一种集成型高压隔离开关电动操作机构箱研制

蔡 荣 张 君 邓文华

（1.西一电气有限公司 2.湖南长高高压开关有限公司）

0 引言

高压隔离开关电动操作机构是发电厂、变电站10kV及以上的敞开式高压配电装置中大量使用的电气设备，通常1组双接地传统型高压隔离开关装有1把主刀和2把接地刀，需配置1台主刀操作机构箱和2台地刀操作机构箱（共3台）。存在设备投资大，安装、运维、检修等方面工作量大、耗时长、效率低等问题，其中电动操作机构箱数量多是造成上述问题的主要原因。为此，某公司按照智能变电站电气设备集成化、功能一体化和智能化的设计理念，以整合电动操作机构箱为突破口，研制一种集成型高压隔离开关电动操作机构箱，箱内仅配置一台操作电动机和一套电气控制保护装置。一台三相一体的双接地高压隔离开关仅需配置1台集成型高压隔离开关电动操作机构箱，可减少2台传统型电动操作机构箱。设备造价降低，安装、运维、检修等方面工作量减小、工作效率提升。

1 使用环境条件

1）环境温度：+60～-55℃；

2）海拔高度：2000m（2000m以上可按用户要求提高产品适用能力）；

3）安装场所应无严重尘埃、易燃易爆物质及化学腐蚀性气体动影响；

4）地震烈度：9度。

2 主要技术参数

集成型高压隔离开关电动操作机构箱技术参数见下表。

表 集成型高压隔离开关电动操作机构箱技术参数

3 减速机及机械闭锁结构设计

集成型高压隔离开关电动操作机构箱内部结构如图1所示。

图1 集成型高压隔离开关电动操作机构箱减速机结构示意图

箱体上方设有主刀及左、右接地刀输出轴3根，分别由同一台电机驱动，同一时间只能驱动其中的一根输出轴，通过电磁离合器的吸合与断开来驱动或断开输出轴。主刀输出轴由电机旋转，驱动主刀一级蜗杆涡轮减速箱，再通过电磁离合器驱动主刀二级蜗杆涡轮减速箱，带动主刀输出轴旋转。左地刀输出轴及右地刀输出轴的驱动原理与主刀类似。主刀、左接地刀、右接地刀第一级蜗杆涡轮减速箱之间通过万向联轴器连接。

电动机功率及电磁离合器的大小根据隔离开关需要的操作功通过计算确定。以220kV户外高压隔离开关电动操作机构为例，根据经验和实际测量，各型220kV户外高压隔离开关主刀的操作力矩出厂操作力矩最大不超过600Nm，在户外长期运行后，虽会由于锈蚀污秽等原因有所增长，但一般不超过900Nm，设定集成型高压隔离开关电动操作机构箱输出力矩相对产品操作力矩2倍的安全系数，输出力矩取1800Nm。蜗杆蜗轮减速及电磁离合器的参数选择如下［1-2］：

第一级蜗杆蜗轮减速的输出力矩：

第二级蜗杆蜗轮减速的输出力矩：

式中，电动机功率P1＝0.75kW；传动效率η1＝0.6；传动效率η2＝0.6；变比i1＝7，i1＝100。

经计算，第一级蜗杆蜗轮减速的输出力矩T1＝30Nm，第二级蜗杆蜗轮减速的输出力矩T1＝1800Nm。电磁离合器的动摩擦力矩：

经计算，电磁离合器摩擦力矩为80Nm。

传统高压隔离开关的机械闭锁装置，均设计在高压隔离开关主刀与接地刀传动之间，由于主刀与地刀传动部位之间距离较远，因此机构闭锁装置结构复杂，同时又要保证各闭锁零件的机械强度，构件耗材量大，制造成本高，机械闭锁的可靠性不高。而集成型高压隔离开关电动操作机构箱，由于主、地刀操作设在同一个机构箱内，主刀输出轴与地刀输出轴之间的距离近，便于设置主刀和接地刀之间的机械闭锁装置，减少耗材，降低制造成本，提高机械闭锁的可靠性。且机械闭锁在同一个操作机构箱内实现，较传统型操作机构的防误设计结构简单可靠，可避免人为误操作的风险。

4 二次电气回路设计

集成型高压隔离开关电动操作机构箱电气回路主要创新是在传统的电动操作机构箱二次回路中，增加电磁离合器切换控制回路（见图2），将近控／遥控时分闸、合闸支路分为主刀和地刀回路，且操作时各回路之间相互独立并满足电气互锁要求。

