高压真空接触器在海上风电充气环网柜中的应用

李金辉 袁丽丹

高压真空接触器在海上风电充气环网柜中的应用

李金辉 袁丽丹

（特变电工云集电气有限公司，湖南 衡阳 421000）

充气环网柜具有体积小、免维护、不受恶劣环境影响等特点，极度适于海上风电应用场景。海上风电机组因海上风能影响，需频繁切入切出，对开关元件的机械寿命和机械操作的可靠性要求较高。本文结合充气环网柜环境适应性好等特点，研究将具有高寿命的真空接触器放置于充气箱体内，且满足与其他充气环网柜方案并柜的可行性，最后进行设计生产验证，并应用于海上风电风机塔筒项目中。

充气环网柜；真空接触器；密封；波纹管；动作时序

0 引言

充气柜是将高压元件安装在一个密封箱体内，内充稍高于大气压力的气体绝缘介质，利用现代先进加工工艺制成的成套系列化产品，在系统正常和故障情况下具有对电能分配的控制、保护、测量、监视和通信功能。

充气柜高压元件全部密闭于气箱中，不受外界环境条件（如高海拔、凝露、污秽、小动物及化学物质等）[1]的影响，且占地面积小，免维护[2-3]，满足有空间限制、环境恶劣且可靠性要求高的场所，例如海上风电风机塔筒内。

在海上风机塔筒的电气主接线系统中，与风机直接相连的一般为充气环网柜，其配套主开关为真空断路器或负荷开关。因海上风力发电受风能资源限制，发电输出随机性强、波动性大[4-5]，风机需要频繁切入切出，这就要求配套充气环网柜具有更高的机械寿命来满足系统的频繁操作。

充气环网柜主开关元件参数见表1。由表1可知，接触器的机械寿命远大于断路器及负荷开关，而提高后者的机械寿命，不仅成本极高，而且无法达到接触器的性能程度，故经综合考量，采用接触器是满足风机频繁操作要求的最优方案。

本文研究将真空接触器应用于充气环网柜的可行性，在保障接触器寿命长、可频繁操作[6-7]等优点的前提下，制定可靠密封方案，并进行投产验证及测试分析。

表1 充气环网柜主开关元件参数

1 设计方案

1.1 海上风电介绍

煤炭、石油等传统能源发电会对环境造成较大损害，故近年来国家大力发展清洁能源，如风能。陆上可利用的土地和风力资源有限，且风力发电噪声过大[8]，因此具有风速大、噪声污染小、不占用土地资源等优点的海上风电占比不断增大[9]。

2016—2021年，海上风电保持高速增长。2016—2021年中国海上风电新增和累计装机容量如图1所示：2016年新增装机容量仅有0.59×103MW，到2018年新增装机容量达1.73×103MW[10]，较2016年增长近2倍；2020年，中国海上风电累计装机容量首次突破1万MW大关达到1.09×104MW；2021年，中国海上风电发展达到高潮，新增并网容量1.69×104MW，累计装机容量2.78×104MW，一跃成为世界第一大海上风电装机量国家[11-12]。

图1 2016—2021年中国海上风电新增和累计装机容量

中国风电整机市场份额较为集中，2021年我国共有7家整机制造企业有海上风电新增装机[13]。2021年中国海上风电制造企业新增装机容量及占比如图2所示，其中电气风电新增装机876台，容量为490.1万kW，占比为29.0%，位居第一。截至2021年年底，海上风电整机制造企业共13家，其中海上风电累计装机容量超过100万kW的整机企业共有6家，这6家企业海上风电机组累计装机容量合计为2 470.7万kW，占海上累计装机容量的89%。

图2 2021年中国海上风电制造企业新增装机容量及占比

随着2022年国家补贴正式退出，中国海上风电市场增速预计将放缓，全球风能理事会（global wind energy council, GWEC）数据显示，未来中国海上风电将保持稳定增长态势，预计到2030年我国海上风电累计装机量将达到60GW[14]，2023—2030年中国海上发电累计装机容量预测如图3所示。

图3 2023—2030年中国海上发电累计装机容量预测

1.2 风机系统电气主接线方案

目前，我国在运风机系统中，基于双馈感应发电机的风电机组使用最为广泛。本文即采用双馈感应发电机组成的风机系统[15-16]，其电气主接线如图4所示，双馈感应发电机受风力作用，将风能转化为电压和频率持续变化的电能，经变流器转变为稳定的电压和频率后再接入电网，然后经升压变压器升压后储存或传送出去[17-18]。

在电气主接线中，选用接触器柜与风力发电机系统相连，利用接触器可快速切断交、直流电流、可频繁操作及可控制大容量电路的特点，直接控制风电机组的并网，通过与继电器的配合，可实现定时操作、定量控制和联锁控制[19]，保障风电功率的有效输出，合理调配运营成本。

