550 k V大电流融冰开关平衡性能的设计与校核

吴上，唐雪平，王春华，马伟君，吴奇钢

(1.湖南长高高压开关集团股份公司，湖南 长沙410219；2.湖南长高高压开关有限公司，湖南长沙410219)

0 引言

随着电网的迅速发展，跨越覆冰地区的高压、超高压输电线路越来越多，极端灾害天气造成电网受灾的可能性也越来越大。输电线路覆冰会引起线路过负载，造成线路跳闸、导线断开、导线舞动、倒杆塔等，进而导致大面积停电事故。由于覆冰现象发生在严冬季节，大雪封山，公路冰冻，线路覆冰难以消除，易导致长时间停电，造成巨大的经济损失和不良的社会影响。随着电力电子技术的不断发展，大电流融冰技术广泛应用于输电线路融冰，该方法利用融冰开关将电流接入三相短接后的输电线路，将覆冰线路作为负载，利用电流的热效应使输电线路发热，从而达到融化输电线路上覆冰的目的[1－12]。

融冰开关是用于高压线路融冰的一种户外高压电器，当输电线路不需要融冰时，线路正常带电运行，融冰开关断开，刀闸处于分闸位置，刀闸对地及断口需满足相应电压等级的绝缘要求。当需要进行线路融冰时，输电线路停运，融冰开关合闸使三相之间进行短接，此时刀闸通过融冰大电流，使线路发热，从而达到线路融冰的效果。融冰开关在具有融冰工况的变电站中的有效运用，能够替代人工临时接线，减小劳动强度、降低作业难度、缩短停电时间，且在融冰较频繁的输电线路中效果更为显著。随着对输电线路大电流融冰开关的需求日益强烈，550 kV大电流融冰开关的研制生产具有较大的市场潜力。由于在融冰开关操作时常处于覆冰状态，因而在进行设计时必须充分考虑正常条件及覆冰条件下产品的平衡性能，保障融冰开关的正常操作功能。

1 产品主要技术参数及结构设计

1.1 产品的主要技术参数

表1为本550 kV大电流6 300 A融冰开关产品的主要技术参数。

表1 产品主要技术参数

1.2 产品的结构设计

针对550 kV运行线路高压电器需具备的绝缘性能及本融冰开关6 300 A通流能力的要求，对融冰开关进行结构设计[14－15]，550 kV大电流6 300 A融冰开关整体结构设计如图1所示。采用三柱水平伸缩钳夹组合式结构，主通流部分共由两把主闸刀和一个双静静触头组成，其中主闸刀装配主要由导电底座装配、下导电臂装配、上导电臂装配组成，主闸刀装配及界面如图2所示。上导电管采用200 mm×10 mm合金铝管，下导电管采用219 mm×8.2 mm合金铝管制成。

图1 550 kV－6 300 A融冰开关总体结构

图2 融冰开关主闸刀装配及截面

2 主闸刀平衡性能的设计

由于550 kV大电流融冰开关应满足6 300 A的长时间通流要求，主闸刀部分虽大量采用通流密度大的铜、铝合金材料，但其下导电臂装配、上导电臂装配的总质量超450 kg，仅仅依靠适配的操作机构的输出扭矩不足以操动融冰开关进行正常的分合闸，故在下导电臂装配内部设立储能平衡弹簧。当融冰开关在刀闸进行分合闸运动时，平衡弹簧通过复位释放能量和压缩存储能量，最大限度地平衡刀闸自身重量，以此达到减小对适配的电动操动机构扭矩的需求，如图3所示。

图3 融冰开关主闸刀运动简图

零部件的装配特性及各部分之间存在相对运动关系，为简化计算可将主闸刀重量划分为下导电管及中间传动箱等重量G1、下操作杆及齿条等重量G2、平衡弹簧重量G3、上导电臂装配的总重量G4四类。通过结构设计，使用三维建模及相应的材料设置，可得到主闸刀除平衡弹簧重量以外的其他三种类型的重量值及重心位置参数。根据超高压、特高压大电流产品设计数据统计，平衡弹簧的重量一般占总主闸刀重量的20%~30%。在进行初始设计时，先假设平衡弹簧重量占主闸刀总重量的25%，并将其与下操作杆及齿条等重量合并，得到主闸刀重力矩的曲线图。再利用融冰开关处于合闸状态时的重力矩值及结构设计后所得到的弹簧压缩量求得此时平衡弹簧的弹性系数。根据弹簧的弹性系数得到对应的弹簧力矩曲线。