图2 集成型高压隔离开关电动操作机构箱操作控制系统图

集成型高压隔离开关电动操作机构箱二次操作如下（见图3）。

图3 集成型高压隔离开关电动操作机构箱二次操作示意图

以主刀近控操作为例，将近／遥控切换开关打到近控档，近控主-地刀选轴开关打到主刀操作档，近控主-地刀选轴开关的动触头与主刀电磁离合器的控制端相接触，电磁离合器控制回路的主刀电磁离合器近控回路接通，使得主刀电磁离合器吸合，主刀第一级减速机构和主刀第二级减速机构通过主刀电磁离合器连接；然后，按下近控合闸按钮（或近控分闸按钮），近控分合闸回路的近控合闸回路接通（或近控分闸回路接通），同时合闸接触器的触头（或分闸接触器的触头）吸合，电动机开始正转（或反转），通过电动机转轴带动主刀第一级减速机构、左地刀第一级减速机构和右地刀第一级减速机构的轴顺时针（或逆时针）转动，然后再通过主刀电磁离合器带动主刀第二级减速机构上的主刀输出轴转动，实现主刀的合闸（或分闸）；主刀合闸（或分闸）到位后，通过合闸限位开关（或分闸限位开关），实现近控合闸回路（或近控分闸回路）的断开，主刀的合闸（或分闸）操作结束。左地刀的就地分闸、就地合闸操作以及右地刀的就地分闸、就地合闸操作同理。

遥控操作隔离开关的主刀合闸（或主刀分闸）时，将近／遥控切换开关打到遥控档，其他操作过程与近控类似，不再赘述。

集成型高压隔离开关电动操作机构箱上设有通信接口［3］，将信号通过网络上传，满足智能变电站的要求。

5 样机制造

集成型高压隔离开关电动操作机构箱（见图4），箱体采用不锈钢材质制作，中间输出轴为用来操作隔离开关主刀，左边输出轴用来操作隔离开关左接地刀，右边输出轴用来操作隔离开关右接地刀。二次电器元件采用合资产品，可靠性能进一步提高。经样机测试各技术参数均达到设计要求。

图4 集成型高压隔离开关电动操作机构箱样机实验照片

6 主要创新点及技术经济分析

（1）集成型高压隔离开关电动操作机构箱主要创新点

1）减速机采用电磁离合技术，通过电磁离合器的吸合与断开，实现高压隔离开关主刀、地刀之间操作的切换；

2）主刀与地刀减速机的第一级之间采用万向联节器连接，实现1台电动机带动3个减速机传动；

3）将高压隔离开关上的机械闭锁装置取消，在机构箱内主刀、地刀输出轴之间设计机械闭锁，简单可靠；

4）高压隔离开关主刀、左地刀及右地刀共1台机构箱，3根输出轴，箱体内仅设1台操作电动机和1套电气控制保护系统。

（2）集成型高压隔离开关电动操作机构箱技术经济分析

1）隔离开关主刀与接地刀之间的机械闭锁、电气闭锁均设在集成型高压隔离开关电动操作机构箱内，结构更简单，受力机械强度更高、设备安全可靠性进一步提高；

2）满足智能变电站的运行维护要求。集成型高压隔离开关电动操作机构箱具备通信接口，将隔离开关的信号通过网络上传；

3）控制电缆采用航空插头接口，安装调试、运行维护方便；

4）与传统电动操作机构箱相比，集成型高压隔离开关电动操作机构箱投资省，安装时间短，运行维护方便。相应的安装辅材、动力电缆和控制电缆及其穿管数量减少约40%，安装调试工作量也相应减少约50%，支架材料节省约30%，土建基础费用节省约20%。减少运行维护的工作量约30%；

5）与传统电动操作机构箱相比，集成型高压隔离开关电动操作机构箱只需一个箱体、一套电气系统，制造成本节省约40%。

7 结束语

集成型高压隔离开关电动操作机构箱是基于资源节约和功能集成等设计理念开发的新产品，与传统型电动操作机构箱相比，具有结构简单、重量轻，安装维护工作量少、机械连锁安全可靠、投资省等优点，且具备网络通信功能，能满足智能变电站无人值班的要求。样机技术参数测试完全达到设计参数要求值，建议样机通过挂网试运行后，完善技术方案和制造工艺，并开展小批量生产及小范围试点应用工作，为高压隔离开关从传统型升级到智能型积累经验。