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研发超高压输变电线路用的大容量CMD型分接开关
jiang_0514 发表于 2009/8/24 9:53:43 693 查看 0 回复 [上一主题] [下一主题]
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研发超高压输变电线路用的大容量CMD型分接开关
图1 CMD大容量分接开关
一、CMDⅢ1000型有载分接开关技术参数
适用于500kV超高压输变电线路调压用CMDⅢ1000大容量有载分接开关技术参数如表1所示：
表1 CMDⅢ1000型有载分接开关技术参数
注：1）CMDⅠ3000须变压器三路并联线圈强制分流；
2）由于换流变压器直流偏磁，变压器过激磁运行，最大额定级电压可能超过额定值的10%；
二、CMDⅢ1000型有载分接开关性能与结构特点
1、结构特点
CMDIII1000大容量有载分接开关在结构上继承了华明公司精品CMD型分接开关所有优点：
1）采用当今先进的头部传入、筒外布轴、中部传动的传动方式。绝缘转轴长度与直径的选取不受限制，始终浸在干净的变压器油中，无需用均压零部件，也保证足够的绝缘裕度。
2）头部传动齿轮不在头盖上，分接开关吊芯检修不须拆卸水平传动轴。复装后无需进行旋转差数的联结校验，减少维修工作量。
3）分接选择器借用华明公司CMD型精品分接开关的分接选择器筒式结构、“外部引线，内部套轴”的轴型、整体式中心柱结构及半封闭式级进传动结构，其结构新颖、性能优良，零部件通用性和标准化程度高。
2、性能特点
1）大容量结构单相化，大电流采取触头直接并联增容或变压器相应的分流措施
CMD型三相分接开关最大额定通过电流为1000A，单相分接开关两路触头并联增容为1600A，三路触头并联增容为2400A。当变压器绕组三路强制分流时，单相分接开关最大电流可达3000A。
2）采用四电阻串联双断口过渡电路、“2-3-2”触头变换程序（见图2）
图2 四电阻过渡切换开关的触头变换过程(R2=mR1)
图5 ZnO压敏电阻保护特性试验
ZnO压敏电阻的电导率突然下降而将工频续流限制到很小数值。这里ZnO压敏电阻和阀门一样起着自动节流的作用，从而阻止在极陡的过电压负荷下电压超荷。
非线性电阻器在限制过电压上没有延滞并可连续动作，能防止发生高于按非线性电阻器特性选定的保护水平的电压过高。而火花间隙响应延时，所以不能避免电压过高。因此，它比火花间隙保护特性具有更大优越性。早期阶段，非线性电阻器是用碳化硅(SiC)元件，目前引用了大功率的氧化锌(ZnO)压敏电阻。图6为氧化锌压敏电阻、碳化硅元件和线性电阻器三者的电流—电压特性曲线，为了便于更好地比较，各种电阻器的曲线都以工作点7500V／100A(75Ω)定尺，使三条曲线都汇结于此点。由图6可知，ZnO以其独特的非线性特性而显示出明显的优越性。
图6 线形和非线性电阻伏安特性曲线
4）分接绕组电位连结
图6 W操作期间“悬浮”状态
5）分接开关局部放电量小
分接开关局部放电量低于IEC标准50pC的规定，经检测仅为10pC。
6）调压范围广、分接位置多
交流电力变压器调压范围以±8×1.25%(10193W)；换流变压器不仅要考虑电源电压波动，还要考虑直流系统压降。因此，网侧分接开关的调压范围取较为宽广，调压范围以±15×1.25%(16311W)为宜。
三、换流变选用CMDIII1000大容量有载分接开关应注意的事项
高压直流输电系统中的主要机组是换流器变压器，换流变压器在换流过程中的功能是“变压”和“裂相”，与换流阀组一道，在交流电网和直流线路之间起连接和协调作用，将功率由交流系统传输到直流系统。为了适应换流器的工作条件，换流变压器具有一系列独特的性能，这使得换流变压器与电力变压器有所不同，因此换流变在选用有载分接开关时应遵循下述原则调整所选用分接开关的额定值。
1、分接开关最大额定通过电流的选择
