中压成套设备

中压成套设备（精选4篇）

中压成套设备 篇1

摘要：近年来, 随着现代化社会发展水平的不断提高以及科学技术的进步发展, 电力系统操作的规范化要求不断提升。中压开关属于电力系统运行过程中的重要组成部分, 而且中压开关的规范化操作与电力系统中电网的顺利运行有着非常密切的关系。因此, 在实际操作过程中, 要利用科学的管理措施, 不断降低温升, 实现规范化操作。本文就降低中压成套设备温升的有效方法开展论述。

关键词：中压成套设备,温升,降低方法

从某种程度上讲, 中压成套设备中的温升作为电力系统运行的重要组成部分, 对电力系统的正常运行起到至关重要的作用。如果中压成套设备中的温升出现过高的情况则会出现无故停电现象, 严重时甚至会危及到广大人民群众的生命与财产安全。因此, 要高度重视中压成套设备温升的降低工作。

一、降低中压成套设备温升的重要性

从专业化理论角度出发, 电力系统中固定式的中压开关成套设备在运行时间相对比较长的情况, 可能会造成载流现象, 情况严重的时候甚至还会引发诸多的故障问题。具体来说, 首先是电力系统中的断路器, 如果断路器的实际温度超过了一定的固定值之后, 就会造成引线发热, 从而发生绝缘安全事故, 最终导致中压开关成套设备遭到烧毁。结合相关的故障处理经验, 对造成故障的具体因素进行详细的分析研究, 结果显示大多数情况下是由于压开关成套设备中的断路器组织结构是移开式的, 这种结构下, 出现接触不良的具体次数会相对较多。其次, 动触头偏心的时候会导致电力系统中断路器的动触头以及静触头之间出现相对较大的具体接触电阻, 可以提高中压开关成套设备的具体温度。导致电力系统中主回路所造成的热量难以朝着柜内部进行散发, 最终使中压成套设备的温升问题逐渐突出。从结构角度出发, 传统的中压开关设备的具体散热功能相对较差, 不能在规定的时间段内将柜内的热量散发出。因此, 对新式的固定式中压开关相关设备进行规范化设计的过程中必须符合以下几个方面的内容:首先, 要确保相关设备在触头滑动上的可靠性, 其次, 要最大限度实现自然风冷的最终目的。再次, 尽量加强散热功能, 减少电力系统中电阻的发热情况, 避免电力系统中涡流的发热情况。最后, 做好绝缘方面的设计工作。

二、降低中压成套设备温升的有效方法

(一) 降低中压成套设备温升中需要对中压开关设备的载流温升问题进行研究。在降低中压成套设备温升的工作中, 当中压开关的相关设备长期处于载流状态的情况下, 需要对温升情况进行有效估算。具体来说就是科学计算中压开关设备在通过电力系统中额定电流的情况下的自身实际温升值。利用对它的科学计算, 能够相对准确的评估出中压开关设备的实际载流能力。在实际计算的过程之中, 需要把辐射以及对流作为相关导体表面的实际传热方式, 而外壳对内以及对外的热传导情况可以暂时先不考虑。此外, 由于这个组织结构在实际设计工作的过程中把涡流的发热情况进行了避免, 因此, 相关的介质损耗与临近效应以及感应发热等问题也可以忽略不计。若相关设备的实际发热情况相对稳定, 则导体的实际热功率P值就是辐射率PR、电力系统中空气对流散热功率PC与通风自然对流功率PV三者的总和。也就是热平衡方程:PR+PC+PV=P。在这种情况下, 该电力系统中中压开关设备的实际外形尺寸可以是高为2400mm, 具体宽度是1000mm, 实际深度是1300mm。而额定电流可以是3150A, 实际环境温度是20℃。利用比较常用且简易的专业化计算方法, 具体来说就是中压开关设备内部气体的平均温升法来计算, 得出最终结果温升值应该小于30K, 从而达到降低温升的需要。

(二) 降低中压成套设备温升中尽量采用固定式的结构。在降低中压成套设备温升中可以尽量使用固定式的结构, 主要目的就是为了最大限度保证开关触头滑动的连接方面相对稳定可靠。从而防止安全故障的发生。由于之前的中置式的开关设备非常容易出现触头接触不良等不良现象, 因此, 在实际设计过程中, 可以利用固定式连接的中压开关设备, 能够从根本上解决这种问题。具体可以从以下两个方面进行设计:第一, 在实际设计过程中, 利用的断路器需要具有规范化的永磁操作功能, 通常情况下, 这种操作的结构仅仅只有一个专业的运动部件, 还可以与真空灭弧室有效连接。而且具有一定的特殊机械性能, 就是能够与断路器之间进行科学匹配。永磁操作的组织机构与之前的弹簧组织结构作对比, 永磁操作的组织机构零件相对很少。可以有效的避免出现零件连接过程中的松散性问题, 确保中压开关设备的机械系统在运行性能上的稳定性。第二, 在设计过程中, 为了最大限度达到固定式中压开关设备的基本性能需要, 需要采用科学技术水平相对较高的侧装式的专业化高压隔离开关。此隔离开关的实际体积相对小, 却可以承载非常大的电流, 而且还不会造成温度过度升高的现象, 从而有效杜绝了电力系统中安全性故障现象的频繁发生。

