快速机械开关机械特性和结构强度研究

快速机械开关机械特性和结构强度研究

潘孟福

贵州振华华联电子有限公司  贵州省黔东南州凯里市  556000

摘要：国家大型风电、光伏等“绿色、低碳”新型清洁能源的并网消纳，迫切需要柔性直流输电新技术及新设备的开发研究。依托张北柔性直流电网试验示范工程，系统研究了混合式直流断路器的核心设备———快速机械开关。基于混合式直流断路器的工作原理及快速机械开关的性能要求，提出了多断口真空开关串联均压的高电压大电流快速机械开关实现方案;通过对快速机械开关分闸动态特性的有限元仿真计算，表明快速机械开关能够在2ms内运动到耐受暂态开断电压绝缘距离;并通过电气性能试验对仿真计算结果进行了验证。研制成功的高电压大电流快速机械开关已投入张北柔性直流电网试验示范工程实际应用。

关键词：混合式直流断路器;快速机械开关

引言

柔性直流电网不仅继承了柔性直流输电技术可控性及灵活性强、可不依赖交流电网强弱独立运行、新能源接入友好等优势，还可实现多电源供电和多落点受电，通路冗余性强，是构建新型电力系统的重要途径。直流断路器（DCcircuitbreaker，DCCB）能够快速开断直流短路电流，选择性隔离故障元件，是突破柔直电网直流侧故障处理难题的有效技术手段，因此成为构建柔直电网不可或缺的核心设备。而快速机械开关（high-speedmechanicalswitch，HMS）是直流断路器中承载稳态和暂态电流、实现快速分合闸、耐受分闸恢复电压的核心组件，其任一环节出现问题均可能导致直流断路器故障、失灵，甚至损坏，并可能间接造成柔直电网停运。

1直流断路器技术路线及结构原理

目前，已投入工程应用的500kV直流断路器主要包含混合式、负压耦合式和机械式三种技术路线，主要区别在于：混合式直流断路器主支路配有少量电力电子开关；负压耦合式直流断路器转移支路配有负压耦合装置；机械式直流断路器转移支路配置储能电容和振荡电感。每种技术路线直流断路器均由主支路、转移支路和耗能支路三个并联部分组成，通过三个支路按照设定时序完成内部换流，实现直流电流的开断。混合式直流断路器分闸时的电流和电压波形示意图如图2所示。t0时刻故障发生，随后主支路承受故障电流；t1时刻直流断路器收到分闸指令，主支路电力电子开关闭锁，电流快速向转移支路转换，并于t2时刻完成换流；随后快速机械开关零电压零电流无弧分闸，同时转移支路承担故障电流；t3时刻快速机械开关达到有效开距，转移支路电力电子开关闭锁，直流断路器完成开断动作，随后恢复电压快速建立，该电压施加于快速机械开关两端；当恢复电压达到避雷器（MOV）动作电压时，电流快速向耗能支路转换，于t4时刻完成换流，最终避雷器将电流从峰值ip限制到零。

2快速机械开关结构原理及特点

2.1快速机械开关结构原理

张北工程500kV直流断路器快速机械开关分闸后，端间需要耐受高达800kV的暂态恢复电压。为此，快速机械开关需要采用多断口串联方式，实现高耐压能力。不同技术路线500kV直流断路器的快速机械开关断口串联数为8~12个不等。每个机械开关断口包含真空灭弧室、操作机构、均压设备、储能及控制单元、供能系统等组件，如图3所示。各部分均布置于直流高电位平台，通过支撑绝缘子、隔离供能变压器设计达到对地绝缘要求。真空灭弧室主要实现分合闸操作，承载暂稳态电流及分闸恢复电压。操作机构是开关运动部分的驱动部件，一般采用电磁斥力原理，由动拉杆、斥力盘、分合闸励磁线圈、弹簧保持装置及缓冲机构构成。均压设备主要采用均压电阻和电容与断口杂散电容匹配，实现多串联断口间的均压。储能及控制单元是快速机械开关的驱动电源及控制核心，通过控制储能电容的充放电实现开关的快速动作，在直流断路器分合闸过程中，实现快速机械开关储能电容充电、动作触发、位置检测、内部故障检测和状态上报等功能。供能系统主要为储能电容、控制单元等进行隔离供电。