考虑到换流变压器的电流中含有高次谐波分量、过载电流等因素的作用，额外增加分接开关负载电流的过载能力，CMD型分接开关要按70%的降容限度内使用。因此，选用分接开关最大额定通过电流应考虑留有一定的裕度。
2、分接开关级电压和级容量
考虑到分接开关电弧触头断口处的恢复电压含有高次谐波分量，会影响电弧重燃。因此，分接开关级电压原则上要按允许最大级电压下降级(90%～95%)和所允许开断容量下使用。且过渡电阻匹配应谨慎考虑触头上呈现恢复电压值限制在所允许触头开断强度范围之内。
3、检修换油周期
分接开关应配置在线净油装置辅助设备，检修换油周期大于10万次。
四、结束语
CMDⅢ1000型大容量有载分接开关于2006年8月～10月进行型式试验，并通过各项型式试验考核。2006年在北京由国家发改委牵头、机械工业联合会和国电公司参加500kV超高压的交直流输电变压器配套分接开关国产化研讨汇报会上，华明公司汇报产品自主研制过程和技术创新点，得到与会专家代表的认可赞同。同时，与会专家代表还提出进一步完善化的宝贵意见。
2007年8月研发的CMDⅢ1000/252有载分接开关通过机械工业联合会和国网公司、南网公司的行业鉴定。于会领导和专家一致认为分接开关的调压设备必须国产化，要打破跨国公司的核心技术的垄断，华明公司具有自主知识产权、高性价比的可用于500kV超高压大容量分接开关符合IEC60214-1-2003和GB10230.1-2007《分接开关第1部分：性能参数和试验方法》标准规定的要求，填补国内空白，可替代进口，并尽快投入批量生产。
今年CMDⅢ1000型有载分接开关以优越的性价比在塔吉克斯坦500kV交流输电线路调压装置的国际招标中一举中标，研制的新型CMDⅠ2400/252D-10193W产品己在沈变的500kV自耦电力变压器上装配，并完成变压器出厂试验的考核。
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随着国家电力行业的发展，超高压输变电技术成为电力行业发展的必然趋势，目前我国输变电制造业已基本掌握500kV及以下交流输变电成套设备的设计、制造技术，500kV输变电设备已基本国产化。但是用于500kV输电线路的调压分接开关仍被国外产品所垄断，为了打破这种核心技术的被垄断局面，上海华明电力设备制造有限公司借鉴国外同类分接开关的先进技术，扬长避短，研发出技术性能先进、具有自主知识产权的可用于500kV输变电线路的大容量组合式CMDⅢ1000型有载分接开关。该分接开关适用于额定电压为35~220kV，最大额定通过电流为三相1000A、单相最大3000A，频率为50或60Hz的电力变压器在带负载状况下变换调压绕组的分接位置，以达到调压的目的。其中三相分接开关用于Y接中性点调压，单相分接开关可用于任意的调压方式。
图1 CMD大容量分接开关
一、CMDⅢ1000型有载分接开关技术参数
适用于500kV超高压输变电线路调压用CMDⅢ1000大容量有载分接开关技术参数如表1所示：
表1 CMDⅢ1000型有载分接开关技术参数
序 | 分 类 特 征 | 类 别 | |||||||||||
CMDⅢ 1000 | CMDⅠ1000 | CMDⅠ1600 | CMDⅠ2400 | CMDⅠ3000 | |||||||||
1 | 最大额定通过电流/A | 1000 | 1000 | 1600 | 2400 | 3000 | |||||||
2 | 额 定 频 率 / Hz | 50、60 | |||||||||||
3 | 相 数 和 联 结 方 式 | 三相Y接 | 单相任意连接方式 | ||||||||||
4 | 最 大 额 定 级 电 压/ V | 4000 | |||||||||||
5 | 额 定 级 容 量 / kVA | 2500 | 2500 | 3250 | 4000 | 6000 | |||||||
6 | 承受短路能力/ kA | 热稳定/ 3秒rms | 15 | 15 | 24 | 30 | 36 | ||||||