(三) 降低中压成套设备温升中要做好绝缘设计。在降低中压成套设备温升的过程中, 不仅要很好的实现降低温升的目的, 还需要遵循一定的低成本原则以及安全可靠的原则。利用空气作为相间与相对绝缘的介质, 在中压成套设备的内部、带电体相间位置与对地间需要有适当的空气绝缘距离, 避免绝缘安全事故的发生。

结语

总而言之, 中压成套设备温升的降低工作是一项专业性以及复杂性较强的工作, 如果中压开关的相关设备设施出现温升过高以及绝缘性相对较差的问题, 都会给电力系统造成非常严重的事故。因此, 在电力系统的实际工作中, 需要对中压成套设备中的温升情况进行有效的控制管理, 最大限度提升开关设备的实际性能条件, 促进电力系统的顺利运行。

参考文献

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中压成套设备 篇2

随着国民经济的快速发展, 广大高海拔地区中压成套电气设备的需求量也逐年增加, 而目前市场上按照IEC62271、GB3906设计的中压成套开关设备是按照海拔高度1 000 m及以下使用条件设计制造的, 市场上暂无海拔3 000 m及以上标准产品[1]。通过采用增大电气间隙、增加爬电距离、采用复合绝缘等方法能够满足高海拔地区的中压开关设备外绝缘强度的要求, 但过多的采用复合绝缘或加大爬电距离的方法, 随着时间推移及长期处于强烈的紫外线环境下, 绝缘件老化速度较快, 设备的可靠性也会大打折扣[2]。

本研究从现有技术文献着手, 在充分考虑高海拔地区环境对产品电气性能的影响基础上, 通过产品试验的验证, 对高海拔地区中压成套开关设备的设计及选型问题进行进一步的分析。

1 高海拔环境对开关设备电气性能的影响

在高海拨地区, 海拔高度每上升1 000 m, 相对空气压力大约降低12%, 空气密度降低约10%, 绝对湿度随海拔高度的升高而降低[3]。空气压力和空气密度的下降, 引起设备外绝缘强度的降低;空气密度降低导致设备散热性能下降而影响温升效果;平均绝对湿度降低时, 设备外绝缘强度随之降低;太阳日间辐射强度较大, 加快了电气设备绝缘材料的老化速度;环境温差加大, 电气设备表面易形成凝露, 容易发生沿面闪络放电的现象, 导致绝缘件强度及机械性能大大减弱, 并对产品的机械性能产生不良的影响[4,5]。

1.1 对绝缘水平的影响

在工况条件下, 电气设备的可靠运行的主要表现为, 其带电导体与接地部件之间的电气间隙 (空气或复合绝缘间隙) 不被击穿。由巴申定律 (Paschen's Law) 可知, 两平行导体间的击穿电压与导体间气体的压力和距离的乘机有关, 见下式[6]:

式中:a, b—实数;p—压力;d—极间距离。

试验表明:海拔每升高1 000 m, 平均气压则降低7.7 k Pa~10.5 k Pa, 由公式可知, 电气间隙一定时, 随着海拔高度的增加, 大气压力降低, 击穿电压也随之下降, 当气压下降到临界值时, 击穿电压开始上升, 绝缘水平增加。

巴申曲线如图1所示。对采用真空灭弧的开关设备, 其电气间隙一定, 应用于海拔高度低于4 000 m及以下时, 由图1可知, 其外绝缘水平随空气压力下降而降低。内绝缘水平随着气压降低, 真空度上升, 击穿电压大幅提高, 因此可忽略外部大气条件对其的影响, 无需采用特别的措施。

因此, 开关设备安装在高于海拔1 000 m时, 其外绝缘耐受水平应为额定绝缘水平乘以修正系数, 目前, 修正系数计算有两个主要标准可以参考。

1.1.1 GB/T 11022—2011

修正系数Ka可由图2[7]查询确定。

也可按照公式 (2) [7]计算:

