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电力智能调压器旋转式机械开关的应用

2019/11/14 阅读:

摘要:针对采用电气元件组装电力智能调压器存在体积大、故障点多的问题,提出了研制有载分接机械开关的解决方案,从总体思路、具体结构、运行分析等方面对该方案进行分析,并通过实例证明,该方案具有结构紧凑,运行稳定,制造成本低,通流能力大等特点。

关键词:变压器;智能调压器;传动机构;有载分接开关

长期以来,因为传统变压器输出电压固定不变,末端合格电压供电能力弱,再加上我国广大农村特别是高原山区、牧区、湖区等边远地区广泛存在点多分散、面广量大,近变压器用户实际电压偏高、远变压器用户实际电压严重偏低等问题[1-3]。国家关于“十三五”期间实施新一轮农村电网改造升级工程意见要求,实施新一轮农村电网改造升级工程,是加强农村基础设施建设,加快城乡基本公共服务均等化进程的重要举措,对促进农村消费升级、带动相关产业发展和拉动有效投资具有积极意义。各地区、各有关部门和相关企业要进一步提高思想认识,加强组织、规范管理,落实责任、密切配合,切实完成好新一轮农村电网改造升级各项任务。为配合国家农村电网改造升级工程,经过了大量分析和多次试验,最终确定了采用新型自耦变压器、有载分接开关、线路自动监测与控制等技术的电力智能调压器方案。

1电力智能调压器

电力智能调压器主要服务于农村、偏远山区电网,针对其点多分散、面广量大,近变压器电压偏高、远变压器电压严重偏低等特点,采用12个调节档位精细调节,并且调档时不能断电。图1为电力智能调压器电气原理。由图可以看出,该装置主要由1个自耦变压器、13个电气开关、2个分裂电抗器和1个可控硅无触点电子开关组成,A为输入端,A1为输出端。当输出端A1电压符合gB/T12325—2008《电能质量供电电压偏差》规定的标准时,系统可设置为KMA3(旁路)接通,此时调压器不工作;当系统监测到输出端电压低于标准时,系统指示KMA2(升压)接通,根据需要升压的数值大小,通过8个选择开关某2个开关的接通实现升压,共有3个升压档次(KA7、KA8为过渡位置不升不降),如果只接通其中1个开关,则可以实现电压的精细调节,此时为6档升压;当系统监测到输出端电压高于标准时,系统指示KMA1(降压)接通,根据需要降压的数值大小,通过8个选择开关某2个开关的接通实现降压,共有3个降压档次(KA1、KA2为过渡位置不升不降),如果只接通其中1个开关,则可以实现电压的精细调节,此时为6档降压。从以上开关动作来看,整个开关切换过程中均无燃弧。切换其他档位或降压模式时,与此动作类似[4-6]。在电力智能调压器研制初期,选择开关、切换开关、升降压开关和旁路开关等13个开关均采用交流接触器、继电器等电气元件制作,这样三相调压器就需要39个开关,直接影响是导致设备体积过大,用户安装时造成诸多不便。在试制过程中发现,由于线路点位太多,造成故障点增多,出现故障时需一一排查,难度增大,再者在大电流调压器时,交流接触器、继电器等电气元件则故障频发,无法承担大电流的冲击,选用额定电流大的电器元件比较困难,成本成倍增加[7-8]。在试验中遇到上述问题后,研制了一种专门用于电力智能调压器的有载分接机械开关,根据调压器的有载无燃弧有规律的运行特点,采用旋转式机械传动机构,很好的解决了采用电气元件的缺点。该装置具有结构紧凑,运行稳定,制造成本低,通流能力大等特点。

2有载分接机械开关

2.1总体思路

根据图1分析,选择开关与切换开关等其他开关动作特点是:在电压不需要调节时,旁路开关KMA3是接通的,升压开关KMA2和降压开关KMA1可事先接通其中的一个,切换开关KM9、KM10和电子开关SSRA也可事先接通,而八个选择开关则是全部断开的;在电压需要调节时,升压时,需先接通升压开关KMA2,选择开关处于整档位时,旁路开关KMA3必须是断开的,而切换开关KM9、KM10和电子开关SSRA则根据无弧切换的需求配合动作。降压时,需先接通降压开关KMA1,其余开关配合动作。从以上分析可知:需提供一个动力源,在机械开关动作时既相互关联,又互不干扰,运动时保证各个开关的稳定性和协调性,从而实现电力调压器的各项功能,旋转式机械传动机构可满足于该功能。

