550kVGIS小型化隔离开关操作功计算

龚咪咪 骆常璐

（河南平芝高压开关有限公司，河南平 顶山 467013）

随着我国电力工业的高速发展和电压等级的不断提高，气体绝缘封闭开关设备（GIS）在我国电力系统中的应用越来越广泛。它是将断路器、隔离开关、接地开关、电流互感器、电压互感器、母线等元件组合封闭在接地的金属壳体内，充以一定压力的SF6气体作为绝缘介质所组成的成套开关设备［1］。GIS占地面积少，受环境的影响小，不会产生噪音和无线电干扰，运行安全可靠，因而自问世以来得到了快速发展［2-3］。

隔离开关的作用是在无负荷下合、分电路，起到输送电力和安全隔离的作用，达到转换电路和停电检修的目的。其结构形式和运行的可靠性极大地关系到电力系统的安全运行。在进行隔离开关结构设计时，其操作功的计算十分必要，它直接决定操作机构的选型是否正确，进而影响隔离开关的动作特性。所以，本文以550kV隔离开关为例，对其操作功的计算方法进行了详细的介绍和探讨，并通过实际测量隔离开关的操作功，验证了计算方法的正确性。

1 隔离开关机构操作功计算

1.1 隔离开关传动系统等效质量计算

在计算操作功前，需要将隔离开关传动系统各部分质量等效到机构输出端，以便进行加速功能的计算。550kV GIS隔离开关的传动系统简化图如图1所示。图中A端为操作机构输出端，计算时需要将各部件质量等效到A端，其计算公式如式（1）所示［4］。

图1 隔离开关传动系统简化图

式中：m——隔离开关传动系统等效质量（kg）；

m1、m2——连杆质量（kg）；

m3——隔离开关分合闸触头运动部质量（kg）；

a、b— —拐臂1尺寸（mm）；

c、d— —拐臂2尺寸（mm）；

I1、I2— —拐臂1、拐臂2的转动惯量（kg·mm2）。

以550kV GIS隔离开关为例，以上各参数数值如下表1所示。将表中各参数值代入式1，可得隔离开关传动系统等效质量为：

表1 550kV GIS隔离开关计算等效质量用各参数值

1.2 分闸加速动能计算

隔离开关分闸时，触头分闸动作的动能大小计算公式如式（2）所示。

式中：A1——分闸加速动能（N·m）；

m——运动系统等效质量（kg）；

vf——平均分闸速度（m/s）。

已知隔离开关平均分闸速度为vf=1.5m/s，则隔离开关分闸时的加速动能为：

1.3 分闸时触头系统及密封件摩擦消耗功计算

式中：A2——分闸时触头系统及密封件摩擦消耗功（N·m）；

Pf1——主触头摩擦力（N）；

——主触头超程（m）；

Pf2——弧触头摩擦力（N）；

图2 隔离开关主触头结构

——弧触头超程（m）；

Pf3——转动密封件摩擦力（N）；

0——转动密封件行程（m）。

1.3.1 隔离开关主触头摩擦力计算

隔离开关主触头结构如上图所示，从图纸可知隔离开关触头运动时的摩擦力与板簧压力有关，已知圆周方向共有60个板簧，每个板簧的压力为29.4N，触头摩擦系数取0.15，则主触头摩擦力为：Pf1=29.4×60×0.15=264.6N

1.3.2 隔离开关弧触头摩擦力计算

图3 隔离开关弧触头结构

隔离开关弧触头结构如上图所示，触头为悬臂梁结构，一端固定，另一端受压，已知触头由六瓣组成，运动时每瓣受到的压力为49.27N，触头摩擦系数取0.15，则弧触头摩擦力为：

1.3.3 转动密封件摩擦力计算

根据经验，分闸时转动密封件的摩擦力取150N，即有Pf3=150N［4］。

综上，由隔离开关本体结构可知，主触头的超程为35mm，弧触头的超程为51mm，转动密封件受摩擦力时对应的行程为35mm，则可得分闸时触头系统及密封件摩擦消耗功A2为：

1.4 分闸时油缓冲器吸收的能量

操作机构带动触头系统运动时，需要带动油缓冲器一起动作，而缓冲器工作时，油缸中的油经排油孔高速排泄，形成较强的油流阻尼，将消耗一部分操作功，计算较复杂，常用经验数据来处理，如公式（4）所示。

式中：A3——油缓冲器吸收能量（N·m）；

Af——机构操作功（N·m）。

1.5 隔离开关机构操作功计算

隔离开关机构操作功计算公式如式（5）所示。

式中：ηf——传动交率，一般取0.90。

通过前述计算，可将各参数数值代入上面公式，从而得到隔离开关机构操作功大小，即有：

2 隔离开关机构操作功实际值测量

隔离开关机构操作功计算完成后，根据操作功的计算值大小选择合适的操作机构与隔离开关本体匹配。隔离开关样机装配完成后，利用力矩测试仪对隔离开关实际动作时的操作功大小进行测量，测试仪图片和测试过程如图4、图5所示。测试时，总共测试6次，结果如表2所示。

图4 力矩测试仪

图5 隔离开关操作功测试过程

从测试结果可知，隔离开关机构操作功实际测试平均值为123N·m。而计算的理论值为115N·m，实际值比理论值大8N·m，误差度约为7%，在10%范围内，从而验证了理论计算方法的正确性。

表2 隔离开关机构操作功实际测试值

3 结论

本文以550kV GIS中新开发的隔离开关为例，首先确定了隔离开关操作功的计算模型和计算方法，然后根据隔离开关的结构和相关尺寸，确定模型中各参数的意义和大小，从而计算出操作功的理论值。最后，在隔离开关样机装配完成后，通过实际测量操作功，发现操作功实测平均值与理论值的误差度为7%，小于10%，进而验证了计算模型和计算方法的正确性，为隔离开关操作机构的正确选型提供了依据。

［1］邱毓昌.GIS装置及其绝缘技术［M］.北京：水利电力出版社，1994.

［2］高有华，孙彤，申力，等.GIS中快速暂态过电压的研究［J］.沈阳工程学院学报，2008（4）：51-53.

［3］童彤.750kV特高压GIS隔离开关特快速暂态过电压（VFTO）的危害及预防［J］.新疆电力，2006（4）：17-23.

［4］黎斌.SF6高压电器设计［M］.北京：机械工业出版社，2009.