Konzeptentwurf der Drei-Phasen-Mechanischen Übertragung für 252kV Tank-Hochspannungsschwefelhexafluorid-Schaltgerät

Entwicklung und Anwendung einer Drei-Phasen-Mechanischen Verkoppelung für 252kV Behälter-SF₆-Ausschalter im chinesischen Hochspannungsnetz

Im chinesischen Hochspannungsübertragungsnetz werden Drei-Phasen-Stromversorgungssysteme allgemein eingesetzt, wobei Hochspannungselektrische Geräte ebenfalls in Drei-Phasen-Anordnungen konfiguriert sind. Die meisten vorhandenen 252kV Behälter-SF₆-Ausschalter haben eine Phasenseparierung, bei der jede Phase mit einem unabhängigen Motor-Feder-Betriebsmechanismus ausgestattet ist. Die Drei-Phasen-Mechanische Verkoppelung wird durch elektrische Verbindungen über eine Verbindungskontrollbox erreicht. Elektrische Verkoppelungen sind jedoch anfällig für externe Einflüsse, was oft zu Problemen wie nicht vollständiger Phasenbetrieb und schlechter Drei-Phasen-Schaltgleichlauf führt. Diese Probleme haben erhebliche Auswirkungen auf die Stabilität des Stromnetzes, da sie zu erhöhten Überspannungsbelastungen auf den Übertragungsleitungen führen. Um diese Herausforderungen zu bewältigen und den Betriebssicherheit zu verbessern, wurde eine Drei-Phasen-Mechanische Verkoppelungsstruktur entwickelt, um eine synchronisierte Antrieb durch einen einzelnen Mechanismus sicherzustellen, wodurch der Drei-Phasen-Schaltgleichlauf verbessert und Phasenverlustfehler verhindert werden.

Entwurfskonzept
Vergleich zwischen elektrischer und mechanischer Verkoppelung

• Drei-Phasen-Elektrische Verkoppelung: Verwendet drei unabhängige Betriebsmechanismen (z.B. CT20 Motor-Feder-Mechanismen für LW24-252 Produkte), wobei die Phasenkopplung durch elektrische Verbindungen in der Verbindungskontrollbox erreicht wird. Jede Phasen-Treibschaft ist direkt mit ihrem jeweiligen Bogenlöschraum verbunden. Schutzsysteme verwenden Dreiphasen-Positionsmismatch-Relais, um das Abschalten auszulösen.

• Drei-Phasen-Mechanische Verkoppelung: Verwendet einen einzigen hydraulisch-federnden Betriebsmechanismus, wobei die Drei-Phasen-Bogenlöschräume über mechanische Verbindungstäbe gekoppelt sind. Für 252kV Behälter-Ausschalter mit horizontaler Bogenlöschraum-Anordnung (häufig in Freiluft-Umspannwerken) sind der Betriebsmechanismus und das Antriebssystem vor den Räumen positioniert, was eine Neuoptimierung des Mechanismusmontages, Antriebswellen und Trägersysteme erfordert.

Umrüstung von LW24-252 Ausschaltern

Der ursprüngliche LW24-252 hat einen phasenseparierten Betrieb mit drei CT20-Mechanismen. Um eine mechanische Verkoppelung zu erreichen:

• Aktualisierter Betriebsmechanismus: Ersetzt durch einen hochleistungsfähigen hydraulisch-federnden Mechanismus (z.B. CYA5-5), um den erhöhten Betriebsenergiebedarf zu erfüllen (berechnete Einphasenschaltenergie erfordert ein robustes Hydraulikdesign).

• Verbesserung der Abdichtungsstruktur: Umgewandelt von direkten Wirkungsabdichtungen (mit komprimierten PTFE-V-Dichtungen mit hoher Reibung und Kosten) zu rotierenden Lippenabdichtungen, um die Betriebskraft zu reduzieren und die Zuverlässigkeit zu verbessern.

• Rigide Phasenfixierung: Verbindungsplatten installiert, um den Phasenabstand beizubehalten und die Antriebssteifigkeit zu erhöhen.

• Doppelter Stangenverbund: Verwendet doppelte Stangen, um Drehmomente zu übertragen und Verformungen beim Schalten zu verhindern, um einen synchronisierten Bewegungsablauf sicherzustellen.

• Integrierte Mechanismuskasten: Neu gestaltet, um den einzigen hydraulischen Mechanismus aufzunehmen und die Steuer- und mechanischen Schnittstellen zu vereinfachen.

