随着居民用电负荷的日渐增长, 高压配电线路必将承载更多负荷, 同时增加更多的分叉、分支线路。为加强高压线路管理和维护, 缩小停电范围, 需要在各区域分段点安装高压开关。特别是在郊区和农村电网10 kV配电网线路中, 广泛使用高压柱上开关产品, 包括柱上隔离开关和柱上负荷开关, 可以实现线路分段和保护^[1]。高压隔离开关作为电力系统中用量最多的输变电设备之一, 面临以下两个方面的考验: 一方面, 高压隔离开关大多完全暴露于外部环境中, 所以在投入运行期间必须长时间耐受大风、大雨、雷害、冰雪、雾霾等各种环境气候条件的影响, 一些特殊区域还会受到灰尘以及小动物的侵害; 另一方面, SF₆气体凭借其物理和化学性能稳定、绝缘和灭弧性能良好被广泛应用于高压隔离开关中, 但若管理、使用不当或未按正确的方法对其进行回收和再生处理, 将导致SF₆气体及其在高温电弧作用下产生的有毒气体分解物排放到大气中, 从而对环境造成污染, 并影响设备正常运行^[2]。

目前, 我国常用的主配电网高压隔离开关均沿用20世纪60年代设计的产品, 在系统运行时容易产生多种问题从而造成设备缺陷和故障, 如因长时间未进行分、合操作导致开关无法拉开等, 对主配电网运行造成极大安全隐患。

基于传统高压隔离开关存在的问题, 本文设计了一种用于户外的小型三相联动双断口高压隔离负荷开关(产品型号GFW-12/630-20, 上海甬吉电气有限公司)。该设备采用新型防护材料和金属材料、新型加工工艺和新型开关内部结构, 具有无污染、长寿命、低成本、免维护和安全可靠等显著优势, 符合节能环保理念和国家电网技术规范要求。

在现有的户外开关设备中, 负荷开关(断路器)与隔离开关基本上是分开独立的, 生产和加工工艺已基本定型^[3]。户外的10 kV柱上隔离开关大多是结构简单的刀闸方式, 但其所处的大气环境复杂, 可能导致开关结构部件锈蚀、进水受潮, 从而发生卡涩或分合闸不到位, 甚至导致开关拒合拒分^[4]。同时, 隔离开关的制造工艺、材料选择和机构方面存在以下问题: 一是制造工艺水平和所用材料成本有限, 导致许多老旧的隔离开关会出现平衡弹簧锈蚀的情况; 二是倒闸三相拐臂的角度调整不对, 且机构输出轴法兰角度调整不到位时, 扇形齿轮爆齿, 导致万向节法兰与机构法兰连接螺丝被切断、机构的限位开关铸铁件被打断, 从而使得开关不能正常分、合闸。隔离开关运行时合闸不到位、分闸不彻底, 有可能导致触头严重发热, 影响电网安全稳定运行, 并造成极大的人身安全隐患。

此外, 10 kV户外高压负荷开关一般采用外部全密封的真空开关或采用SF₆为绝缘介质的真空灭弧, 开关整体体积较大且造价较高^[5]。在分闸位置时, 无法查看触头之间的绝缘距离和断开标志, 不适合作为隔离开关使用。同时, 开关设备中的SF₆极易泄漏, 不符合环保要求。

目前电力系统中采用的是三相交流供电, 系统的稳定性和可靠性在很大程度上取决于3个相位之间的平衡和同步。三相联动的核心原理在于确保操作隔离开关时, 3个电源相位同时打开或关闭, 以防止电流在不同相位中产生不均匀分布, 从而危害电力系统安全运行。隔离开关作为电力系统中的关键开关设备, 主要作用是将电源与电路或设备分离, 以确保在操作过程中没有电流流经被隔离的部分。隔离开关的三相联动涉及3个相位的开关协调操作, 对于防止电击、设备损坏和维护工作的安全性至关重要。

本文设计了一种适用于额定电压12 kV、频率50/60 Hz的架空线路户外三相联动双断口隔离负荷开关。该隔离开关主要由机架、机构箱以及包含在全封闭式机构箱内部的开关机械结构和开关操作机构组成, 整体结构如图 1所示。

本文所设计的开关在有电压带负荷情况下的合闸、分闸状态如图 2所示。该开关结构由连扳、拐臂、主轴、真空灭弧室、可见断口, 以及布置在外壳上的防护板、外加伞裙和有机玻璃组成。

