大電流隔離開關(guān)動端觸指電流接口設(shè)計

大電流隔離開關(guān)動端觸指電流接口設(shè)計

0觸頭組件的確定根據(jù)開關(guān)盤的配置需要，隔離開關(guān)有幾種結(jié)構(gòu)類型，如側(cè)入口線型、異側(cè)入口線型、半徑旋轉(zhuǎn)型、直徑旋轉(zhuǎn)式、套筒直動式、隔離車型等。無論何種結(jié)構(gòu)類型,其觸頭組件是隔離開關(guān)中極為重要的組件,既是保證隔離開關(guān)可靠運(yùn)行的關(guān)鍵,也是隔離開關(guān)設(shè)計的難點(diǎn)。觸頭組件是由動觸頭和靜觸頭組成的,其結(jié)構(gòu)形式有夾板式、夾棒式、套筒觸指式等。無論何種觸頭形式,其導(dǎo)電接觸均為點(diǎn)、線、面的壓力接觸形式。但大電流隔離開關(guān)的觸頭接觸對接觸電阻要求高,對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求高,而且受觸頭安裝對正誤差的影響較大,往往接觸質(zhì)量達(dá)不到要求。筆者對12kV異側(cè)進(jìn)出線式(穿墻套管式),觸頭形式為夾板式的大電流隔離開關(guān)設(shè)計做了一些嘗試,在此僅介紹觸頭設(shè)計的一些情況以供同仁參考。1銅排規(guī)格的影響某水電站兩種大電流隔離開關(guān)的額定電流分別為3150、6300A,額定短時耐受電流為63kA/4s,額定峰值耐受電流為158kA。隔離開關(guān)觸頭設(shè)計需要考慮:1)由于大電流隔離開關(guān)的額定電流大,兩種分別高達(dá)3150、6300A,且發(fā)熱量與電流的平方成正比,很容易出現(xiàn)溫升過高的問題,需要選擇適合的銅排規(guī)格降低回路電阻和增大散熱面積,設(shè)計適合的觸頭接觸壓力確保較小的接觸電阻,設(shè)計有利于散熱的觸頭結(jié)構(gòu)形式;2)額定短時耐受電流大,在短路故障發(fā)生時觸頭接觸處容易發(fā)生熔接現(xiàn)象。由于額定短時耐受電流可達(dá)63kA/4s,因此需要選擇適合的銅排規(guī)格確保結(jié)構(gòu)剛度以避免對接觸的影響,設(shè)計適合的觸頭接觸壓力確保較小的接觸電阻,從而保證觸頭接觸處電壓降在許可的范圍;3)電動力與兩相電流之積成正比,由于額定峰值耐受電流高達(dá)158kA,因此電動力相對很大,容易導(dǎo)致隔離開關(guān)機(jī)械強(qiáng)度不足而破壞。電動力與相距的平方成反比,因此需要選擇適合的相間距,設(shè)計適合的接觸壓力,設(shè)計機(jī)械強(qiáng)度足夠的觸頭組件和安裝結(jié)構(gòu)。2觸頭組件結(jié)構(gòu)按開關(guān)柜布置需要選擇異側(cè)進(jìn)出線式的(穿墻套管式)隔離開關(guān),見圖1。隔離開關(guān)進(jìn)線在后側(cè)上方和出線在前側(cè)下方,兩靜觸頭均在前側(cè),上下布置,上靜觸頭為穿墻套管裝配式母線的前端,通往后側(cè)母排,下靜觸頭與母排搭接,動刀繞下靜觸頭旋轉(zhuǎn),因此也屬于半徑旋轉(zhuǎn)式結(jié)構(gòu)類型的隔離開關(guān)。觸頭結(jié)構(gòu)形式采用夾板式,也稱為板—板式或刀閘式。3150A為每相單刀閘式,6300A為每相雙刀閘式。