高壓交流隔離開關和接地開關的選用

1 前言
　　 國家電網公司對輸變電設備采購和招投標體制，進行了集約化管理和集中化運作的重大改革。2005年將363kV和1550kV及以上設備的采購和招投標集中到公司總部，2006年末又將252kV設備也集中北京招投標，對40．5～126kV設備則在網省公司集中招投標。2006年國家電網公司還編制和頒布了《110～500kV變電站通用設備典型規范》。
　　 為了更好地在招投標中正確貫徹實施典型規范，合理地確定設備的相關技術參數和要求，本文談談高壓交流隔離開關和接地開關選用中的幾個問題，供電力工程設計及設備選用部門相關專業人員參考。
　　2 關于隔離開關開合母線轉換電流
　　2．1隔離開關開合母線轉換電流的典型操作
　　 隔離開關開合母線轉換電流（俗稱環流），是在正常運行中，用隔離開關斷開或閉合由同一電壓等級設備和母線在變電所內部所構成的電氣閉環，從而實現轉移負荷電流的操作。
　　 目前國內變電站接線方式中，采用較多的有單母線接線（單母線分段、單母線帶旁路）、雙母線接線（雙母線分段、雙母線帶旁路）、一倍半斷路器接線及橋形、角形接線等。其中，雙母線倒母線操作是開合母線轉換電流Z典型和常見的工況。此外，作為特例，單母及雙母接線退出旁路母線、一倍半斷路器接線檢修母線時、橋形，T形，角形接線解環操作中，為了避免用隔離開關開斷很長的空母線上很大的電容電流而采用相反的操作程序：先斷開隔離開關，再斷開斷路器以退出空載母線。這時隔離開關也會遇到開合母線轉換電流的問題。
　　2．2標準規定的參數
　　 我國國家標準GB1985－2004《高壓交流隔離開關和接地開關》中，以規范性附錄B給出了隔離開關開合母線轉換電流的要求和試驗方法。對空氣絕緣隔離開關，其額定母線轉換電流值應為80％額定電流，Z大不超過1600A，額定母線轉換電壓從表1中選取；試驗次數為100次開合操作循環。至于額定轉換電流Z大不超過1600A，是因為通常是按額定短時耐受電流而不是按額定電流來選用隔離開關的，因此長期通過隔離開關的Z大電流比其額定電流小得多，所以其母線轉換電流Z大值可定為1600A。1986年中國電力科學研究院高壓開關研究所為了提出我國隔離開關開合母線轉換電流的技術條件，曾經用計算機計算和分析了國內10～500kV幾個電網典型接線的母線轉換電流，結果符合不超過1600A的規定。
　　 由于隔離開關的觸頭運動速度較慢，在開合母線轉換電流時產生電弧的燃弧時間較長，使觸頭易于燒損。為了達到標準要求的開合能力，制造廠需在隔離開關上增設引弧觸頭，使隔離開關的觸頭結構較為復雜。因此有必要將隔離開關分為兩種：具備開合母線轉換電流能力的和不具備開合母線轉換電流能力的。設計和使用部門在選用隔離開關時應區別對待。
　　2．3雙母線中的母線隔離開關需要開合母線轉換電流
　　 在變電站實際運行中，正常情況下只有雙母線接線的母線隔離開關及旁路接線中的母線隔離開關，才需要開合母線轉換電流；而單母線接線的母線隔離開關、母聯隔離開關及大量進出線路的線路隔離開關，不存在開合母線轉換電流的工況。
　　 也就是說在這些部位上使用的隔離開關不必要具有開合母線轉換電流的功能。
　　 目前，國內隔離開關招標文件中不提供工程一次接線布置圖，沒有明確哪些隔離開關是雙母線中的母線隔離開關，而是對所有隔離開關不加區別的都提出開合母線轉換電流的要求，這是不合適的。這將使很大一部分隔離開關有了多余的不必要的功能，其直接的弊端是觸頭結構復雜了，增加了產品制造成本和維護檢修的工作量。相反，如果對雙母線中的母線隔離開關，實際運行中需要開合較大的母線轉換電流，卻又沒有明確提出要求，制造廠供貨時不提供引弧觸頭，將會在倒換母線操作中燒損觸頭，降低隔離開關的有效使用壽命。
　　3 關于接地開關開合感應電流
　　3．1接地開關的一種特殊運行條件
　　 隨著電力建設的發展，電網在不斷擴大，容量也在不斷增加，為了減少輸電走廊占地，同塔雙回路平行架空高壓輸電線路日漸增多，在這種輸電線路中使用的某些高壓接地開關要求具有開合感應電流的能力。隨著同塔雙回線的普及和電壓等級的升高，對接地開關開合感應電流的能力也要求越來越高，開合感應電流成為高壓接地開關的一種特殊運行條件。
