一种新型快速隔离开关的设计

纪江辉, 孙广涛, 李树昆, 郅娇娇, 李燕燕

(许继集团有限公司,河南 许昌 461000)

0 引 言

直流输电、配电技术与交流输电、配电技术不同,具有损耗低、不产生无功功率、谐波小、易新能源接入的优点[1-5]。目前,随着我国新能源发电的快速发展和城市、乡镇对电能质量需求的提高,直流输电和配电及直流微电网的发展将是未来电网发展的必然趋势[6-7]。

直流系统与交流系统相比无过零点,并且直流断路器故障电流上升率较高,直流电网存在故障电流难以分断的难题[8-12]。因此要求直流断路器需具备快速分断的特点。目前研究较多的直流断路器类型为混合式与机械式,两种直流断路器开断电流的时间主要取决于其中的关键部件——机械式快速隔离开关的动作时间[13-15]。据调研目前应用的快速隔离开关,以电斥力操作机构为主[6]。电斥力操作机构依靠线圈通电迅速产生变化的磁场,使金属盘感应涡流产生与线圈相反的感应磁场。磁场相互作用,产生电斥力,且产生电斥力励磁时间极短,但电斥力机构尚存在不足[16-26]:斥力机构线圈需要近千伏、上万微法的电容供电,体积较大、成本高;斥力机构线圈的瞬时电流达到数万安培,充放电及控制回路复杂;斥力机构提供的瞬时加速度过大,需要机械部件具有较高的机械强度;斥力机构在分闸时速度较大(达到10 m/s),分/合闸反弹难以控制。

针对以上问题,提出永磁机构与气动操作机构相结合的新型快速隔离开关。采用永磁双向保持,利用气体储能,并采用线圈进行脱扣的装置,有效降低开关体积及成本,提高开关的机械可靠性。通过有限元仿真验证开关原理可行性,并根据仿真结果成功制作了20 kV直流快速隔离开关样机,试验研究证明其可行性。

1 快速隔离开关工作原理

快速操作机构研究已有30余年,主要以电磁斥力为主。电磁斥力机构如图1所示,动作原理参见文献[6]。

快速隔离开关机构原理如图2所示。

快速隔离开关机构原理动作原理如下:

(1) 合闸过程。开关处于分闸状态,合闸电磁阀预导通,气体进入操作机构内部,此时永磁机构的磁场吸力与负载合力大于气体对活塞的压力,机构保持在分闸状态。当机构接到合闸指令,机构合闸线圈得电,产生的磁场抵消永磁体的磁场;当永磁吸力小于气体压力时机构输出轴开始动作,由于气体磁阻较大,动铁心一旦脱离下端盖,永磁吸力迅速减小,气体对活塞产生的压力作为动力使动铁心迅速到达合闸位置;在合闸位置,动铁心依靠永磁吸力进行保持,合闸电磁阀断电,气体从电磁阀迅速排出,合闸过程完成。

(2) 合闸状态。开关处于合闸状态,为了满足快速分闸的需求,分闸电磁阀需打开,对操作机构进行储能,储能完毕,关闭电磁阀;并检测储气罐的气压,当气压小于设定值,电磁阀打开对储气罐补充气体。

(3) 分闸过程。开关处于合闸状态,当接到分闸命令,控制器给分闸线圈命令,分闸线圈产生的磁场抵消永磁体在机筒中磁场,使永磁吸力减小;气体进行预储能,当活塞受到的气体压力及负载合力大于永磁吸力时,活塞将带动动铁心向分闸方向运动;空气的磁阻较大,当活塞离开下端盖后,电磁吸力迅速减小,气体压力与分闸负载形成合力,铁心带动真空灭弧室动端,迅速完成分闸(开关动态耐压时间在3 ms以内)。

2 快速隔离开关的仿真模型建立

快速隔离开关采用气动机构进行分闸,合闸过程与分闸过程相同。以下着重分析快速隔离开关的分闸仿真模型建立及仿真结果。

2.1 分闸模型建立

利用Infolytica MagNet,依托永磁机构原理进行快速隔离开关的分闸仿真研究。采用气体储能,操作机构运动行程较小,忽略因气缸行程变化对气压的影响,把气体压力与负载弹簧合力作为驱动力设置到动铁心上,与分闸负载弹簧共同作为分闸的驱动力;活塞的气流通道在模型中未体现。仿真等效模型如图3所示。参数设置如表1所示。

表1 参数设置

2.2 仿真结论

主要提供一种永磁与气动相结合的快速操作机构解决方案。分别对所提新型快速隔离开关和电斥力机构进行仿真。根据仿真等效模型[6],新型快速隔离开关仿真结果如图4所示,某电斥力机构仿真结果图5所示。

由图4可知,新型快速隔离开关分闸开距为6 mm,分闸时间为2.95 ms,可满足快速分闸的需求。根据图4与图5参数对比可知,电斥力机构在分闸时,尤其在分闸的起始阶段,提供的电斥力达到数万、甚至数十万牛顿,对快速隔离开关的机械强度要求较高,灭弧室、绝缘拉杆、传动杆、缓冲器需要特制。另外,分闸电流瞬间达到上万安培,对分闸电容容量及充放电控制回路要求较高。综合以上因素造成电斥力机构的成本较高、体积较大、机械寿命难以提升的问题。而新型快速隔离开关提供的分闸动力全行程变化均匀,在满足快速分闸条件下,机械冲击力相对较小。合/分闸电流相对较小,控制回路较简单,易提高快速隔离开关的机械寿命。新型快速隔离开关与电斥力机构关键参数对比如表2所示。

表2 新型快速隔离开关与电斥力机构关键参数对比

3 试验验证

根据理论搭建原理型样机,测试电压、气压可以调整,不同气压条件下分闸时间如表3所示。

表3 不同气压条件下分闸时间

隔离开关分/合闸曲线如图6所示。

由图6可知,分闸开距10 mm、气压1.0 MPa、分闸电压400 V时,对应的分闸时间为2.4 ms;合闸开距为10 mm、气压1.0 MPa,合闸电压400 V时,对应的合闸时间为8.5 ms。

4 结 语

提出的技术方案与采用电斥力操作机构方案相比,在经济型、可靠性及小型化方面具有一定优势。

(1) 小型化角度分析:提出的技术方案中操作机构与电磁操作机构体积相当,但控制模块无需大容量的合/分闸电容器组、充放电模块、大功率电力电子器件。因此,与电斥力机构的快速隔离开关相比,体积可减小50%以上。

(2) 经济性角度分析:提出的操作机构无需使用大容量电容器、大功率电力电子器件及控制单元 、高强度的灭弧室等特制器件,预计可降低成本50%以上。

(3) 从可靠性角度分析:提出操作机构与电斥力机构相比,开关在合/分闸过程中受到的冲击力较小,降低因合/分闸冲击造成机械结构、灭弧室等器件损坏几率。另外,控制回路电流较小,提高控制回路的电气寿命。因此,有利于提高快速隔离开关的机械寿命。

目前,弹簧操作机构、永磁操作机构在电力行业应用较为广泛,气动操作机构在机车车载设备应用较广泛;结合气动操作机构、永磁操作机构灵活性、快速性、经济型,可作为未来快速操作机构发展的方向。另外,提出的快速隔离机构暂不具备数毫秒内完成快速重合闸,需要继续深入研究。