一种抽水蓄能电站用换相开关构型参数及温升研究

弟泽龙 程 立 曾广移 黄 炜 吕军玲

一种抽水蓄能电站用换相开关构型参数及温升研究

弟泽龙1程 立1曾广移2黄 炜2吕军玲1

（1. 西安西电开关电气有限公司，西安 710077；2. 南方电网调峰调频发电有限公司，广州 510630）

本文首次分析我国抽水蓄能电站单台350MV∙A以下容量主流发电电动机用换相开关的设计过程，探讨换相开关的技术特点及设计要求，并就设计方案的温升特性进行仿真研究。以该设计方案制造的样机通过了温升型式试验，验证了设计的合理性和可靠性。本文研究可为同类产品的性能提升或相似产品的研发提供参考。

换相开关；三相五极；温升；可靠性

0 引言

近年来清洁和环保能源产业提速发展，抽水蓄能电站作为目前电力系统中最大的储能形态，其作用日益凸显[1-2]。抽水蓄能不仅是一种绿色高效能源利用形式，而且对于接入电网的出力波动较大的新能源如海上风电、太阳能等，具有良好的吸纳和提质作用，增强了电力系统调节性能[3-6]。因而，抽水蓄能电站迎来了快速发展建设时期。

抽水蓄能电站所使用的发电电动机具有发电机和电动机两种基本工况。在系统用电低谷期，机组运行在电动机工况进行抽水蓄能；在系统用电高峰期，机组运行在发电机工况进行发电并输入电网。换相开关（phase reversal disconnector, PRD）是实现抽水蓄能电站机组发电和电动两种工况转换的专用一次设备[7]，安装于发电电动机出口电压主回路[8]，与发电机断路器串联使用，位于发电电动机和变压器之间，参与抽水蓄能电站多种工况转换过程[9-10]，其状态良好与否对抽水蓄能电站运行极为重要。我国在运及规划中的抽水蓄能电站均以安装单台容量300MV∙A发电电动机为主，同时存在少数容量为350MV∙A及400MV∙A机组。换相开关具有载流大及可靠性高两个基本特征，单台发电电动机配用一台换相开关，以300MV∙A发电电动机为例，所配用的换相开关一般额定电压为24kV[11]，额定通流能力应达到约12 500A，机械操作寿命应达到20 000次[12]。

目前，我国抽水蓄能电站建设所需换相开关完全依赖进口ABB、AE Power等公司设备，国内未见该领域相关产品。实现该设备国产化能有效缓解国内市场需求压力，促进我国抽水蓄能电站建设持续发展。本文阐述一种抽水蓄能电站换相开关的设计过程，详述其整体设计方案和通流温升分析。

1 功能和结构研究

1.1 总体结构

换相开关安装于抽水蓄能电站发电电动机和变压器之间，其电站主接线如图1所示。

图1 换相开关电站主接线

换相开关用于改变发电电动机出口三相母线的相序，可以使用两组三相开关实现该功能，即三相六极。当发电电动机处于发电工况时，机组出口母线连接一组三相开关，当发电电动机处于电动工况时，机组出口母线连接另一组三相开关。两组三相开关一端均连接至发电电动机，另一端均连接至电网。三相六极换相开关示意图如图2所示，电网侧相序不变，而两组三相开关各自导通时回路的相序不同，因此通过机组出口母线与该两组三相开关的切换连接，可以实现机组在发电工况和电动工况下的出口相序转换。两组三相开关分别用于发电工况（图2中GA、GB、GC导通）和电动工况（图2中PA、PB、PC导通）。在任何导流工况下，有且仅能有一组三相开关合闸通流。

为了简化外部母线联接方式、提高产品可靠性，换相开关一般采用三相五极结构[7]，而不是三相六极结构。三相五极换相开关示意图如图3所示，五极分别为A、GB、GC、PB、PC。换相开关与发电电动机所取工况一致，当发电电动机处于发电工况时，A、GB、GC三极合闸，当发电电动机处于电动工况时，A、PB、PC三极合闸，A为两工况共用极。图3中分别显示了五极分闸状态、发电工况导流状态和电动工况导流状态。在任何导流状态下，换相开关有且仅有三极合闸。

图2 三相六极换相开关示意图

图3 三相五极换相开关示意图

处于某一种导流工况下的换相开关五极在完成工况转换指令操作后，能够实现内部导体联通回路的转换或者内部导体与外部母线联通回路的转换，从而达到五极中最多仅有三极处于合闸导流状态的目的，该三极对应连接来自发电电动机的三相输出回路。在发电工况与电动工况下换相开关导通的三极回路不同，而电网侧三相相序不变，从而实现了在两种导流工况下发电电动机输出回路三相相序的转换。