式中:H—海拔高度;对于工频、雷电冲击和相间操作冲击电压, m=1, 对于纵绝缘操作冲击电压, m=0.9, 对于相对地操作冲击电压, m=0.75。

1.1.2 GB/T 311.1—2012

新的国家标准不再沿用以线性化方程来处理的计算方法, 而采用与IEC标准相同的曲线查找或公式计算的方式[8], 使得国家标准中, 对海拔修正系数的计算得到统一。

1.2 对温升的影响

采用空气作为散热介质的中压开关设备, 空气压力或空气密度的降低引起空气介质冷却效应的降低, 对于以自然对流、强迫通风或空气散热器为主要散热方式的电工产品, 因散热能力的下降, 导致设备温升增加。

交流系统的设备温升按式 (3) [9]进行修正:

式中:温升的高海拔校正系数, H—海拔高度。

由式 (3) 计算可知, 在海拔1 000 m~5 000 m范围内, 每升高1 000 m, 温升修正系数如表1所示。

本研究取开关设备温升最严酷部位-动、静触头啮合处的温升指标, 通过查询GB/T 1100—2011可知, 在空气中, 采用镀银铜触头的温升允许值为65 K, 按照表1由式 (3) 确定的系数修正, 海拔高度每升高1 000 m, 温升增加约2 K。

高海拔地区, 在无外部热源及遮护的情况下, 空气温度随海拔高度的增高而降低, 一般研究所采集的温度与海拔高度的关系如表2所示。

从表2中可以看出:一般情况下, 海拔高度每升高1 000 m, 最高环境温度会下降5℃, 平均温度也降低5℃。

通过以上比较可知, 开关设备温升随海拔上升而增加的数值不大于环境温度随着海拔升高而降低的数值, 二者可以抵消, 因此产品设计时一般不考虑海拔高度对温升的影响。

1.3 对开断能力的影响

空气压力或空气密度的降低, 使得以空气为绝缘介质的开关设备灭弧性能降低、开断能力下降及电寿命缩短。对于采用真空灭弧的开关设备, 是使用旋弧触头产生的磁场吹灭电弧, 海拔高度对其开断能力的影响较小, 但随着海拔高度的增加, 应选用有较大爬距的灭弧室, 并对其外绝缘进行加强。

1.4 对机械性能的影响

高海拔地区昼夜温差较大, 对成套设备内部机械传动部件, 如断路器操作机构、接地开关、脱扣器等, 需要考虑因温度变化而造成的材料变形对公差的影响。在结构尺寸关系上, 要考虑和预留出基于海拔因素下的更大的尺寸。同时绝缘件、互感器外壳容易龟裂以及密封结构也易破裂, 选型时要多加注意, 尽量选择通过环境试验的元器件。

2 高海拔中压成套设备的设计要点

针对高海拔环境对电气性能的影响, 本研究在目前市场上成熟的KYN61-40.5开关设备的基础上, 完成了应用于海拔高度3 000 m的开关设备的试制, 其主要技术参数及设计要点如下。

2.1 电气间隙确定

电气间隙是以开关设备所能承受的耐压水平来确定的, 对于定型的中压成套设备而言, 其电气间隙已经确定, 以空气作为绝缘介质开关设备内各相间及对地空气净距如表3所示。

随着海拔高度的增加, 设备击穿电压降低, 要想使开关设备在高原环境使用时有足够的耐击穿能力, 必须增大电气间隙, 对应用于高海拔地区的开关设备, 电气间隙的确定需要考虑的因数较多, 如满足绝缘要求、铜排的加工工艺、是否绝缘包封、污秽等级等, 按照理想状态下, 裸导体的空气净距一般按照海拔高度每增加1 000 m, 电气间隙增加10%考虑, 电气间隙修正系数如下式:

式中:电气间隙修正系数, H—海拔高度。

应用于海拔高度3 000 m时, 由式 (4) 计算可得, 修正系数为1.21, 修正后设备最小电气间隙如表4所示。

2.2 爬电距离确定

爬电距离与除了与绝缘类型有关外, 还与微环境污染等级 (污秽等级Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ) 、材料的绝缘性能、工作电压等密切相关, 对纯瓷及有机绝缘件的外绝缘爬电比距及相应值的应用范围规定如表5[10]所示。

注:爬电距离=最高电压×爬电比距

应用于高海拔环境下时, 必须对爬电距离进行修正, 目前国标对如何计算修正没有明确规定, 长期的试验研究发现, 绝缘介质的湿闪或污闪电压与其爬电距离有接近线性的关系, 且通过反复试验验证, 发现海拔每升高100 m, 爬电距离增加1%可以有效降低沿面的闪络发生, 保证绝缘件的绝缘性能。

在一般情况下, 当海拔高度在1 000 m~2 000 m时, 开关柜柜内的一次元件可以按照II级污秽条件来设计其外绝缘爬电比距, 即瓷质为18 mm/k V;有机绝缘为20 mm/k V (个别污秽较重地区可按有机绝缘25 mm/k V考虑) , 目前市场上的中压成套设备采用的全工况、加强绝缘型绝缘产品产品, 其外绝缘尺寸相对来说有一定的裕度, 基本上能满足海拔高度3 000 m条件下的运行要求。