2.2快速机械开关特点

与传统交流断路器等常规机械开关相比，直流断路器快速机械开关动作速度快，行程精度控制要求高，电压和电流等电气应力严酷，需要一次和二次系统严密配合，内部电、磁、力、热多种物理量相互耦合，设计研制和质量管控难度大。以张北工程为例，与常规机械开关相比，直流断路器快速机械开关的主要技术特点及不同设计之处如下。1）触头运动速度快。快速机械开关接到分闸指令后需在2ms内分闸至有效开距，速度远高于常规机械开关，通常需采用斥力机构，并根据动作特性要求对斥力线圈结构、参数进行精确设计。2）触头冲击力大。快速机械开关触头瞬时速度可达10m/s以上，约为常规机械开关速度的10倍。常规机械开关触头的材料选型和结构强度设计方案难以满足要求，需对触头设计选型进行优化，并设计相应的缓冲吸收装置。3）多断口一致性要求高。常规机械开关仅需考虑单断口特性，而快速机械开关为多断口串联，为避免分闸不同期导致单断口击穿，各断口分闸到有效开距时间的分散性需控制在-0.2ms~0，控制系统设计和操作机构工艺精度控制难度大，需配置高准确度位置传感器。

3.快速机械开关可靠性提升管控

3.1固封极柱可靠性提升

固封极柱中真空灭弧室触头材料选型应充分考虑其导电性和机械强度，宜采用电弧熔炼、真空熔铸等方法，不建议采用粉末冶金。导电杆应综合考虑其机械强度及散热性能。如采用纯无氧铜结构，需充分考虑机械强度特性；如采用无氧铜内嵌钢芯结构，需充分考虑散热特性及导杆的通流能力，钢芯结构不能削弱无钢芯结构的通流能力。针对快速机械开关分闸冲击力较大的特点，应采用有限元等方法对灭弧室波纹管进行加固设计，对波纹管波半径、波距、波数和壁厚等参数进行优化，改善波纹管的应力分布，提高其机械寿命。需要结合快速机械开关结构特性，针对均压电容及相应的均压电路进行合理化设计，将动态电压差值控制在±5%以内，从而保证机械开关可靠耐压。针对电气连接不可靠导致的固封极柱内部接触电阻过大、发热严重等问题，固封极柱螺栓紧固应全部采用力矩扳手，采用自检和专检两道工序，以及“两道力矩线”标记。波纹管入炉前应检查焊料、动导电杆、端部连接件相对位置。

3.2操作机构可靠性提升

快速机械开关触头达到有效开距时间的分散性应不超过10%，且应为负偏差，应提高串联快速机械开关动作的一致性，确保可靠分断。快速机械开关应设计有导向结构，分合闸保持力实际值与设计值的偏差应不超过设计值的20%，且应为正偏差。分、合闸动作完成后，驱动机构分、合闸到位偏差应不超过0.5mm。对于油缓冲机构，缓冲器应采用定阻尼孔设计，不应采用可调式结构，液压油应选用航空液压油，并保持-10℃~80℃区间内缓冲特性的稳定性。斥力盘应选用高强度铝合金材料，避免高速运动过程中斥力盘碰撞变形（硬铝、航空铝）。快速机械开关应至少配置分闸位置、有效开距位置、合闸位置三套传感器。

3.3储能和控制单元可靠性提升

快速机械开关储能电容电压在额定值的±1.3%范围内波动时，仍应能够满足分、合闸时间及分闸时2ms动态绝缘要求，以保证快速机械开关在电压波动较大情况下的稳定性。应确保储能电容电压实际波动范围不超过额定值的±0.75%。分、合闸触发回路应采用双晶闸管串联设计，如图17所示，需同步触发开关方可动作，以防止误动作。每只晶闸管采用多脉冲触发控制，保证晶闸管可靠触发导通，避免出现拒动情况。

结语

本文依托张北工程，分析了500kV直流断路器快速机械开关技术特点，提出快速机械开关典型故障特性及原因。快速机械开关固封极柱典型故障主要因设备机械强度、通流性能不足导致。操作机构典型故障主要是因组件抗冲击性、结构稳定性、制造和安装精度不足导致。储能回路典型故障原因为参数设计不合理、分散性管控不严格。控制单元故障的主要原因为控制策略不完善，未完全考虑机械开关各类组部件异常工况下的应对策略。

参考文献

[1]郭贤珊，李探，李高望，等.张北柔性直流电网换流阀故障穿越策略与保护定值优化[J].电力系统自动化，2018，42(24)：196-202.

[2]郭贤珊，梅念，李探，等.张北柔性直流电网盈余功率问题的机理分析及控制方法[J].电网技术，2019，43(1)：157-164.

[3]孙栩，曹士冬，卜广全，等.架空线柔性直流电网构建方案[J].电网技术，2016，40(3)678-682.

[4]HEJH,CHENKA,LIM,etal.ActiveinjectionprotectionschemeforflexibleHVDCgridsbasedonamplitudeofinputimpedance[J].GlobalEnergyInterconnection,2021,4(6):532-542.

[5]王子文，张英敏，李保宏，等.柔性直流电网潮流转移特性及安全运行影响分析[J].电力系统保护与控制，2022，50(3)：103-113.