1.3 高压真空接触器柜方案

接触器柜具有空气绝缘和气体绝缘两种型式，但空气绝缘接触器柜无法适应海上运行的恶劣环境，需做额外防护，极大增加了生产及维护成本。因此，结合海上风电实际需求和成本控制，本文采用气体绝缘接触器柜方案。

图4 风机系统电气主接线

1）真空接触器介绍

真空接触器是利用真空作为绝缘和灭弧介质的接触器元件，一般由真空灭弧室组件、电磁操动机构和控制电路组件[20]三部分组成，具有电弧不外喷、熄弧能力强、分断速度快、耐压等级高、电寿命长、噪声小等优点[21]，故本文采用真空接触器做进一步研究。

2）充气式接触器柜

（1）密封方案

对于充气式接触器柜，关键是如何在保证密封性的前提下，实现真空接触器的可靠动作。其密封方案有整体密封和局部密封两种。

整体密封是将真空接触器整体密封于充气箱体内，此方案结构简单，技术也较为成熟，但因其控制电路线束需引出充气箱体，密封成本较高，经济性较差。

局部密封是只将真空灭弧室组件封闭于密封箱体内，电磁操动机构和控制电路组件放置于密封箱体外，中间采用特制的传动密封组件传动。此方案仅对常规真空接触器进行局部优化，成本较整体密封方案大幅降低。

综上所述，局部密封方案的可行性较整体密封方案更强，具有更大的研究意义。

（2）充气式接触器柜

本文论述的充气式接触器柜采用局部密封方案，充气式接触器结构示意图如图5所示，真空灭弧室组件在充气箱体内，电磁操动机构在充气箱体外，整体结构采用三相独立的环氧材料整体浇注半筒形绝缘框架。

图5 充气式接触器结构示意图

真空灭弧室组件通过导向机构、触头弹簧等与分合板相连，分合板固定在转轴上，其另一端通过传动密封组件与电磁操动机构相连。合闸时，电磁操动机构线圈通电，线圈中通过的电流产生交变磁场，从而产生电磁吸力。当电磁吸力大于弹簧拉力时，动铁心运动与静铁心吸合[22]，带动电磁铁吸合，使分合板向上运动，并推动导向机构、触头弹簧，使真空灭弧室组件内触头闭合，并提供触头压力，保证闭合可靠；分闸时，电磁操动机构线圈断电，电磁吸力减小到小于弹簧拉力时，动铁心与静铁心断开[23]，电磁铁失力，在分闸弹簧的作用下，分合板向下拉动导向机构，使真空灭弧室组件内触头分开，完成可靠分断[24]。

电磁操动机构在起动吸合电磁铁时需要较大的起动功率，而合闸后其需保持的功率大为减少，故电磁线圈需要在起动和保持之间进行转换，其转换由辅助开关同步进行。辅助开关也可提供给外部控制节点使用。

该真空接触器采用直流电磁系统，控制电路提供整流装置，可直接用交流电源控制。

（3）传动密封组件

因密封方案的关键是如何在保证密封性的前提下，实现真空接触器的可靠动作，故传动密封组件的选用和结构设计尤为重要。

充气柜连接气箱内外一般会采用骨架油封、磁流体密封及金属波纹管密封等几种形式，骨架油封和磁流体密封主要用于旋转密封，而波纹管则用于轴向运动密封。骨架油封耐磨性较差，动作次数多时无法可靠保证密封性能，无法满足真空接触器机械操作频繁、次数多的要求；磁流体密封成本较高，批量生产时经济效益差，不做优先考虑；金属波纹管既可满足机械操作频繁、次数多的要求，成本又较磁流体密封低，且易与真空灭弧室组件及电磁操动机构配合，结构简单，故本次密封方案的传动密封组件选用金属波纹管组件。

常见的金属波纹管有压制波纹管和焊接波纹管两种，压制波纹管采用薄壁管拉长和成型的办法在压力机上或用液压压模制成[25]，焊接波纹管则是用薄膜片内、外圆焊接制成。经对比，焊接波纹管的压力和温度可应用范围更广，疲劳持久限更长，尺寸也更为紧凑，具有更为优越的性能[26]。

传动密封组件结构示意图如图6所示，采用焊接波纹管，压缩补偿量可达50%，完全满足真空接触器的轴向位移量要求，波纹管导杆两端采用螺纹连接，一端与真空灭弧室组件中分合板相连，另一端与电磁操动机构导向杆相连。在固定波纹管两端时，波纹管导杆因受力会发生转动，进而导致膜片发生变形，严重时会降低密封性能，影响使用。因此，本次设计时在导杆中间加设方块卡槽，在固定两端时，用工具卡住方块卡槽，直接从根本上避免导杆转动，保障产品性能。

