252kVタンク型高圧硫化フッ素ガス遮断器の三相機械伝動方式設計

中国高电压电网中252kV罐式SF₆断路器的三相机械联动设计与应用

在中国的高压输电网络中，普遍采用三相输电系统，高压电气设备也配置为三相布局。现有的大多数252kV罐式SF₆断路器采用分相设计，每相配备独立的电机-弹簧操作机构。通过接线控制箱中的电气连接实现三相机械联锁。然而，电气连接容易受到外部影响，常常导致非全相操作和三相切换不同步等问题。这些问题由于增加了传输线路上的浪涌应力，对电网稳定性造成重大影响。为了解决这些挑战并提高操作可靠性，开发了一种三相机械联动结构，以确保由单一机构同步驱动，从而改善三相同步性并防止缺相故障。

设计方案
电气联动与机械联动对比

• 三相电气联动：使用三个独立的操作机构（例如LW24-252产品的CT20电机-弹簧机构），通过接线盒中的电气连接实现相间协调。每相的驱动轴直接连接到其相应的灭弧室。保护系统采用三相位置不匹配继电器触发跳闸。

• 三相机械联动：采用单个液压-弹簧操作机构，通过机械连杆将三相灭弧室连接起来。对于具有水平灭弧室布局的252kV罐式断路器（常见于户外变电站），操作机构和驱动系统位于灭弧室前方，需要重新优化设计以适应机构安装、传动系统和支持结构。

LW24-252断路器的改造

原LW24-252采用分相操作，配有三个CT20机构。为了实现机械联动：

• 升级操作机构：更换为大功率液压-弹簧机构（例如CYA5-5）以满足增加的操作能量需求（计算得出的单相切换能量需要强大的液压设计）。

• 密封结构改进：从直动式密封（使用高摩擦和成本的压缩PTFE V形密封圈）转换为旋转唇形密封，以减少操作力并提高可靠性。

• 刚性相间固定：安装连接板以保持相间间距并增强驱动刚度。

• 双拉杆系统：采用双拉杆传递扭矩并在切换过程中防止变形，确保同步运动。

• 集成机构箱：重新设计以容纳单个液压机构，简化控制和机械接口。

工作原理与结构

液压-弹簧机构驱动活塞杆进行直线运动，通过驱动曲柄臂将其转换为旋转运动。该运动通过拉杆传递，以同步三相。然后，曲柄臂箱将旋转运动再次转换为直线运动，以驱动灭弧室内的动触头。

• 合闸过程：活塞杆向右移动，驱动曲柄臂使驱动轴逆时针旋转。此运动通过拉杆传递到所有三相，推动内部拉杆向内移动直至触头完全闭合。

• 分闸过程：动作相反，活塞杆回缩以拉开触头。

驱动部件的强度设计

为了在三相联动下保持原有的机械特性，液压-弹簧机构的高操作能量（例如10,000J总切换能量）需要加强曲柄臂和拉杆。有限元分析确保在高能量操作期间材料内的应力分布处于允许范围内。

机构选择与调试
液压-弹簧机构特点

• 优点：紧凑设计，高度集成，大操作能量（合闸2540J，跳闸10005J），温度影响小，高可靠性。

• 技术参数：

• 额定操作循环：开 - 0.3s - 合-开 - 180s - 合-开

• 额定油压：48.7MPa ±3MPa

• 储能时间：≤60s/次

• 机械寿命：5000次（M2等级：10,000次）

调试与性能

• 能量匹配：CYA5-5机构（总能量10,000J）满足252kV断路器的要求（跳闸6500J，合闸3500J），并确保安全裕度。

• 同步性：通过电磁阀中的液压流量调节，三相切换同步性提高到≤3ms（传统LW24-252为3ms基线）。

• 成本效益：用一个替代三个单独的机构，成本降低约15%（传统分相设计的85%），同时由于可靠性提高，销售价值提高1.5倍。

型式试验

• 标准：符合DL/T593、GB1984、IEC62271-100。

• 关键测试：

• 动态/热稳定性：50kA持续3s；125kA持续0.3s

• 端子故障测试（T100s）：50kA

• 机械寿命：成功完成5000次循环

• IP防护等级：机构箱通过防护等级测试。

结论

开发的252kV罐式SF₆断路器三相机械联动系统解决了高压电网中的关键可靠性问题。通过消除相位同步误差并减少组件数量，这项创新提高了电网稳定性并实现了成本节约。凭借国际领先的技术标准和独立知识产权，该解决方案填补了国内技术空白，为中国电网扩展提供了强大的设备支持，并提供了广泛的市场前景，包括潜在的混合开关设备系统的应用。