根据导流回路转换时是否借助于外联母线，三相五极换相开关可以分为独立型和集约型两种，其示意图分别如图4和图5所示，图中点划线框代表换相开关设备本体。

独立型换相开关通常每一极独立置于封闭金属箱体内，共五个单极，每一极均设置输入、输出端，输入和输出端均连接封闭母线，图4所示为一种整体五极布置形态。在发电和电动两种工况下五极中均有且仅有三极合闸，且两工况合闸三极不同，借助合闸三极所连接的输入、输出母线实现与进、出线两侧三相线路联通，且通过封闭母线实现相序转换。在图4中，两种工况下换相开关两侧的封闭母线导流段不同，在发电工况导流路径为AM-A-AM、BM-GB-BM和CM-GC-CM，在电动工况导流路径为AM-A-AM、BM-PB-CM和CM-PC-BM。AM、BM、CM和AM、BM、CM代表两侧母线。

图4 三相五极独立型换相开关示意图

集约型换相开关通常仅有三相输入、输出端，输入、输出端均连接封闭母线，如图5所示。在工况转换时，换相开关内部导流路径发生变化，而两侧封闭母线的导流方式不变，在换相开关内部实现了三相相序的转换。在图5中，进出线两侧导流时母线对应关系均为AM- AM、BM-BM和CM-CM。

图5 三相五极集约型换相开关示意图

换相开关一般配用电动机操动机构。在独立型换相开关中，五极主回路开关各自单独配用一台机构，用于电动工况的两极主回路开关也可以共用一台机构两极联动，接地开关一般采用三极联动，一组三极联动配用一台电动机操动机构。在集约型换相开关中，共用极配用一台电动机操动机构，其余各极配用一台电动机操动机构。

图4及图5所示两种结构型式各有优缺点，独立型极间绝缘性能易于保证，五极布置可以随工程灵活调整；集约型总体占地空间小，结构模块化程度高，传动结构和五极之间的机械互锁易于实现。

以上是换相开关整体结构的两种布局型式，有待进一步研究简化，在本文设计中采用三相五极独立型整体结构。

1.2 单极结构

独立型换相开关的单极结构示意图如图6所示，图中所示为合闸状态。在封闭金属箱体内含动端和静端两部分，整体采用水平布置。动端支座、静端支座和动触头均为圆筒状结构，金属箱体与两支座之间使用环氧树脂绝缘件支撑固定，动端、静端及箱体之间的其他绝缘均采用干燥空气。

1—箱体外壳 2—动端绝缘支撑 3—动端支座 4—动端触指 5—动触头 6—静端触指 7—静端绝缘支撑 8—静端支座

单极动触头的传动系统为空间连杆系统。在图6中该传动系统的输入端与外部电动操动机构输出轴连接，输出端则与动触头铰接。电动操动机构的输出为转轴回转运动，通过该传动系统实现了将回转运动转换为直线运动。动触头沿其轴线直线运动，实现单极开关的合闸与分闸操作。

在动端支座和静端支座紧邻断口的端部均沿周向设置多个触指接触点，在合闸状态借助触指周向均布压力自动校正动触头与两支座的位置对中，确保接触状态良好。

2 温升导流研究

2.1 设计思路

换相开关作为连接于发电电动机出口主回路的电力开关，具有电流大、电压低的负载特性，其在长期通流工况下的温升性能极为重要。在本文设计中，换相开关额定电流确定为15 000A，远大于常见开关额定电流。在较大载流条件下，导体截面电流密度较大，电流热效应显著，且趋肤效应增加了导体发热量。

换相开关各极均安装于密闭金属箱体内，在通流工况下，导流回路产生的热量不能直接传导至外界空气，而必须经过导流回路与箱体外壳之间的干燥空气并借助箱体外壳向外传导，热阻较大。为降低温升发热，可以通过气流循环冷却方式增强散热效果[13-14]，抽水蓄能电站特别要求设备必须具备自然冷却能力，不能借助循环风冷等辅助方式，设备温升性能主要依赖自身热容量实现。换相开关整体尺寸存在约束，极间尺寸受限于发电电动机出口母线相间距，常见相间距约1 500mm，而各极导体尺寸则受限于导体与箱体外壳之间的绝缘要求。

在导流回路上，触头触指的接触电阻通常大于其自身电阻，接触位置发热明显。接触电阻与接触压力、镀层等因素相关，一般随接触压力增大而减小，然而过大的接触压力会增加触头触指磨损从而降低滑动接触的机械寿命。

开关类产品温升受到多种因素影响[15-17]。本文设计侧重从两方面进行结构优化以减小温升：一是减小设备中导体的通流密度，减小发热量；二是增加设备中导体的外表面积，增强散热。支座、动触头均整体呈现薄壁圆筒状，通过调整其直径，能达到同时增大截面积和增大外表面积的目的，且基本不增加零件制造难度。为了减小导流回路的接触电阻，对于各接触位置，沿薄壁导体周向设置较多触指接触点，通过较多触点并联的方式降低接触电阻，且不增加触头触指接触压力。为预估校核设计方案的温升，进行仿真分析。