图6 传动密封组件结构示意图

2 应用实例

依据上述密封方案及设计原理，选用合适的配套件，完成充气式接触器柜的实际设计生产及验证。真空灭弧室组件如图7所示，电磁操动机构如图8所示，充气式接触器柜应用实例如图9所示，该产品生产完成后，按照技术要求在厂内完成了相关试验验证工作，如绝缘试验、密封试验、二次调试等项目，产品可安装在海上风电机组的塔筒内平台上，能够为主变压器进行配电和分断，并可在电网故障或电网短路的情况下，提供反馈触点反馈故障信息。

图7 真空灭弧室组件

为进一步验证产品的力学和电气性能，依据国家标准GB/T 3906—2020《3.6kV～40.5kV交流金属封闭开关设备和控制设备》和GB/T 14808—2016《高压交流接触器、基于接触器的控制器及电动机起动器》中的相关规定，本文对上述充气式接触器柜完成了在国家电器产品质量检验检测中心的型式试验验证工作，验证内容包括但不限于力学性能、绝缘性能、关合和开断能力、密封性能、温升性能、电磁兼容性能等项目，验证结果如图10所示。

图8 电磁操动机构

图9 充气式接触器柜应用实例

本文还验证了此充气式接触器柜与其他充气柜方案并柜使用的可行性，充气式接触器柜并柜应用实例如图11所示，图11中最左边为充气式接触器柜，其外形尺寸为600mm×950mm×1 950mm，且CT、PT等高压电气元件均已安装于柜内，完全满足小型化、智能化的配电网要求。

3 真空接触器动作时序测试

为了能够更好地实现后台通信，保障并网的及时性和可靠性，针对本文设计生产的真空接触器，对其主触头、常开触点、常闭触点在通电和断电时的反馈信号及动作时序进行测试，测试回路示意图如图12所示，其中K3为真空接触器。

测试结果如图13所示，在真空接触器线圈得电后，约69.2ms后主触头开始动作，主触头动作5.8ms后常闭触点动作，常开触点在主触头动作7.4ms后才开始动作；在真空接触器线圈断电后，约57.1ms后常开触点首先开始动作，常开触点动作2ms后，常闭触点与主触头几乎同时动作。

图10 充气式接触器柜第三方型式试验验证结果

图11 充气式接触器柜并柜应用实例

图12 测试回路示意图

图13 真空接触器测试结果

由测试结果可得，本文所述充气式接触器柜能够保证动作的及时性，进而保障配套发电机组并网运行的可靠性。

4 结论

本文将真空接触器应用于充气环网柜中，既保留了充气柜体积小、免维护、不受恶劣环境影响等优点，又满足了风机系统频繁操作、寿命长的要求，并大幅降低了后期的维护成本，具体如下：

1）与其他充气环网柜主开关元件的性能参数对比表明，真空接触器30万次的机械寿命比断路器或负荷开关具有更大的竞争优势。

2）结合对海上风电相关特点的分析，对我国海上风电新增和累计装机容量进行研究，佐证本文真空接触器方案的应用前景。

3）从风机系统电气主接线方案引入分析，进行充气式接触器柜方案的论述，如整体密封方案与局部密封方案的对比分析、充气式接触器柜结构及原理、传动密封结构方案等。

4）根据所述方案，进行实际投产验证、第三方型式试验验证及与其他充气柜方案并柜使用的可行性验证。

5）进行接触器动作时序分析，进一步证明充气式接触器柜的动作及时性和可靠性。

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Application of high voltage vacuum contactor in inflatable ring main unit of offshore wind power

LI Jinhui YUAN Lidan

(TBEA Yunji Electrical Co., Ltd, Hengyang, Hu’nan 421000)

The inflatable ring main unit has the characteristics of small size, maintenance free, and free from harsh environment, which is extremely suitable for offshore wind power application scenarios. Due to the impact of offshore wind energy, offshore wind turbines need to be cut in and out frequently, which requires high mechanical life and reliability of mechanical operation of switches. In combination with the characteristics of good environmental adaptability of the inflatable ring network cabinet, this paper studies the feasibility of placing the long-life vacuum contactor in the inflatable box and meeting the requirements of cabinet merging with other inflatable ring network cabinet schemes. Finally, the design and production verification are carried out and the inflatable ring main unit is applied to the offshore wind turbine sleeve project.

inflatable ring main unit; vacuum contactor; seal up; bellows; action sequence

2023-08-07

2023-09-01

李金辉（1991—），男，河南省开封市人，硕士，工程师，主要从事中高压气体绝缘开关柜的技术研发、生产工艺及试验验证等方面的研究工作。