550 kV户外交流隔离开关的结构设计与校核

□ 左 科 □ 郭 鑫 □ 吴 上

1.湖南长高高压开关集团股份公司 长沙 4102192.湖南长高高压开关有限公司 长沙 410219

1 研究背景

随着电力事业的高速发展,电力线路输送距离加长,电站输变电设备正向大容量、高电压方向发展。建设大型电站,要求断路器额定开断电流达到63 kA,进而要求户外隔离开关的额定短时耐受电流也达到63 kA。可见,开发新结构、高性能、高可靠性的隔离开关产品非常有必要。

在“十五”计划期间,国家电网公司加大了对电网建设的大规模投资,550 kV电网成为主电网,用户对550 kV户外高压隔离开关的需求也迅速增长。根据规划,我国每年需550 kV户外高压隔离开关和接地开关约2 000组,目前能生产该类型隔离开关并达到技术性能要求的公司并不多,大部分需求还依赖进口,而进口该类型产品则价格昂贵。可见,550 kV户外高压隔离开关的研制生产具有较大的市场潜力。

2 结构设计

国内外同类型550 kV户外高压隔离开关技术参数比较见表1。笔者公司生产的550 kV户外高压隔离开关由三相单极隔离开关组成,每相单极隔离开关单独操作,电气控制三相同期。垂直型隔离开关一般为三相交叉布置和一列式布置,水平型隔离开关一般为平行布置。单极隔离开关由底座、支柱绝缘子、操作绝缘子、主刀闸、接地刀闸、静触头、操动机构组成。550 kV户外高压隔离开关结构如图1所示。

3 计算校核

3.1 通流能力计算

550 kV户外高压隔离开关型式试验通过的短时耐受电流应达到63 kA,温升控制尤为重要,且同时需承受系统要求的短时耐受电流和峰值耐受电流,所以需要针对各导电部分的通流面积进行校核。

许用通流截面积[A]为:

(1)

式中:IS为短时耐受电流,值为63 kA;tS为短时耐受电流持续时间,值为3 s;ρ0为初始温度时的电阻率,铜为0.017 5×10-6Ω·m,铝为0.029×10-6Ω·m;α为电阻温度系数,铜为4.33×10-3K-1,铝为3.8×10-3K-1;γ为密度,铜为8.9×103kg/m3,铝为2.7×103kg/m3;c为比热容,铜为0.397×103J/(kg·K),铝为0.88×103J/(kg·K);θs为最大允许发热温度,铜为300 ℃,铝为200 ℃;θ0为初始温度,值为20 ℃。

计算得到铜材料与铝材料结构的许用通流截面积分别为480.9 mm2、865 mm2。

最小通流密度Ji为:

表1 550 kV户外高压隔离开关技术参数对比

Ji=I/A

(2)

式中:I为550 kV户外高压隔离开关的额定电流,值为4 000A;A为材料通流截面积。

校核550 kV户外高压隔离开关各导电部分材料的截面积及通流密度。上、下导电管为铝管,外径为150 mm,壁厚为6 mm,通流截面积为2 714 mm2,通流密度为1.47 A/mm2。导电带有两根,通流截面积为2 880 mm2,通流密度为1.39 A/mm2。动触头为异形截面铜板,通流截面积为3 088 mm2,通流密度为1.29 A/mm2。静触杆为铜管,外径为62 mm,壁厚为5 mm,电流从两边向母线流动,通流截面积为1 790 mm2,通流密度为2.23 A/mm2。

根据资料,铜和铝在短路情况下的许用通流密度分别为46 A/mm2、27 A/mm2,可见校核结果符合导电材料通过热稳定电流所要求的最小截面积及长期通流密度要求。

3.2 平衡弹簧设计校核

550 kV户外高压隔离开关的平衡弹簧对减小操作力矩,保证开关平稳分合闸起关键作用。对于单臂折架式隔离开关,平衡弹簧选用两端磨平并紧的Ⅱ类压缩弹簧,依据GB/T 23935—2009《圆柱螺旋弹簧设计计算》进行计算。550 kV户外高压隔离开关上、下导电管的受力分析如图2所示。

图2中,F1为齿轮圆周力,Fn1、Fn2为以齿轮轴为中心的支撑反力,a为导电管与水平线的夹角5°～90°,G1为上导电管重力600 N,L1为上导电管以齿轮轴为原点的质心尺寸1.1 m,r为齿轮分度圆半径,G2为下导电管重力1 310 N,L2为下导电管以转动座转轴为原点的质心尺寸1.3 m,L3为齿轮轴与转轴的中心距2.8 m,M为平衡弹簧产生的平衡力矩。

齿轮圆周力F1为:

F1=G1L1cos2a/r

(3)

平衡力矩M为:

M=(G2L2+G1L3)cosa

(4)

平衡弹簧所需力T为:

T=M/L

(5)

式中:L为平衡弹簧作用力臂长,值为0.177 5 m。

整理得:

