4] DL/T 404-2007，3.6～40.5 kV交流金属封闭开关设备和控制设备[S].

[5] GB50150-2006，电气装置安装工程 电气设备交接试验标准[S].