2.3 复合绝缘方案

针对海拔高度不大于1 000 m而设计的成套设备, 其配套元器件尺寸受安装条件限制, 电气间隙往往不能满足高海拔的绝缘要求, 而重新设计柜型的成本较大, 这时可以采用复合绝缘等加强绝缘型工艺措施来解决绝缘问题:

(1) 采用进口制作的自粘硅胶带对导体搭接处进行包封, 防止出现仅靠热缩套盒包封出现的问题。

(2) 母排搭接处采用绝缘包封护套, 且要求与母排紧贴、无气泡。

(3) 金属活门对带电体一侧和活门上下边缘硫化处理或采用绝缘材料活门。

(4) 相间或相对地之间增加绝缘隔板。

(5) 选用带双屏蔽的穿墙套管, 改善套管安装位置的电场分布, 提供局部放电电压, 应尽量选用受温差影响变化不大及防老化程度高的绝缘材料 (如SMS或DMC模塑料) 。

(6) 断路器采用加强绝缘型固封极柱, 增大爬电距离, 提高绝缘水平。

DL/T 404—2007 5.106要求:“以空气和绝缘板组成的复合绝缘作为绝缘介质的金属封闭开关设备和控制设备, 带电梯与绝缘板之间的最小空气间隙应满足上述要求:对3.6 k V、7.2 k V和12 k V设备应不小于30 mm;对24 k V设备应不小于45 mm;对40.5 k V设备应不小于60 mm。”本研究结合高海拔地区产品制造和运行经验, 提出了表6所列数据, 且选用的绝缘材料厚度不应小于3 mm, 并需考虑绝缘件固定件的位置及材料, 并优先选用老化后的绝缘材料。

2.4 辅助措施应用

针对高海拔地区气温低、个别地区湿度大的气候特性, 开关设备常采用温湿度控制器和加热元件来降低凝露, 温湿度控制区可以控制加热元件长期投入或自动投入, 对开关设备进行除湿和防潮, 并在温度过低时, 通过升温对开关设备内其他元器件起到加热作用。

2.5 导体及柜体加工工艺

一般说来, 均匀电场和稍不均匀电场的平均击穿场强比极不均匀电场间隙的要高的多, 因此, 通过改进导电体的形状、增加电极的曲率半径来改善带电导体周边的电场分布, 提高气隙的击穿电压是非常有效的方案, 导体的选择及加工工艺尤其重要, 导体应尽量选用R型、D型或圆角等边缘带圆角外形结构, 同时还须尽可能地消除电极上的飞边毛刺、锐缘、焊缝、棱角等, 提高电极表面的光洁度, 消除局部场强, 避免尖端放电。

开关设备柜体, 特别是与带电导体距离较近的部位, 应采用多重折弯工艺, 避免板材切割及制作过程中形成的毛刺、尖端及焊缝, 改善电场分布, 尽量避免不均匀电场的形成。

3 试验及结果分析

2013年12月, 笔者所在公司进行了KYN61-40.5开关设备的样机试制, 并按照表7所示的试验参数进行了绝缘试验, 试验参数按照式 (2) 计算的系数进行修正。

在试验过程中发现, 仅靠在现有成型柜的基础上部分改动来满足高海拔环境下的绝缘要求, 需要大量采用复合绝缘来弥补电气间隙不足带来的绝缘问题, 但随着绝缘材料老化的增加, 对产品的可靠性也留下很大的隐患。

对12 k V开关柜而言, 产品经过了国内几十年的设计改进及运行, 元器件及加工工艺已较成熟, 应用于海拔3 000 m时, 其也能可靠运行, 而40.5 k V开关设备, 通过本次试验发现还需进一步提高绝缘水平的薄弱环节, 特别是绝缘件爬距小及互感器的绝缘水平较低, 接地开关的开距小及刀头电场不均匀等, 还需进行大量的设计研究工作。

4 结束语

本研究从现有的技术文献着手, 根据国内高海拔中压开关设备的设计制造经验, 设计制造了样机一台, 为今后高海拔地区中压成套开关设备的设计选型提供了依据。试制过程中, 发现导体的加工工艺、绝缘件的选择、接地开关的空气净距等是影响样机成败的关键因素, 因试验条件的限制, 无法模拟高海拔的环境条件, 对产品的其他性能未能进一步验证。

目前高海拔环境下中压成套设备存在的问题, 需要各个学科共同努力, 还需总结行业设计及运行经验, 加快研究适用特殊环境条件下的技术措施, 研发新材料、新工艺、新技术应用于产品生产, 建立统一的技术标准和完善的试验方法, 为高海拔地区提供更多优质、可靠的开关设备。