觸頭組件主要由上靜觸頭、下靜觸頭、靠緊在上靜觸頭和下靜觸頭兩側(cè)的動觸刀片組成。在隔離時動觸頭與上靜觸頭需要分開而保持隔離距離。上端需要接觸和分離稱為動接觸或動端;在隔離時動觸頭與下靜觸頭不需要分離,始終保持接觸。下端接觸不需要分離稱為靜接觸或靜端。導(dǎo)電接觸形式:由于動觸刀片的上端進(jìn)行了銑平臺或修凸圓弧加工,且用銑槽的辦法形成了多條觸指,見圖2,因此上端靜觸頭與動刀的導(dǎo)電接觸為多個小面或多段線接觸;由于動觸刀片的下部進(jìn)行了壓凸和車削成圓柱臺,見圖3,且與之相配裝的下靜觸頭制出了相配的凹錐面,見圖4,因此下靜觸頭與動觸刀的導(dǎo)電接觸為錐面中部的一條圓環(huán)線,為一種不常見到的較為特殊的線接觸形式。由多組小碟簧提供動觸頭上端各觸指的接觸壓力,由一組大碟簧提供動觸頭下端的接觸壓力,見圖5。3觸發(fā)結(jié)構(gòu)的設(shè)計3.1鍵設(shè)計的優(yōu)點(diǎn)上靜觸頭采用兩條紫銅母排并在一起構(gòu)成的,關(guān)鍵設(shè)計是在其間多處加了平墊圈,保持了一個間隙,形成了一個散熱通道,也減少了集膚效應(yīng)發(fā)熱,提高了單位截面積傳導(dǎo)電流的能力,見圖5。3.2減少集皮膚效應(yīng)發(fā)熱下靜觸頭采用兩條紫銅母排并在一起構(gòu)成,關(guān)鍵設(shè)計是在其間加了一塊制有多條豎直通風(fēng)槽的鋁制散熱板,見圖6,既能減少集膚效應(yīng)發(fā)熱,又能對流散熱和傳導(dǎo)散熱。下靜觸頭的凹錐面選取適宜的大口直徑,可使接觸線理論長度達(dá)到板寬的2倍,具有較強(qiáng)的通流能力,該例取值準(zhǔn)80。只要深度和錐度以及接觸線位置設(shè)計適宜,導(dǎo)電接觸是可靠的,建議深度不小于3mm,半錐角選取45°(參見圖4)。組裝時先清潔鍍銀導(dǎo)電面后涂導(dǎo)電脂保護(hù)接觸線以防氧化。3.3預(yù)開口尺寸設(shè)計動觸刀是由兩塊完全對稱的動觸刀片組裝在一起的,其間裝有限位墊塊及與操動機(jī)構(gòu)相連接的拉桿接頭(圖1)。動端穿入多串小碟簧向中心壓緊兩動觸刀片,形成一個預(yù)張口尺寸,并產(chǎn)生一個設(shè)計預(yù)壓力,當(dāng)動觸頭旋轉(zhuǎn)從上靜觸頭兩側(cè)面滑動到位后,預(yù)壓力增大到設(shè)計所要求的觸頭接觸壓力。預(yù)張口尺寸比靜觸頭尺寸小1mm即可(圖5)。靜端的凸圓柱(圖3)被一串大碟簧(圖5)壓入靜觸頭的凹錐面(圖4、6)內(nèi)。凸圓柱高度取凹錐面的深度加1~3mm,取大值有利于散熱,棱角倒圓R1,凸圓柱直徑準(zhǔn)d的設(shè)計應(yīng)保證接觸線在凹錐面的半深度處偏底部為宜,且底部與凹錐面底部的間隙不小于1mm。4確保接觸運(yùn)動和熱穩(wěn)定4.1墊塊厚度的影響上靜觸頭動穩(wěn)定能力設(shè)計時不應(yīng)忽略穿墻套管法蘭聯(lián)接處的彎曲強(qiáng)度設(shè)計。下靜觸頭動穩(wěn)定能力設(shè)計時不應(yīng)忽略支柱式絕緣子的彎曲強(qiáng)度設(shè)計。首先應(yīng)選取適宜的相間距離,對相間最大電動力的大小有一個估算,據(jù)此來設(shè)計或選擇穿墻套管和支柱式絕緣子。兩塊動觸刀片在中間部位,距離只有一個墊塊厚度,距離很小,因此在短路電流產(chǎn)生時,同向電流會產(chǎn)生較大的相互的吸引力,使兩塊動觸刀片對上靜觸頭和下靜觸頭夾得更緊,有利于提高動穩(wěn)定能力,墊塊厚度越薄對提高動穩(wěn)定能力越有利。