2.2具体结构

图2为电力智能调压器设计的旋转式传动有载分接机械开关主要由底盘部分、筒体部分、主轴部分、传动系统部分四大部分组成。

2.2.1底盘部分如图3所示,底盘部分主要由下端盖、轴承、动触块、弹簧挂销、拉簧、支架、静触块、连接铜线等零部件组成。以上零部件导电零件为铜件,绝缘零部件为PA66增强尼龙。底盘部分通过下端盖固定在筒体部分上。底盘部分除了连接件功能以外,主要是升降压开关KMA1、KMA12的集成底座。动触块在拉簧的作用力下可与2个静触块分别接触导电,相当于KMA1、KMA12升降压开关。动触块上设置一个齿槽,与主轴部分上的拨块相互配合,来实现升降压开关的开合。

2.2.2筒体部分如图4所示,筒体部分主要由绝缘套筒、导电铜环、导电块、连接铜板、绝缘块、接线柱等零部件组成。以上零部件导电零件为铜件,绝缘零部件为PA66增强尼龙。筒体部分的结构为分层配置,4个绝缘套筒分别与导电铜环、导电块和绝缘块相配合。导电铜环、导电块和绝缘块设计成凹形结构,便于定位安装;导电铜环、导电块上设置有接线柱,便于引出接线;绝缘块将中间部分导电块均分成5个导电单元,将上下两部分分隔成2个导电单元。如图4所示,筒体部分在中间部位安装有5个均分的导电块,每个导电块外部均安装有接线柱,作为引出通电,内部圆弧面与主轴部分上的动触头光滑接触。上下2个导电铜环和2个导电块外部也安装有接线柱,作为引出通电,内部圆弧面与主轴部分上的动触头光滑接触。根据图1所示的电气原理图,所对应的具体开关名称如图4所示。由此看来共可代替图1虚线框内的11个电气开关。

2.2.3主轴部分如图5所示,主轴部分主要由主轴、拨块、动触头、压簧、动触头架、盖板等零部件组成。以上零部件导电零件为铜件,绝缘零部件为PA66增强尼龙。 主轴部分2个动触头分别安装在2个动触头架上,动触头与筒体部分的导电铜环和导电块滑动接触,其预紧力由压簧提供。动触头架固定在主轴上随主轴旋转运动。主轴下端还安装一拨块,其与底盘部分上的动触块相互作用,以实现升降压开关的开合。2个动触头架是完全相同的零件,安装时反向安装即可。在端部设置一盖板,用于定位和安装动触头,防止动触头滑落。为保证动触头与筒体部分的导电铜环和导电块光滑接触,需对动触头圆弧部位进行研磨加工,以保证接触导电的通流能力,减小接触电阻[9-10]。主轴上端通过轴承与传动系统部分的主轴齿轮等相连接,下端与底盘部分下端盖通过轴承连接。

2.2.4传动系统部分如图6所示,传动系统部分主要由步进电机、电机座、电机齿轮、上端盖、轴盖、主动齿轮、小齿轮、编码器齿轮、编码器、轴承、轴承盖等零部件组成。该部分零部件为系统动力部分,不参与导电,部分是金属件,部分为绝缘材料PA66增强尼龙制成。传动系统部分通过上端盖在筒体部分上,步进电机通过安装在上端盖上的电机座固定,电机轴上安装一电机齿轮,编码器也一并安装在电机座上,编码器主轴上安装一编码器齿轮。主轴齿轮、小齿轮和轴盖与主轴部分的主轴相连接实现传动。步进电机启动时,由电机齿轮带动主轴齿轮旋转,主轴齿轮同步带动主轴和小齿轮转动,小齿轮带动编码器齿轮旋转,将转动信号传递给编码器。编码器精确控制主轴转动角度。