本文引用格式:

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LI Hai-feng, WANG Bang-tian, SUN Peng-cheng, et al.Design and type selection of medium voltage switchgear in high altitude areas[J].Journal of Mechanical&Electrical Engineering, 2015, 32 (7) :995-999.《机电工程》杂志:http://www.meem.com.cn

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中压开关设备母线搭接技术的应用 篇3

母线是指成套开关柜中用来作为连接各电气设备并进行汇集、分配、传送电能的导体。母线系统的质量直接影响着开关柜产品的质量。母线在开关柜中的故障几率较少,但一旦发生故障将会造成大面积停电,破坏供电系统的稳定性,是电气设备中最严重的故障之一。合理的母线设计制造将直接影响到供电系统运行的可靠性,也是开关设备设计制造中关键一环,其中搭接面的设计制作是这一工作的核心,起着非常重要的作用。因此,首先应合理地选择母线,另外,母线的类型选择对提高母线系统的稳定性和节约母线用量具有很重要的意义。母线除满足额定电压、工作电流、温升、电压降损失等要求外,还应满足以下条件:(1)电流分布均匀;(2)机械强度高(满足动热稳定);(3)散热良好;(4)制造、安装简单,检修、连接方便。常用母线主要分矩形母线、管形母线、槽形母线、双D形母线、菱形母线组合等。

1 各种母线分析对比

1)从材料的耐受电动力方面:母线在短路时承受着巨大的电动力作用,根据《材料力学》,母线应力的计算实际上是对梁的计算,对梁的机械强度校验,其弯曲正应力为σ=M/W,按Mmax≤[σ]W校验。截面的形状不同,其抗弯截面模量也就不同。用耐受电动力W/A(A为截面积)来衡量截面形状的合理性和经济性,比值W/A越大,则截面形状的抗弯性更为合理,这是因为,弯曲时在梁截面上离中性轴越远,正应力越大,为了充分利用材料,尽可能把材料放置到离中性轴较远的地方(如把实心改管形母线)。表1是几种截面的W/A值。

注:铜母线的许用应力[σ]为137.2 MPa;铝母线的许用应力[σ]为68.6 MPa[1]。a1为矩形母线宽度;α=d/D,d为管形母线内径,D为管形母线外径;a2为槽形母线宽度。

可以看出,槽形截面比空心圆形截面耐受电动力强,圆形截面比矩形截面耐受电动力强。

2)从母线的载流能力方面:为了能更好的对矩形母线、管形母线、槽形母线、菱形母线的使用材料情况进行比较,现从各种母线的载流量表中选取载流量大致相同时(如5 600 A左右)所对应的母线截面积值,见表2[1,2]。

表2可以看出,在载流量基本相同的条件下,矩形母线耗费的材料最多,然后依次是管形母线、槽形母线、菱形母线耗材最少。如从矩形改为管形、槽形、菱形等铝母线可分别节约材料为24%,26.8%,36%。

2 母线搭接技术

母线搭接是比较复杂的,既与开关设备的结构形式,企业的设计制造习惯,产品的设计精度有关,也与标准及规范的约束有关。

母线搭接有焊接(属于最可靠的连接,应使用氩弧焊,焊缝的抗拉强度不低于原材料的75%,直流电阻应不大于同长同面积焊接金属的电阻值)和接触搭接。接触搭接又分螺栓搭接和压接搭接,目前常用的为螺栓搭接,螺栓和螺母的材料用碳钢,性能等级一般取4.8和8.8。每个螺栓所加应力主要分布在垫圈覆盖的范围内,垫圈以外的部分接触电阻变大,根据资料介绍,螺栓直径的选择要能保证母线在接触面积上铜达到9.8 MPa,铝达到4.9 MPa的要求,相同金属间和不同金属间接触面的允许电流密度(A/mm2)见表3。母线在支柱绝缘子上的固定死点(死连接点),每一段应最好设置一个,并位于全长或两母线伸缩节中点,母线接头每隔30 m左右,应装设一个母线伸缩接。一般在硬母线与发电机端子、主变压器端子以及主厂房进墙的穿墙套管处必须装设伸缩接头(或软连接)。