　　 在兩條或多條共塔或鄰近平行布置的架空輸電線中，當某一回或幾回線路停電后，由于它與相鄰帶電線路之間產生電磁感應和靜電感應，在停電的回路上將產生感應電壓和感應電流。因此，用于這些線路的接地開關，應能滿足以下的運行條件：（1）當停電線路的一端開路，在線路另一端的接地開關分、合操作時，接地開關能開斷和關合容性電流。（2）當停電線路的一端接地，在線路另一端的接地開關分、合操作時，接地開關能開斷和關合感性電流。
　　3．2標準規定的參數
　　 國標GB1985中以規范性附錄C給出了接地開關開合感應電流的要求和試驗方法。接地開關的額定感應電流和額定感應電壓的標準值，應從表2中選取，試驗次數為10次開合操作循環。
　　 目前，很多500kV變電工程中停電接地線路很長、帶電負荷很大，其感應電流和感應電壓高于國家標準的B類接地開關標準值。如電磁感應電流高達760A，靜電感應電流高達126A，而靜電感應電壓則高達35kV、45kV、65kV。750kV工程的靜電感應電壓要求達到100kV。
　　3．3并非所有接地開關都需要開合感應電流
　　 *，只有同塔雙回平行架空輸電線路中兩端變電站的進線側和出線側使用的接地開關，才應具有開合感應電流的功能。并非變電站中所有接地開關和所有隔離開關附裝的接地開關，都需要具備這種功能。要求開合感應電流的接地開關只是少數。
　　 目前普遍的現象是，在隔離開關的招標文件中，凡是接地開關及帶接地的隔離開關中的接地開關，均提出了開合感應電流的要求，這是沒有必要的。訂貨時應具體指明哪一種隔離開關的哪一側的接地開關要求開合感應電流，不要泛指。由于具備開合感應電流能力的接地開關，要采取引弧及滅弧措施，結構與常規接地開關是有所區別的。加上試驗費用比較昂貴，自然要增加制造成本，因此產品價格是不相同的。特別是額定電壓363kV及以上開合感應電流的接地開關，需要增設輔助回路，配裝耐弧觸頭，增加真空或SF。
　　 滅弧室及其操動機構，價格增加很多。如果感應電流和感應電壓超出標準值，則更會增加技術難度和制造成本。
　　4 關于單柱垂直斷口隔離開關的額定接觸區
　　4．1標準推薦的接觸區
　　 單柱垂直斷口隔離開關，因其靜觸頭懸掛在母線上，為了適應風力、溫度和冰雪的影響，確保隔離開關能可靠合閘，GB1985對接觸區（也稱鉗夾范圍）提出了推薦值，如表3、表4。在進行變電站設計和選用隔離開關時，應考慮到具體運行條件，確保靜觸頭處在規定的接觸區限值之內，使隔離開關能正確地分合閘。
　　4．2選擇接觸區要區分軟母線或硬母線
　　 選用單柱垂直斷口隔離開關的時候，要根據母線形式來確定接觸區。采用軟母線還是硬母線是變電站設計時就確定了的，兩者只選其一。
　　 目前國內常用的單柱隔離開關的結構形式有三種：（1）雙臂伸縮剪刀式（如西門子PR型、ABB／HAPAM的GSSB型、中國GW6A、GW46型等）。（2）單臂伸縮鉗夾式（如EGIC的SSP型、AREVA的SPV型、中國GW10、GW6／16A、GW20、GW22／22B型等）。（3）單臂伸縮插入式（如AREVA的SPVL型、中國GW29、GW35型等）。其中，雙臂伸縮剪刀式，由于其接觸區和鉗夾范圍大，特別適用于軟母線，當然也適用于硬母線。對于長跨檔軟母線只有剪刀式可以勝任。單臂伸縮鉗夾式，適用于硬母線及短跨檔軟母線。單臂伸縮插入式，只適用于支持型硬母線，對軟母線和懸掛型硬母線則不適用。
　　 目前有的標書中將軟母／硬母兩者并列，兼而有之；也有的標書標明硬母線，卻選擇了軟母線的接觸區。這些都會使應標者無所適從。另外，選擇硬母線時尚應告知管母線的外徑尺寸，以便制造廠提供合適的靜觸頭固定金具，這一點往往被忽視和遺漏。
　　5 關于接地開關的短路持續時間
　　 DL／T593－2006《高壓開關設備和控制設備標準的共用技術要求》對開關設備在合閘狀態下承載額定短時耐受電流的時間間隔，規定為：550～1100kV為2s，126～363kV為3s，72．5kV及以下為4s。
　　 DL／T486關于額定短路持續時間規定為：應符合DL／17593的規定，但接地開關可以為配用隔離開關相應數值的一半，但不得小于2s。GB1985也規定“除另有規定，接地開關短時耐受電流的額定持續時間為2s”。