动稳定/ 峰值 | 37.5 | 37.5 | 60 | 75 | 90 | ||||||||
7 | 工 作 位 置 数 | 不带转换选择器：最多18个，带转换选择器：最多35个 | |||||||||||
8 | 分接开 关 绝 缘 水 平 | 额 定 电 压 / kV | 60 | 110 | 150 | 220 | |||||||
设备最高工作电压/kV | 72.5 | 126 | 170 | 252 | |||||||||
工频耐压/ kV50Hz1min | 140 | 230 | 325 | 460 | |||||||||
冲击耐压/ kV 1.2/50μS | 350 | 550 | 750 | 1050 | |||||||||
9 | 分 接 选 择 器 | 按绝缘水平分为三种尺寸，编号C、D、E | |||||||||||
10 | 机 械 寿 命 | ≥ 100万次 | |||||||||||
11 | 电 气 寿 命 | ≥ 30万次 | |||||||||||
注：1）CMDⅠ3000须变压器三路并联线圈强制分流；
2）由于换流变压器直流偏磁，变压器过激磁运行，最大额定级电压可能超过额定值的10%；
二、CMDⅢ1000型有载分接开关性能与结构特点
1、结构特点
CMDIII1000大容量有载分接开关在结构上继承了华明公司精品CMD型分接开关所有优点：
1）采用当今先进的头部传入、筒外布轴、中部传动的传动方式。绝缘转轴长度与直径的选取不受限制，始终浸在干净的变压器油中，无需用均压零部件，也保证足够的绝缘裕度。
2）头部传动齿轮不在头盖上，分接开关吊芯检修不须拆卸水平传动轴。复装后无需进行旋转差数的联结校验，减少维修工作量。
3）分接选择器借用华明公司CMD型精品分接开关的分接选择器筒式结构、“外部引线，内部套轴”的轴型、整体式中心柱结构及半封闭式级进传动结构，其结构新颖、性能优良，零部件通用性和标准化程度高。
2、性能特点
1）大容量结构单相化，大电流采取触头直接并联增容或变压器相应的分流措施
CMD型三相分接开关最大额定通过电流为1000A，单相分接开关两路触头并联增容为1600A，三路触头并联增容为2400A。当变压器绕组三路强制分流时，单相分接开关最大电流可达3000A。
2）采用四电阻串联双断口过渡电路、“2-3-2”触头变换程序（见图2）
图2 四电阻过渡切换开关的触头变换过程(R2=mR1)
[next]
K1、K6--主通断触头；K2、K3、K4、K5--过渡触头；R1、R2--过渡电阻；Us--级电压；
CMDIII1000型分接开关采用串联双断口过渡电路。它将四电阻过渡电路上的单断口改为双断口，在电路上两个断口相互串联，构成“串联双断口”，如图3所示。
K1、K6--主通断触头；K2、K3、K4、K5--过渡触头；R1、R2--过渡电阻；Us--级电压；
CMDIII1000型分接开关采用串联双断口过渡电路。它将四电阻过渡电路上的单断口改为双断口，在电路上两个断口相互串联，构成“串联双断口”，如图3所示。
图3 四电阻串联双断口过渡电路
串联双断口开断时，其每个断口上均有电弧产生。当电流过零点后，只有在两个断口同时重燃，才能重新起弧，显然这比单断口要困难得多，所以增强了灭弧能力。图3四电阻串联双断口过渡电路
串联双断口的特点是每个断口的恢复电压仅为单断口恢复电压的一半。因此，能有效降低触头断口间的恢复电压，适用4000V及以上级电压。由于串联双断口通过相同的工作电流，所以两个断口触头烧损基本相同。于是，机构的运行可以长期保持平衡。
串联双断口开断时，其每个断口上均有电弧产生。当电流过零点后，只有在两个断口同时重燃，才能重新起弧，显然这比单断口要困难得多，所以增强了灭弧能力。图3四电阻串联双断口过渡电路
串联双断口的特点是每个断口的恢复电压仅为单断口恢复电压的一半。因此，能有效降低触头断口间的恢复电压，适用4000V及以上级电压。由于串联双断口通过相同的工作电流，所以两个断口触头烧损基本相同。于是，机构的运行可以长期保持平衡。