由图 2可以看出, 该开关在分闸时有明显可见的电气安全隔离距离, 采用水平进出线与上下垂直断开方式, 使得工作电场与断开方向成90°, 并将动触头安装在静触头的下方。每相高压进线和出线采用双断口结构, 包括2个双真空开关的断口和2根隔离导电杆与动触头的断口, 使得隔离开距平均分配在两侧, 有利于压缩装置体积, 既能满足负荷开关的技术要求, 又能像隔离开关一样, 具有可见断口, 而且分闸时裸露触头不带电^[6]。由于采用双断口设计, 开关在断开时会形成明显断口, 从而达到符合规定的绝缘距离, 避免出现开关接触不良的问题。此外, 全封闭杆刀式设计和内部触头的倒装形式, 使得开关的关键部分不会直接暴露于外部环境中, 极大降低了恶劣天气影响、避免了小动物的侵害, 有效保证开关的正常运行。隔离触头套和隔离导电杆上的触头座采用耐电弧烧蚀的钨铜合金制作, 不会因过电流而发热熔化、烧坏或造成凹痕。

为保证三相联动的可靠性和同步性, 每相动触头的触头座都通过连扳、拐臂与主轴相连, 并在纵梁上沿两根导向杆上下运行达到同步分闸与合闸。开关操作机构示意如图 3所示。其中, 开关的分、合闸操作是通过两工位弹簧操作机构实现的。

开关的合闸、分闸过程如下。

(1) 在开关分闸状态下, 拉动开关至合闸状态, 刀闸在合闸过程中先与灭弧室动触头接触, 灭弧室由分离状态变为闭合状态。此时, 开关处于合闸状态。

(2) 在分闸过程中, 活动拐臂先与灭弧室动触头分离, 使工作电流转移到真空灭弧室, 由真空灭弧室灭弧。活动拐臂移至另一稳定位置时, 形成可见隔离断口。此时, 开关处于分闸状态。

机构传动采用挂簧传输方式, 分合闸部件少, 可靠性高, 在实现快速分合闸的同时, 避免了开关部件过多、传动距离过长而引起的传动卡涩问题。上述开关合闸状态两工位弹簧机构示意如图 4所示。

此外, 本文所设计的开关设备中灭弧、绝缘支柱采用了环氧树脂固体绝缘技术和外包硅橡胶绝缘技术, 使得带电部位能够全部包裹在绝缘件内, 并且融合了两种技术的优点, 延长了设备使用寿命, 提高了设备安全性能。

在每相进/出线端加装高精度电流互感器, 并在开关操作机构处加装标准智能化接口, 对一、二次设备进行联合, 得到三相联动双断口隔离负荷开关实物, 以满足更为简单便捷的测量、通讯、显示、记录、提示等需求。全封闭隔离负荷开关外观结构如图 5所示。隔离负荷开关内部结构如图 6所示。

为提高该隔离负荷开关的操作可靠性, 在实物开关上加装了闭锁装置, 可实现机械闭锁和电气闭锁。闭锁部分安装示意如图 7所示。

根据相关标准, 本文设计的三相联动双断口全封闭式隔离负荷开关各部件参数要求如表 1所示。

对该隔离负荷开关进行型式试验, 得到其可靠参数见表 2。其中: 干试的额定短时工频耐受电压与额定雷电冲击耐受电压均为相间及对地与断口处的实验值; 湿试的额定短时工频耐受电压为相间及对地的实验值; S1表示接地故障条件; 触头开距与接触行程均为隔离断口处的测试值。

将表 2的型式试验数据与表 1的设定值进行对比可知, 在额定电压为12 kV、额定电流为630 A的环境下, 本文设计的隔离负荷开关在面对各种故障(包括短路、雷电冲击等)的情况下均体现良好性能, 最大开断电流能够达到630 A, 并且分合闸速度达到了相关国家标准, 具备良好的机械稳定性。

本文设计了一种用于户外的小型三相联动双断口高压真空隔离负荷开关, 通过改进高压隔离开关的内部机械结构、优化断口结构形状和材料选型等, 显著提高了开关的开断容量和可靠性, 减少了安全隐患, 提高了配电网的供电可靠性, 并延长了设备的使用寿命。此外, 该隔离负荷开关达到了相关国家标准和设计之初的参数要求, 主要适用于10 kV配电网线路, 是一款合格且具有广阔应用前景的新型配电设备。