Arbeitsprinzip und Struktur

Der hydraulisch-federnde Mechanismus treibt einen Kolbenstift in linearer Bewegung, die über eine Antriebskrankwelle in Rotationsbewegung umgewandelt wird. Diese Bewegung wird über Stangen übertragen, um die Drei-Phasen zu synchronisieren. Eine Kurbelwelle umwandelt die Rotationsbewegung dann wieder in lineare Bewegung, um die beweglichen Kontakte innerhalb der Bogenlöschräume zu betätigen.

• Schließen: Der Kolbenstift bewegt sich nach rechts, treibt die Kurbelwelle, um die Antriebswelle gegen den Uhrzeigersinn zu drehen. Diese Bewegung wird über Stangen an alle drei Phasen übertragen, drückt die internen Stangen nach innen, bis die Kontakte vollständig geschlossen sind.

• Öffnen: Die Bewegungen werden umgekehrt, wobei der Kolbenstift zurückzieht, um die Kontakte zu trennen.

Festigkeitsauslegung der Antriebskomponenten

Um die ursprünglichen mechanischen Eigenschaften unter Drei-Phasen-Verkoppelung beizubehalten, erfordert die hohe Betriebsenergie des hydraulisch-federnden Mechanismus (z.B. 10.000J Gesamtschaltenergie) verstärkte Kurbelwellen und Stangen. Finite-Elemente-Analysen stellen sicher, dass die Spannungsverteilung während der hohen Energieoperationen innerhalb der Materialgrenzen bleibt.

Mechanismusauswahl und -einstellung
Eigenschaften des hydraulisch-federnden Mechanismus

• Vorteile: Kompakte Bauweise, hohe Integration, große Betriebsenergie (2540J zum Schließen, 10005J zum Öffnen), minimale Temperaturbeeinflussung und hohe Zuverlässigkeit.

• Technische Parameter:

• Nennbetriebszyklus: Öffnen - 0,3s - Schließen-öffnen - 180s - Schließen-öffnen

• Nennöl Druck: 48,7MPa ±3MPa

• Speicherzeit: ≤60s pro Zyklus

• Mechanisches Lebensdauer: 5000 Zyklen (M2-Klasse: 10.000 Zyklen)

Einstellung und Leistung

• Energieanpassung: Der CYA5-5-Mechanismus (10.000J Gesamtenergie) entspricht den Anforderungen des 252kV-Ausschalters (6500J zum Öffnen, 3500J zum Schließen), wobei Sicherheitsmargen gewährleistet sind.

• Synchronisation: Der Drei-Phasen-Schaltgleichlauf wird auf ≤3ms verbessert (im Vergleich zu den 3ms des herkömmlichen LW24-252), was durch die Regulierung des Hydraulikflusses in Solenoidventilen erreicht wird.

• Kosteneffizienz: Der Austausch von drei separaten Mechanismen durch einen verringert die Kosten um etwa 15% (85% der herkömmlichen phasenseparierten Designs) und erhöht den Verkaufswert um 1,5-mal aufgrund der verbesserten Zuverlässigkeit.

Typenprüfungen

• Normen: Konform mit DL/T593, GB1984, IEC62271-100.

• Hauptprüfungen:

• Dynamische/thermische Stabilität: 50kA für 3s; 125kA für 0,3s

• Endfehlerprüfungen (T100s): 50kA

• Mechanisches Lebensdauer: Erfolgreich 5000 Zyklen absolviert

• IP-Schutzgrad: Mechanismuskasten bestanden die Schutzgradtests.

Fazit

Die entwickelte Drei-Phasen-Mechanische Verkoppelungssystem für 252kV Behälter-SF₆-Ausschalter löst kritische Zuverlässigkeitsprobleme im Hochspannungsnetz. Durch die Eliminierung von Phasensynchronisationsfehlern und die Reduzierung der Komponentenzahl verbessert diese Innovation die Netzstabilität und erreicht gleichzeitig Kosteneinsparungen. Mit international führenden technischen Standards und unabhängigen geistigen Eigentumsrechten schließt diese Lösung eine inländische technologische Lücke, bietet robuste Ausrüstungsunterstützung für die Ausdehnung des chinesischen Stromnetzes und bietet breite Marktprospekte, einschließlich potenzieller Anwendungen in Hybrid-Schaltgerätesystemen.