A/mm2

母线搭接的最终结果体现在接触电阻上,新加工的母线,酸洗或碱洗钝化后表面结构比较稳定,但如长期暴露在潮湿的空气中,也容易氧化,表面的氧化膜很薄,接触电阻较小。这些母线经过长期带负荷运行后,母线表面与周围介质起化学作用,接触电阻会不断增加。为了保证母线可靠工作,必须保持母线接触电阻长期稳定。母线搭接面腐蚀主要是化学腐蚀、氧化、电化学腐蚀等。氧化膜的因素较大,CuO表面膜的电阻率可达2×108Ω·m,Al2O3表面膜的电阻率可达1×1010Ω·m[3],可见搭接面的处理相当重要,搭接处接触电阻应不超过相同导体长度电阻的5%～10%,接触电阻的大小又与母线材料物理性能直接有关,导电率越高的母线材料越软,通过压花、搪锡(或镀银)后会使在螺栓紧固力的作用下压花花纹互相挤压,把氧化膜挤破可靠接触,同时防止氧化。接触面的温度越高,电化学腐蚀更严重,氧分子活动能力越强,可以更深入地侵入到金属内部,这种作用更严重。母线接触面的长期允许温度不能超过一定值的原因就在于此[2]。

2.1 矩形母线的搭接

优点:母线的允许电流与其交流电阻和散热表面积有关,矩形母线具有较大的散热表面积,当横截面相同时,矩形母线的周长要比圆形的大,散热效果好,集肤效应小,而且加工、安装简单。由于单根导体最大的截面积在天水长城开关厂有限公司最大为1 250 mm2(一般适用于小于2 000 A的回路中,最大也不超过3 000 A)。

缺点:当用于输送大电流时,常采用多根矩形母线并列的母线组,但由于并列的矩形的散热情况变坏,一般不宜采用大于2～3根的母线组,同时在采用4根时要考虑母线的分组安装,增大载流量。多根矩形母线集肤效应系数比单根的大,故附加损耗大,载流量并不是随母线根数的增加而成倍增加,尤其在3根以上时,母线的集肤效应系数显著增大,在实际工程中多根矩形母线一般用于工作电流小于4 000 A的回路(但经过分组安装可以大大提高母线载流量)。

矩形母线搭接形式:一般对柜内母线应尽量设计成一致,搭接点尽量减少,这样有利于满足母线发热要求,尽量减少直角形式制作(节约有色金属的使用)。

2.2 管形母线的搭接

优点:管形母线的集肤效应系数小,载流量较大。占用空间小,布置明显、清晰等,一般多用在4 000 A左右的电路中。

缺点:其散热表面积较小,管腔内的热量不易散出。连接复杂,制作精度高,对设计和制造提出更高的要求。管形母线在端头和支柱绝缘子处,其电场强度极不均匀,从而导致端部工频电晕电压起始电压降低,特别在雷电作用下,终端绝缘子易于放电,因此,母线端部将成为整条母线的最薄弱的环节。处理方式:(1)端部加装屏蔽块(环),均衡电场;(2)适当延长母线端部,有利于以后扩展时的并柜连接。

1)管形母线搭接(分支母线电流较大时),如图1、图2、图3所示。

2)进线柜结构15 mm厚矩形母线与管形母线的连接,如图4所示。

3)管形母线的搭接方式(分支母线电流较小时):当分支母线规格较小时,可以把分支母线压成与管形外圆相同的尺寸,然后搭接,如图5所示。

4)管形母线搭接面接触电阻测量:为了解决本溪北台钢铁集团西门子管形母线与矩形母线搭接问题,对搭接处电阻进行测量,工件图如图6所示(搭接面酸洗后直接搭接)。利用图中这两个件的两头尺寸不同的特点,进行了几种组合连接,所测电阻均接近为零。说明管形母线的搭接电阻很小。

本搭接头2004年11月应用于本溪北台钢铁集团。国产大电流柜与西门子开关柜并柜(矩形母线TMY-3×120×10与φ120×10铜管形母线连接,额定电流4 000 A),其中母线搭接方式如图6所示。

2.3 双D形母线的搭接

为了解决管形母线在散热等方面的不足,目前有的开关厂家使用双D形母线(为两个单D形母线的组合),搭接头制作方法、截面形状和端头开孔示意图如图7所示。

2.4 槽形母线的搭接

槽形母线的电流分布比较均匀,与同截面的矩形导体相比,其散热条件好,安装也比较方便。尤其是在柜体垂直方向开有通风孔时,母线比不开通风孔的载流能力约增大9%～10%;比同截面的矩形母线载流能力约增大35%。对于输送较大电流的母线,一般采用槽形或菱形母线。与多条矩形母线相比,其集肤效应系数大大减小,电流分布较均匀,散热条件亦较好。因此,在回路持续工作电流大于4 000～8 000 A甚至更高时,一般选用双槽形母线(尤其在大电流母线桥时)。