[next]
3）分接开关级间采用ZnO压敏电阻的过电压保护
ZnO压敏电阻电作为分接开关级间的过电压保护系统(图4)，适用于预计会频繁地发生过电压梯度的场合。由于ZnO压敏电阻与过渡电阻相串联的，所以它也会长期地承受着级电压。不过，由于级电压在该电阻上产生的电损耗可以忽略不计。因为ZnO压敏电阻的保护水平是按级电压的工作工频电压的15～20倍设计的。当过电压袭来时，ZnO压敏电阻迅速参与过电压过程，击穿后表现出很大的电导图4ZnO压敏电阻
3）分接开关级间采用ZnO压敏电阻的过电压保护
ZnO压敏电阻电作为分接开关级间的过电压保护系统(图4)，适用于预计会频繁地发生过电压梯度的场合。由于ZnO压敏电阻与过渡电阻相串联的，所以它也会长期地承受着级电压。不过，由于级电压在该电阻上产生的电损耗可以忽略不计。因为ZnO压敏电阻的保护水平是按级电压的工作工频电压的15～20倍设计的。当过电压袭来时，ZnO压敏电阻迅速参与过电压过程，击穿后表现出很大的电导图4ZnO压敏电阻
图4 ZnO压敏电阻
率，使ZnO压敏电阻上出现的残压不致于过高，如图5所示对带有ZnO压敏电阻级间保护装置的切换开关，进行保护特性试验，输入冲击电压大于100kV时响应，残压约为80kV。一旦级间过电压保护过电压衰减后，加在ZnO压敏电阻只有一个工频级电压时，
率，使ZnO压敏电阻上出现的残压不致于过高，如图5所示对带有ZnO压敏电阻级间保护装置的切换开关，进行保护特性试验，输入冲击电压大于100kV时响应，残压约为80kV。一旦级间过电压保护过电压衰减后，加在ZnO压敏电阻只有一个工频级电压时，
图5 ZnO压敏电阻保护特性试验
ZnO压敏电阻的电导率突然下降而将工频续流限制到很小数值。这里ZnO压敏电阻和阀门一样起着自动节流的作用，从而阻止在极陡的过电压负荷下电压超荷。
非线性电阻器在限制过电压上没有延滞并可连续动作，能防止发生高于按非线性电阻器特性选定的保护水平的电压过高。而火花间隙响应延时，所以不能避免电压过高。因此，它比火花间隙保护特性具有更大优越性。早期阶段，非线性电阻器是用碳化硅(SiC)元件，目前引用了大功率的氧化锌(ZnO)压敏电阻。图6为氧化锌压敏电阻、碳化硅元件和线性电阻器三者的电流—电压特性曲线，为了便于更好地比较，各种电阻器的曲线都以工作点7500V／100A(75Ω)定尺，使三条曲线都汇结于此点。由图6可知，ZnO以其独特的非线性特性而显示出明显的优越性。
图6 线形和非线性电阻伏安特性曲线
4）分接绕组电位连结
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有载调压的方式与基本调压电路有着密切的相关，在正反调压和粗细调压的方式中，转换选择器是在不增加变压器分接头时用于扩大调压范围的。转换选择器的操作是在分接开关的“中间位置”上，即分接选择器处在“K”位置(图6)上进行。在“中间”位置上负载电流不流过分接绕组。在这个操作过程中，分接绕组瞬间与主绕组分离，分接绕组电位悬浮。分接绕组的悬浮电位取决于相邻绕组的电压以及分接绕组与相邻绕组和与对地部分之间的耦合电容，并与分接绕组同主绕组接通时的电位不同。为此在转换选择器操作时，打开和闭合的触头间将会产生火花放电并出现气体形成的问题。为了避免因放电使绝缘强度出现问题和气体的大量生成，必须采取特殊的防备措施，最常用是采用电位电阻连接来解决这个问题，如图7中的电位电阻恒定连接和借助电位开关连接的两种方式。
有载调压的方式与基本调压电路有着密切的相关，在正反调压和粗细调压的方式中，转换选择器是在不增加变压器分接头时用于扩大调压范围的。转换选择器的操作是在分接开关的“中间位置”上，即分接选择器处在“K”位置(图6)上进行。在“中间”位置上负载电流不流过分接绕组。在这个操作过程中，分接绕组瞬间与主绕组分离，分接绕组电位悬浮。分接绕组的悬浮电位取决于相邻绕组的电压以及分接绕组与相邻绕组和与对地部分之间的耦合电容，并与分接绕组同主绕组接通时的电位不同。为此在转换选择器操作时，打开和闭合的触头间将会产生火花放电并出现气体形成的问题。为了避免因放电使绝缘强度出现问题和气体的大量生成，必须采取特殊的防备措施，最常用是采用电位电阻连接来解决这个问题，如图7中的电位电阻恒定连接和借助电位开关连接的两种方式。