2.3旋转式传动有载分接机械开关的运行分析

该有载分接机械开关是为了解决电气元器件故障点多而开发的,将数十个电气开关整合为一体,具有非常高的紧凑型和集成度。机械开关在调压时线路不断电,充分保证了用电的安全性和可靠性,经过大量实验验证,达到了预期的目标。下面介绍一下开关运行相关程序。有载分接机械开关安装时预置升降压开关为升压状态,即KAM2升压开关处于闭合状态,选择开关预置为0位,即KAM3旁路开关处于闭合状态,切换开关KA9、KA10和电子开关SSRA属于外置开关,事先预置为常闭状态。当线路电压某项下降到某一系统设定数值时,智能控制系统发出升压信号,电力智能调压器中的KAM2升压开关已经处于闭合状态,信号直接控制传动系统中的步进电机启动,通过齿轮传动系统驱动主轴转动(从图6看主轴为顺时针转动),从而带动2个动触头同步转动,具体转动角度由编码器控制,从而实现既定的动作。有载分接机械开关在调压时应保证线路不断电,即A端输入,A1端输出在调压过程中电路畅通。图5中2个动触头所在位置可确定为初始位置,在此情况下,旁路开关KMA3是接通状态,其余开关为断开状态;当线路电压下降到某一系统设定数值时,智能控制系统发出升压信号,电机启动,通过齿轮传动组驱动主轴转动,从而带动动触头和主轴底部的拨块同步转动,在动触头断开旁路开关之前,拨块已带动动触块压紧到升压开关静触块上,此时相当于KMA2升压开关接通,当2个动触头全部旋转到中间第一个导电块上时,此时相当于KA8、KA7两个开关接通,从电气原理图来看此时既不升压也不降压;继续向下一位置旋转,当1个动触头转到中间第2个导电块上时,此时另一个动触头尚未离开第1个导电块,此时相当于KA7、KA6两个开关接通,此时升压半挡,KA5、KA6两个开关接通时为升压整挡,以此类推,直至升压15%。当线路需要降压时,动触头回转,直至到初始位置,旁路开关KAM3接通,继续回转,主轴底部的拨块转动,带动动触块转到另一侧,压紧到升压开关静触块上,此时降压开关KMA1接通,再回转与升压动作相同。其旋转位置的准确度靠主轴顶端的编码器控制转角来保证的。该机械开关的调压能力为±15%,在此范围内调压幅度根据电网电压确定。在以上开关开合过程中,电子开关SSRA和切换开关通过控制系统密切配合,以防拉弧,具体动作是在选择开关无论是闭合或者断开之前,电子开关SSRA和对应的一侧切换开关事先断开。机械开关的整个动作过程中,所有触头均为无燃弧动作,这就大大增强了使用寿命和运行的安全性。

2.4有载分接机械开关的应用

该有载分接机械开关样机试验成功后,分别安装于单相和三相电力智能调压器中进行应用效果验证。经过几个月的挂网试验,实时跟踪电压波动情况,结果表明,调压器整机运行平稳,末端电压符合设定标准,进而表明有载分接机械开关应用状况良好,达到了预期设计目的,可以进行推广应用。

3结束语

有载分接机械开关是为配合国家农村电网改造升级工程而立项,在经过多次失败的基础上,经过了大量分析和多次试验,最终定型的方案。该开关用于山东普益电气有限公司研制的电力智能调压器,具有12个调节档位、精细调节、用户无瞬间断电等特点。根据对方案的分析和实际试验得知,在该装置中,通过动触头和集电环接触可实现大电流通过,通过2个动触头模块和10个静触头不同位置接触,可替代8个电气开关,再加升降压开关和旁路开关,共可替代11个电气开关,而且该开关结构紧凑,运行稳定,制造成本低,并且通过加装SSRA电子开关可实现触头无燃弧开合。

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作者:李海国 单位:山东普益电气有限公司

电力智能调压器旋转式机械开关的应用

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