合适的力矩曲线图应包含以下特征:1)弹簧应有合适的预压缩量，且初始位置弹簧力矩应大于重力矩；2)为达到更好的平衡效果，两条力矩曲线应存在一个以上的交叉；3)合闸终了时重力矩大于弹簧力矩将更有利于融冰开关合闸到位；4)在任一位置时，两个力矩曲线间的差值应小于操作机构所能提供的扭矩，且应留有足够的裕度供传动摩擦等引起的损耗。根据所得主闸刀重力矩曲线与弹簧力矩曲线的相对位置关系和以上要求对平衡弹簧的设计进行调整后，重新计算力矩对比曲线，直至满足要求。最终得到融冰开关的平衡弹簧k值为277 N/mm，产品各部分的质量见表2。

表2 主闸刀各部分质量 kg

图4为对融冰开关平衡弹簧设计后融冰开关由分闸状态运动到合闸状态时在不同位置对应的力矩曲线图，在不考虑摩擦力的影响下，两条曲线的差值为该位置状态下对操动机构所需的扭矩要求。本融冰开关平衡性能良好，对适配的电动操动机构提供的扭矩较小，计算得到两者力矩的最大差值为89 N·m。融冰开关在厂内进行实物调试时，实测主闸刀所需操作扭矩值≤350 N·m，电动操动机构功率裕度大。

图4 力矩对比曲线

3 覆冰状态下平衡性能的校核

融冰开关在覆冰后，刀闸的重量将发生变化，因此需要对覆冰后刀闸的平衡性能进行重新校核。覆冰后刀闸的重量改变主要集中在上、下导电臂覆盖冰层的重量，由于重力作用，假定仅在上、下导电臂上方有冰层覆盖，且覆冰厚度均匀为覆冰20 mm，计算得到的上导电臂覆盖冰层质量为13.67 kg，下导电臂覆盖冰层质量为17.61 kg。将覆冰后的融冰开关各部分重量代入后重新进行平衡性能校核，得到力矩曲线如图5所示。

图5 刀闸覆冰后力矩曲线

由于弹簧预压缩的作用，起始位置弹簧力矩同样大于重力矩。融冰开关合闸过程中，在0°~65°范围内，两条曲线差值较小，期间出现两个交叉点，可认为存在摩擦阻力且无外界作用时在该范围内的任何位置刀闸可达到基本平衡，刀闸在覆冰状态下平衡弹簧平衡性能良好。当刀闸继续往合闸方向运动时，其重力矩较弹簧力矩增长快，主要原因是刀闸合闸操作末期平衡弹簧压缩量增加缓慢，而重力矩在整个合闸过程中一直在增加。合闸终了时力矩差值达最大值160 N·m，适配的电动操动机构完全可以满足该操作力矩的需求，且有足够裕度。

4 产品破冰能力的校核

本融冰开关采用外压式夹紧结构，触指对数为4对，夹紧弹簧设计k值为11.4 N/mm，钳夹时弹簧压缩量为18 mm，故设计单对触指夹紧力为205 N。单对触指与静触杆接触时存在4个接触位置，单个接触位置接触长度为5 mm(触指由5 mm厚铜排制成)。假设静触杆覆冰后触指与静触杆之间接触宽度为1 mm，即单对触指总接触面积为20 mm2，计算得此时的接触压力为10.25 MPa。冰的抗压强度为735 kPa(流冰开始时)，故触指弹簧提供的夹紧力满足融冰开关合闸时的破冰要求。

5 结语

刀闸的实物覆冰试验验证了本产品在覆冰状态下的平衡性能满足实际要求，说明通过本文平衡弹簧的设计方法能更加精准的完成融冰开关主闸刀平衡弹簧的设计，减小对适配的电动操动机构扭矩值的要求，且在20 mm覆冰工况时融冰开关能正常进行分合闸操作，触指弹簧提供的夹紧力能够有效地将静触杆上覆盖的冰层夹碎，保障融冰开关的正常通流。