動端觸指接觸壓力可參照梅花觸頭觸指的接觸壓力公式來估算,并作為碟型彈簧設(shè)計的依據(jù)。由于工作中動端受熱變形和儒變的影響,接觸壓力會有所減小,因此為減少熱變形和儒變對接觸壓力的影響,每串小碟簧的數(shù)量宜多。動觸頭靜端在下靜觸頭的凹錐面內(nèi),電動力對其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和接觸電阻的負(fù)面影響較小,因此相比動端來說更容易保證動穩(wěn)定能力,大碟簧的數(shù)量可以取得較少。對于6300A每相雙刀閘的隔離開關(guān),在同相兩靜觸頭之間增加了一條M12螺柱和4只螺母使兩靜觸頭連接成一體,共同抵抗電動力的破壞作用,進(jìn)一步提高了上靜觸頭組件的動穩(wěn)定能力。由于電動力可能使動觸頭動端自動打開,因此操動動觸頭的絕緣拉桿的強(qiáng)度應(yīng)足夠。4.2試驗結(jié)果的調(diào)整和裝調(diào)選擇適合的觸頭用母線的規(guī)格是必要的。保證觸頭熱穩(wěn)定能力的關(guān)鍵是估算觸頭的接觸電阻。估算接觸電阻要依據(jù)短路電流、觸頭材料熔點(diǎn)、接觸點(diǎn)許可電壓降進(jìn)行初算,在試制后做溫升試驗,根據(jù)溫升試驗結(jié)果可能會修正接觸電阻,從而修正接觸壓力,特別是上觸頭的接觸壓力。調(diào)整好觸頭的實際接觸壓力是重要的。由于接觸壓力較難測定,因此實際采取有效的工藝措施來確保每一個觸指上有一個較為均勻且大小適宜的接觸壓力。動觸頭安裝碟簧組件前和后均需保證觸指整齊(必要時需校正),且預(yù)張口尺寸合格。裝調(diào)效果由試驗接觸電阻大小來驗證。一般上觸頭及下觸頭之間的回路電阻要求為5~10μΩ,電流越大,電阻要求越小。碟簧的實際接觸壓力是可以根據(jù)回路電阻的需要來調(diào)整的。5靜觸頭的使用包含以上觸頭設(shè)計的兩種12kV大電流隔離開關(guān)(3150A和6300A)在組柜后通過了型式試驗,并批量應(yīng)用于湖南某水電站工程中,已正常運(yùn)行近3年,通過此次設(shè)計制造使用,有以下幾點(diǎn)認(rèn)識。1)夾板式(刀閘式)動靜觸頭的觸指接觸性質(zhì)和電動力的作用效果與中置柜手車用梅花觸頭相似,其動熱穩(wěn)定設(shè)計可以參照梅花觸頭動熱穩(wěn)定的設(shè)計。2)組合式穿墻套管內(nèi)的雙銅母線的前端是能夠直接用作大電流隔離開關(guān)靜觸頭的,設(shè)計的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是兩根母線保持一個距離,既有利于減弱集膚效應(yīng),又有利于通風(fēng)散熱。3)經(jīng)過壓力成型的兩觸刀片組合成的動觸頭,在中段靠得較近,在短路電流到來時產(chǎn)生的吸引電動力對靜觸頭有更強(qiáng)的夾緊作用,有利于增大觸頭的接觸壓力和減小觸點(diǎn)的接觸電阻,即有利于提高動觸頭的動穩(wěn)定能力。4)動觸頭的動端觸指較細(xì),剛性差,抗力小,因此由小碟簧組提供的接觸壓力,基本上會完全作用于上靜觸頭,上、下靜觸頭的對正誤差不會明顯影響接觸壓力的均勻性。但在使用中,由于運(yùn)行溫升和材料儒變會減小接觸壓力和增大接觸電阻,溫升會逐漸增