T=5.634M

(6)

由此得到导电管与水平线夹角在5°～90°内各均布点的平衡弹簧压缩量X,见表2。拟合得到开关力矩所需弹簧力曲线,如图3所示。

弹簧总压缩量为200 mm,工作压力值为37 500 N,弹簧理论刚性系数为187.5 N/mm。

平衡弹簧刚性系数k计算值为:

式中:G3为平衡弹簧切边模量,值为78 MPa;d为平衡弹簧丝直径,值为2.5 mm;D为平衡弹簧外径,值为100 mm;n为平衡弹簧圈数,值为20。

3.3 重要零部件强度校核

550 kV户外高压隔离开关在分合闸过程中,底座传动部分所受操作力是开关本体重力力矩与平衡弹簧力矩的差值。底座拉杆受力F3与锥齿轮受扭矩M2关系见表3。

拉杆材料为0Cr18Ni9,查设计手册,可知许用拉伸应力[σ1]为100 MPa,可调拉杆最小横截面积S为113.1 mm2。

拉杆所受拉伸应力σ为:

拉杆所受拉伸应力小于许用拉伸应力,拉杆抗拉强度合格。

▲图1 550 kV户外高压隔离开关结构

齿轮轴材料为45号钢,布氏硬度(HB)为240～280。查设计手册可知许用抗扭强度[σn]为650 MPa,许用扭转静应力[τ1]为140 MPa～160 MPa。

齿轮轴抗扭模量WP为:

式中:d为齿轮轴外径,值为40 mm;b为齿轮轴键槽宽,值为12 mm;t为齿轮轴键槽深,值为5 mm。

▲图2 550 kV户外高压隔离开关受力分析

▲图3 开关力矩所需弹簧力曲线

齿轮轴最大扭转应力τmax为:

τmax=M2max/WP=47 MPa

许用弯曲应力[σFP]为:

[σFP]=σFlimYδrelTYRrelTYXYST/SFlim=514.5 MPa

式中:σFlim为齿轮材料弯曲疲劳强度极限,值为343 MPa;YST为应力修正因数,值为2;YRrelT为相对齿根表面状况因数,值为1.05;YδrelT为相对齿根圆角敏感因数,值为1;YX为尺寸因数,值为1;SFlim为最小安全因数,值为1.4。

齿轮轴弯曲应力σF为:

σF=FTKAKVKFβKFαYSaYKYFaYεYβYFS2/

(0.85b1mmnYFS1)=380.5 MPa

式中:FT为齿轮圆周力;KA为使用因数;KV为动载因数;KFβ为齿向载荷分布因数;KFα为齿间载荷分布因数;YSa为齿形因数;YK为锥齿轮因数;YFa为应力修正因数;Yε为齿轮抗弯强度重合度因数;Yβ为齿轮抗弯强度螺旋角因数;b1为齿轮齿宽;mmn为齿轮中点模数;YFS1、YFS2为复合齿形因数。

表2 平衡弹簧压缩量

表3 底座拉杆受力和锥齿轮受扭矩关系

齿轮轴的最大扭转应力和弯曲应力均小于材料许用弯曲应力,因此强度校核合格。

4 关键部件设计改进

根据上述详细计算校核,对550 kV户外交流隔离开关关键零部件——触头的结构进行改进,改进后的触头结构如图4所示。改进后触头由四对触指、触指座、弹簧座、操作杆、传动架、连板、弹簧等零件组成。合闸时,由操作杆推动传动架向前运动,通过连板使弹簧座带动触指合拢。当触指合拢至夹到定触杆时,由于触指不能继续运动,弹簧座压缩夹紧弹簧,并使力加在触指上。触指最后夹紧静触杆,保证合闸夹紧力稳定。由于每个触指由一个弹簧加载,因此可以使接触稳定可靠。

▲图4 改进后触头结构

平衡弹簧是主刀闸结构的核心零部件,需按预定的要求储能或释能,参照压缩弹簧的设计方法确定设计参数,最大限度平衡主刀闸的重力矩,以利于主刀闸的运动。

底座传动结构中的导电转动部位采用软导电带连接,软导电带为固定接触,不会因为脏污和灰尘影响导电性能,散热面积大,通流能力强。为了使转轴能长时间灵活动作,转轴两端设置全密封不锈钢轴承,调节杆两端采用不锈钢关节轴承。改进后的底座传动结构如图5所示。

▲图5 改进后底座传动结构

5 结束语

笔者对550 kV户外高压隔离开关进行了结构设计和校核,首先参照国内外同类型产品的特点初步确定设计方案,然后对其中的关键零部件进行理论计算分析,提出改进550 kV户外高压隔离开关性能的措施,并针对隔离开关的结构及关键零部件受力情况进行分析,达到优化结构、降低成本、减小试制工作量的目的。550 kV户外高压隔离开关新产品的设计制造为丰富笔者公司产品系列,节约生产成本,提高产品市场竞争力做出了贡献。