2.2 温升仿真分析

采用电磁场与热流场耦合仿真计算换相开关温 升[18-22]。首先建立换相开关的有限元分析模型，计算得出通流时其电流、磁场和损耗分布。然后将由电磁计算所得热功耗导入热力学仿真模型，该过程按网格节点导入方式进行，为了保证传递数据的准确性，电磁场与流场计算模型一致。最后通过热流场分析得出换相开关的温度场分布。

为了简化计算，考虑到模型的对称性，取单极一半模型进行计算。换相开关计算模型如图7所示。

图7 换相开关计算模型

1）电磁场仿真

在换相开关通流主回路中存在两处电接触，电接触是导流回路中的主要发热点之一[23-26]，电接触建模采用等效建模的方式。首先通过对样机实测获得各处接触电阻值，将接触电阻视为串联在触头之间的电阻，对这一电阻进行实体建模并赋以虚拟材料参数，使其电阻值与实测接触电阻一致。通过这一设置，使接触电阻在温升有限元计算中得以体现。电接触示意图如图8所示，换相开关存在两处接触等效，具体接触电阻赋值情况见表1。

图8 电接触示意图

表1 各接触电阻赋值

在电磁场仿真计算中，设置的材料属性参数见表2，施加的电流激励示意图如图9所示，其余边界条件均为默认。

表2 材料属性

图9 加载电流激励示意图

由仿真可得，在通流15 000A时导流回路总体交流损耗约310W，以此作为热力学仿真的输入。

2）热力学仿真

将计算几何模型加空气包做自然对流散热仿真，带空气包的流体模型如图10所示。设置空气包的6个面中除对称面以外的5个面为压力出口边界条件，环境温度设置为313K，设置整体模型的初始温度和出口温度为313K，在仿真计算中充分考虑自然对流和热辐射。系统发热量由电磁计算得到，在流场模型中导入各节点热量值作为内热源，进行热流场仿真。与温度相关的材料参数见表3。

图10 带空气包的流体模型

表3 与温度相关的材料参数

计算得到换相开关内部导体温度云图如图11所示，箱体外壳温度云图如图12所示。

图11 换相开关内部导体温度云图

图12 换相开关箱体外壳温度云图

从图11可见，主回路最大温升（即最高温度366K）出现在触指接触部位，环境温度313K，则最大温升约53K，符合GB/T 11022中温升限值65K的要求[11, 27]。从图12可见，箱体最大温升（即最高温度324K）出现在顶部，环境温度313K，则最大温升约11K，符合GB/T 11022中温升限值30K的要求[11, 27]。仿真结果同时表明，该换相开关在15 000A通流条件下的温升具有一定裕度，从而容许所用材料的物理特性在一定范围内波动。

3 型式试验

为最终确认设计的合理性及可靠性，在西安高压电器研究院依据国家标准GB/T 11022等进行温升型式试验，试验现场接线如图13所示。在温升型式试验中，试验电流达到16 500A，试验结果见表4，试验结果合格。通过温升型式试验检验了设计的合理性，也表征了产品的技术参数。

图13 换相开关温升型式试验现场接线

表4 温升试验结果

4 结论

本文分析了一种抽水蓄能电站用换相开关的设计研究过程，涉及换相开关的使用工况、技术特点和设计要求，对其可行的整体设计方案进行了探索，并就产品的温升性能进行了分析。

作为发电电动机出口用开关设备，换相开关必须承载较大额定电流，温升性能尤为重要。本文针对一种换相开关设计方案进行了电磁-热力学耦合场仿真分析，以此预估其温升性能。根据该方案所制造的样机通过了温升型式试验，从而验证了其合理性。基于该设计和研究过程，可以为更大容量、更高可靠性的同类或相似产品设计提供有益参考。

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Research on configuration parameters and temperature rise of a kind of phase reversal disconnector for pumped storage power station

DI Zelong1CHENG Li1ZENG Guangyi2HUANG Wei2LÜ Junling1

(1. Xi’an XD Switchgear Co., Ltd, Xi’an 710077;2. China Southern Power Grid Peak Shaving and Frequency Modulation Power Generation Co., Ltd, Guangzhou 510630)

The design process of phase reversal disconnector for pumped storage generator/motor with the capacity below 350MV∙A is analyzed for the first time in China. The technical characteristics and design requirements are discussed, and the performance of temperature rise of a design scheme is estimated by simulation. The prototype designed according to the scheme has passed the temperature rise type test, which verifies the rationality and reliability of the scheme. The research can provide some useful reference for the performance improvement of similar products or the new development of similar products.

phase reversal disconnector; three-phase and five-pole; temperature rise; reliability

中国南方电网公司科技项目（STKJXM20190198）

2022-08-22

2022-10-01

弟泽龙（1988—），男，陕西省渭南市人，硕士，主要从事发电机断路器系列高压开关研发设计工作。