　　 GB1985和DL／T486標準把接地開關的短路持續時間規定為不小于2s，是與標準接軌的，自1990年執行至今，運行中也沒有由于接地開關的短路持續時間為2s而出現過問題。按照能源部批準的DL405-91《進口220～500kV高壓斷路器和隔離開關技術規范》，我國進口的大量高壓開關設備，其短路持續時間都是2s，15年來實踐證明運行情況良好。所以，接地開關的短路持續時間采用2s就可以了，不必與隔離開關要求一致。
　　6 關于隔離開關的過載能力
　　 DL／T593規定，溫升試驗的試驗電流為額定電流的1．1倍，提高溫升試驗電流始于1992年，當時規定為1．2倍，并且注明此規定為“根據我國運行經驗提出”。
　　 所謂“我國運行經驗”，據分析有以下兩點：（1）國家標準和IEC標準規定，溫升試驗應該在裝有清潔觸頭的新開關裝置上以額定電流進行，而實際運行中高壓開關特別是隔離開關長期*暴露在大氣環境中工作，導電元件會受到環境和氣候條件以及污穢、氧化作用，加上年久失修，引起接觸不良。凡此種種運行中的不利因素，將降低開關設備的實際通流能力，如戶外隔離開關導電回路過熱是較為普遍的現象。根據以往運行經驗，戶外隔離開關的工作電流如果達到其額定電流的70％，一般會發生過熱。（2）日照的影響會使導電回路溫升提高。據國內試驗表明，SF6斷路器出線端處附加溫升為16℃；戶外隔離開關鍍銀觸頭及軟連接處為12．5℃，鋁導電管為19℃，但持續時間僅為1h。
　　 國內一位電力專家撰文指出：“為了解決運行中的隔離開關的過熱問題，電力行業標準中要求高壓隔離開關按1．2倍的額定電流進行溫升試驗，雖然全新的產品可以通過，但是運行中的設備仍然照樣發生過熱。這就說明是使用條件改變了隔離開關的通流能力”。DL／T486也指出“即使按照DL／T593提高了溫升試驗電流值，也不得將它視為過載能力”。GB1985中關于“額定電流的選擇”中指出：“應當注意，隔離開關沒有標準化的持續過電流能力。因此，選擇隔離開關時，應使其額定電流適應于運行中可能出現的任何負載電流”。
　　 通常是按照額定短時耐受電流而不是按額定電流來選用隔離開關的，所以長期通過隔離開關的Z大電流要比額定電流小得多，而且考慮長遠發展，一般所選額定電流也有較大裕度。因此，運行中隔離開關導電回路發熱的原因，并不是通過電流過大，超過了額定電流，而是由于觸頭及接觸部位的結構、材料、表面處理和裝配工藝存在問題，運行環境惡劣引起接觸部位接觸電阻提高而引起過熱，而且惡性循環。要解決戶外隔離開關導電回路過熱，關鍵是要防止接觸不良的產生，這就要從完善結構設計、選用材料以及提高制造工藝水平上全面考慮，包括提高安裝調整質量、改善運行操作條件和檢修維護工作，來提高產品抵御環境影響的能力。
　　 按1．1倍額定電流做溫升試驗后導電回路仍然出現過熱現象，說明提高溫升試驗電流并不代表隔離開關具有過載能力，這一點在選隔離開關時是要加以注意的。
　　7 關于接地開關的長期通流問題
　　 接地開關是用于將回路接地的一種機械開關裝置，在異常條件下（如短路），可承載規定時間的短路電流，但在正常回路條件下，不要求承載電流。這是接地開關與隔離開關的主要區別。實際運行中，必須嚴格遵循如下程序：隔離開關合閘時，接地開關必須分閘；隔離開關分閘后，接地開關才能合閘。這就說明，接地開關沒有長期通過工作電流的可能，所以接地開關也就沒有額定電流和回路電阻的參數。
　　8 關于絕緣子爬電距離是否需要進行海拔修正的問題
　　 曾有用戶單位提出，使用于海拔1000m以上地區的戶外隔離開關絕緣子的爬電距離，要求按海拔修正系數進行修正。
　　 對這個問題，個人認為，理論上絕緣子的爬電距離是與海拔沒有直接關系的。但是絕緣子的干弧距離卻與海拔高度有關。使用于海拔1000m以上地區的隔離開關的干弧距離是應當按海拔修正系數進行修正的。由于在高海拔地區絕緣子的干弧距離按海拔修正后，為了滿足要求，絕緣子的高度就要增加。
　　 絕緣子高度提高后，其爬電距離自然會相應增加。但是，這種爬電距離的增加是干弧距離提高后的間接結果，并非按海拔系數修正而得。
　　9 結語
　　 高壓交流隔離開關是輸變電設備中使用量Z多的一種設備，它的結構形式多種多樣，安裝使用的場合也不盡相同，技術參數類別也較多，只有精心選用，對相關的技術要求要結合工程需要仔細選擇，避免提出過高的要求增加無需的功能，才能收到既節省投資又安全可靠運行的效果。