图6 W操作期间“悬浮”状态
5）分接开关局部放电量小
分接开关局部放电量低于IEC标准50pC的规定，经检测仅为10pC。
6）调压范围广、分接位置多
交流电力变压器调压范围以±8×1.25%(10193W)；换流变压器不仅要考虑电源电压波动，还要考虑直流系统压降。因此，网侧分接开关的调压范围取较为宽广，调压范围以±15×1.25%(16311W)为宜。
三、换流变选用CMDIII1000大容量有载分接开关应注意的事项
高压直流输电系统中的主要机组是换流器变压器，换流变压器在换流过程中的功能是“变压”和“裂相”，与换流阀组一道，在交流电网和直流线路之间起连接和协调作用，将功率由交流系统传输到直流系统。为了适应换流器的工作条件，换流变压器具有一系列独特的性能，这使得换流变压器与电力变压器有所不同，因此换流变在选用有载分接开关时应遵循下述原则调整所选用分接开关的额定值。
1、分接开关最大额定通过电流的选择
考虑到换流变压器的电流中含有高次谐波分量、过载电流等因素的作用，额外增加分接开关负载电流的过载能力，CMD型分接开关要按70%的降容限度内使用。因此，选用分接开关最大额定通过电流应考虑留有一定的裕度。
2、分接开关级电压和级容量
考虑到分接开关电弧触头断口处的恢复电压含有高次谐波分量，会影响电弧重燃。因此，分接开关级电压原则上要按允许最大级电压下降级(90%～95%)和所允许开断容量下使用。且过渡电阻匹配应谨慎考虑触头上呈现恢复电压值限制在所允许触头开断强度范围之内。
3、检修换油周期
分接开关应配置在线净油装置辅助设备，检修换油周期大于10万次。
四、结束语
CMDⅢ1000型大容量有载分接开关于2006年8月～10月进行型式试验，并通过各项型式试验考核。2006年在北京由国家发改委牵头、机械工业联合会和国电公司参加500kV超高压的交直流输电变压器配套分接开关国产化研讨汇报会上，华明公司汇报产品自主研制过程和技术创新点，得到与会专家代表的认可赞同。同时，与会专家代表还提出进一步完善化的宝贵意见。
2007年8月研发的CMDⅢ1000/252有载分接开关通过机械工业联合会和国网公司、南网公司的行业鉴定。于会领导和专家一致认为分接开关的调压设备必须国产化，要打破跨国公司的核心技术的垄断，华明公司具有自主知识产权、高性价比的可用于500kV超高压大容量分接开关符合IEC60214-1-2003和GB10230.1-2007《分接开关第1部分：性能参数和试验方法》标准规定的要求，填补国内空白，可替代进口，并尽快投入批量生产。
今年CMDⅢ1000型有载分接开关以优越的性价比在塔吉克斯坦500kV交流输电线路调压装置的国际招标中一举中标，研制的新型CMDⅠ2400/252D-10193W产品己在沈变的500kV自耦电力变压器上装配，并完成变压器出厂试验的考核。
参 考 文 献
1. 科雷默尔著. 有载分接开关原理和应用. 沈祖俊译. 沈阳： 辽宁科学技术出版社，2000.
2. 张德明. 变压器分接开关选型与使用. 北京： 中国电力出版社，2006.
3． IEC60214-1 Tap-changers－Part 1：Performance requirements and test methods (2003)
4. IEC60214-2 Tap-changers－Part 2：Application guide (2004)
5． MR. Technical Data：General part TD61. Germany.
6. 张德明. 超高压、特高压变压器和GIT调压装置的发展趋势. 上海电器技术.2006.No3.11～16.