由于铝合金容易拉制成型,槽形母线一般用铝合金制造。

1)槽形母线的相互连接方式(一)如图8所示。

2)槽形母线的相互连接方式(二)如图9所示。

2.5 菱形母线组合的搭接

菱形母线组合如图10所示,图中字母对应于表4。

实际上菱形母线是矩形母线的特殊组合,其搭接应该是比较简单的,而且母线的电流分布比较均匀,散热也好,其外轮廓形状大体上介于管形和双槽形母线之间,从表4可以看出,载流量是相当高的。如4×(120 mm×10 mm)铝菱形母线比同截面的矩形母线载流量要高1.57倍,其机械强度也较大。

注:附加损耗系数(Kf)为交流电阻与直流电阻的比例系数。

通过对母线材料以及母线搭接处螺栓在热交变下力矩值变化的试验,母线搭接处绝缘材料热老化试验,绝缘母线(流化和套热缩管)以及绝缘母线装柜后的工频和冲击试验及结果应用,对提升开关设备的质量和降低成本有着重要意义。

3 结语

母线和母线搭接技术在开关柜的设计和运行中起着重要作用,而母线的应用又涉及到多方面,某种母线形式的选择应用是经过十分慎重的考虑,开关柜的个体运行情况又很不一样,结果最终还要以试验为依据。

随着高压开关设备研发能力的进一步提高,母线研究、制作方面还有很多工作需要开展。

参考文献

[1]水利电力部西北电力设计院.电力工程电气设计手册电气一次部分[G].北京:中国电力出版社,1989.

[2]钢铁企业电力设计手册编委会.钢铁企业电力设计手册[G].北京:冶金工业出版社,1996.

中压成套设备 篇4

在液压助力的汽车转向系中有一个转向阀, 它的作用是根据驾驶员转动方向盘的扭矩, 提供相应的液压助力, 在直线行驶时, 转向阀阀芯处于中间位置, 此时没有助力, 当转向时, 转动方向盘的角度越大 (在一定的角度范围内) , 通过转向阀提供的助力也越大, 这样就形成了角度——扭矩的关系曲线, 这种曲线叫做手力特性曲线。左转和右转的手力特性曲线应该关于中间位置对称, 对称度越高越有利于驾驶员驾驶, 一般要求对称度达95%以上, 转向阀才被视为合格。

由于助力系统提供的液压助力始终是通过面积一定的油缸活塞实现的, 因此助力的大小取决于助力油压的大小, 因此有些设备测试角度与油压关系, 形成角度——油压关系曲线, 这种曲线叫做灵敏度曲线。灵敏度曲线关于中间位置的对称度也要求达到95%以上。

手力特性曲线和灵敏度曲线对转向阀的中心位置要求都比较苛刻, 因此在转向阀的生产中, 专门有一道找对称中心位置的工序, 找到对称中心后在阀端配钻、配铰孔, 用一颗圆柱销压入, 将扭杆和阀芯连接为一体, 当阀芯不承受方向盘扭转时处于中间位置。用灵敏度找到阀的对称中心, 并配钻、配铰、压销, 最后用手力特性对中心位置进行复检, 这就是自动对中压销设备需要完成的动作。在这一系列动作中, 最初测试角度——油压关系, 用灵敏度找对称中心, 最后用角度——扭矩关系验证对称中心的准确性, 都依赖输入轴提供的角度值和扭矩值 (油压值靠压力传感器提供) 。因此, 输入轴本身摩擦力的大小, 对测试结果影响非常显著, 摩擦力越小“误判”的可能性就越低。

1 原输入轴存在的问题

在原来生产的自动对中压销设备中, 由于输入轴在制造过程中某些零件对制造要求过于苛刻, 并且在测试过程中容易产生的摩擦力矩较大, 所以导致有些转向阀被误判为不合格, 给生产造成损失。

原有输入轴主要结构如图1输入轴局部剖视示意图和图2另一侧面的内部结构所示。它的工作过程如下 (结合图1) :作转向阀灵敏度试验时, 输入轴系统利用油缸活塞向前推移, 锥孔表面挤压锥夹头的弹性瓣, 使锥夹头内孔收缩抱紧阀的输入轴, 主轴的转动带动阀转动, 测试正向和逆向两个方向的角度和助力油压的关系, 形成角度——油压曲线;设备在转向阀的角度——油压对称中心点钻铰孔、压销完毕后, 回程做复检试验时, 为了使转向阀花键与输入轴系统的啮合套即使有一定的不同轴也能顺利啮合, 在输入轴系统中啮合套后面设计的有十字节结构, 解决当同轴度不好时的花键啮合问题, 啮合套在十字接头上径向滑移适当距离, 使之与转向阀花键达到同轴状态, 从而实现啮合, 测试正向和逆向两个方向的角度和扭矩的关系, 形成角度——扭矩曲线。这个结构, 在以后的使用中暴露出了两个比较突出的问题:第一, 在作灵敏度试验时, 由于活塞直接靠锥孔面压紧锥夹头, 当锥夹头带动阀转动时, 也带动了活塞随之同步转动, 这样就使转动过程中增加了油液及密封元件 (活塞外围附件) 的干扰, 密封件本身是受压缩变形起密封作用的, 转动需要克服很大摩擦力, 这样就使附加力矩增大了很多, 虽然灵敏度测试的是油压和角度的关系, 但扭矩过大也会引起各连接件之间的弹性变形, 并且对扭矩传感器、弹性联轴器等使用寿命有负面影响。第二, 在作复检试验时, 由于啮合套、十字接头、浮动接头三者径向是靠矩形槽连接的, 周向靠螺钉连接, 这就要求螺钉安装孔和矩形槽关于中心必须有很高的对称度, 否则会造成矩形槽单侧压紧, 而另一侧有间隙, 在径向滑移时有很大的附加力矩, 而且转动过程中阀体也被主轴带动, 使安装于上面的油管也产生附加力矩。从而对测试的扭矩读取存在的误差较大, 直接影响了角度——扭矩曲线的准确性。因为附加力矩的分布没有规律性, 更不可能关于中间位置对称, 这种表现往往被误认为是阀本身的问题, 所以就会导致误判, 给生产带来很大损失。

2 改进后的结构和工作状况

为消除影响测试结果的这些负面因素, 经过长期观察摸索和反复试验, 对输入轴结构进行了大的改造, 最终研发成功一种新型的输入轴结构, 这就是后期的自动对中压销设备中一直使用的结构。新结构最大的改变有两点:一是活塞不再直接压紧锥夹头, 而是通过一个推力轴承作为传力的中介;二是使用小万向节代替了原来的十字接头。现行输入轴结构的工作过程如下 (结合图3) :当需要作转向阀灵敏度试验时, 油缸活塞向前推进, 使推力轴承压向轴承座, 这样轴承座也向前推进, 轴承座上的锥孔与锥夹头配合, 锥孔表面挤压锥夹头的弹性瓣, 使锥夹头内孔收缩抱紧阀的输入轴, 输入轴主轴的转动带动阀转动, 测试正向和逆向两个方向的角度和助力油压的关系, 形成角度——油压曲线。这个过程中, 输入轴系统的主轴带动锥夹头转动, 锥夹头被轴承座的锥孔抱紧, 则轴承座也被带着转动, 轴承座被推力轴承的座圈压紧, 则推力轴承的座圈也随着转动起来, 带动了钢球滚动, 钢球滚动属滚动, 摩擦力矩很小, 不足以带动轴承的轴圈的转动, 所以推力轴承轴圈保持不转动, 也就保证了油缸不转动, 从而避免了油液和密封圈的干扰, 安装于缸体上面的油管也不会被带着转动。整个过程中, 锥夹头由输入轴主轴带动, 仅需要克服轴承的摩擦力矩即可, 轴承的摩擦力矩属于纯滚动, 较之摩擦力矩小很多, 所以将负面干扰大幅度降低。

当设备在转向阀的角度——油压对称中心点钻铰孔、压销完毕后, 回程作角度——扭矩复检试验时, 同样为了解决转向阀花键与输入轴系统的啮合套同轴度不好的情况下完成啮合这一问题, 将啮合套安装于小万向节的前端, 利用万向节的方向适应性使啮合套偏摆少许角度, 到达与转向阀同轴状态, 实现啮合。小万向节虽然组成零件比较多, 但是方向的适应性非常强, 它的变向不存在径向滑移带来摩擦力的干扰。这样就避免了矩形键在键槽内滑动摩擦力所造成的附加力矩影响, 而且由于推力轴承的滚动摩擦, 阀体也不再带着油管一块转动, 也进一步减小了附加力矩, 使扭矩传感器测得的扭矩值在最大程度上接近于转向器承受的真实力矩 (小万向节的结构如图4小万向节爆炸图所示) 。

3 实施经验总结

改进后的输入轴结构含有较多零件, 给装配造成一定的困难, 但在实施过程中使用进一步分支的办法, 将大的、复杂的问题逐渐肢解为若干个小的问题。例如, 将上面提到的小万向节单独作为一个小部件提前预装, 检查其灵活性, 合格后再装入整体部件, 这样装配起来避免了凌乱和无序, 而一旦出现故障, 也可以按部件逐个排查。整个输入轴可以划分为驱动部分、底座部分、小万向节部分、油缸部分等几个部件。事实证明, 在使用过程中所表现出来的灵敏性和稳定性是旧有结构所不能达到的。

参考文献

[1]机械设计手册编委会编著.机械设计手册 (新版) .北京:机械工业出版社, 2004

[2]石美玉.转向系统.化学工业出版社, 2005