《基于三工位精准控制和均匀电场技术的城轨气体绝缘开关设备》

中国城市轨道交通建设年新增600公里以上,对开关设备年需求达1万台,其对开关设备的基本要求就是尺寸紧凑、可靠性高、少维护。中压气体绝缘开关设备采用微正压的气体绝缘介质并实现了设备的全绝缘、全密封,具有体积小、不受环境影响、可靠性高、维护量少等优点,是城轨领域的首选。2013年以前,中国城轨建设绝大部分采用ABB、施耐德等国外品牌设备,单台采购价约25万元,价格高昂且售后服务响应慢。

为打破国外品牌在国内城轨领域的垄断地位,许继集团有限公司在消化、吸收国外先进技术的基础上,研发了具有完全自主知识产权的40.5kV气体绝缘开关设备。项目成果主要定位于城轨领域35kV变配电系统,也可应用于电力系统配电网、发电厂、变电站等场所。

该项目的技术难点主要体现在三个方面:第一、提高三工位的控制精度及断路器的可靠性,以满足开关设备长期可靠运行的需求;第二、气体绝缘开关柜尺寸紧凑,易出现局部电场集中,在不均匀电场情况下,SF6气体绝缘性能会大幅下降,需要研究均匀电场优化设计技术;第三、国外产品并柜对地基平面度要求高,现场施工难度大,需研究新的并柜技术,以降低对现场施工条件的依赖。为攻克上述难题,项目团队通过理论研究、机械和电场仿真优化及试验验证相结合的方式进行了以下自主创新:

1)提出了模块化隔离开关操动机构的机械和电气双重控制技术。设计了双凸轮组合定位方案,提出了一种隔离开关工作状态监测方法,研制出高精度、高可靠性的模块化隔离开关操动机构,实现装配后无需调节即可达到±1mm的控制精度,解决了既有三工位开关控制误差大、可靠性低的难题。

2)提出了基于母线套管外侧固定及四段圆弧电极的电场均匀技术。创新设计了母线套管结构,提出了母线套管外侧固定技术,发明了一种四段圆弧电极,提升了绝缘性能,并实现了在低压力氮气绝缘介质下也能满足绝缘要求,攻克了气体绝缘开关设备因小型化带来的局部电场分布不均匀的难题。

3)提出了自我修正柜间配合误差的母线插接技术,创新设计了凸字形气箱,延长了并柜导体及并柜连接器,实现在现场地基平面度公差±2mm/m下也能长期可靠运行,解决了既有充气柜对现场地基施工要求高、并柜难度大的难题。

4)提出了断路器操作机构独特的凸轮负反馈设计方法,解决了操作机构动力输出特性与负载特性匹配不准确的难题,研制出了高可靠性的断路器弹簧操作机构,实现了20000次寿命免维护。

该项目共获发明专利9项,实用新型1项,发表论文5篇。2015年12月该项目通过了河南省科技成果鉴定,专家组一致认为该成果设计新颖、结构合理、技术先进、实用性强,主要指标达到国际先进水平,零表压下的N2绝缘水平达到国际领先水平。2016年3月,该项目产品获得了许昌市科学技术进步奖一等奖。

该项目产品研制成功是公司在气体绝缘开关领域的一个重大突破,该产品首先在城轨市场取得应用,先后在郑州、武汉及杭州地铁等工程中实现供货,产品以其“高可靠性、全工况、免维护”的优势受到了用户的高度评价。此外,项目产品还成功应用于电力配电、新能源、高铁等领域,已先后应用于湖南、天津电力公司、四川无电区民生工程、协鑫新能源工程、沈丹客运专线等工程,受到广大用户一致好评。截止2018年底累计完成订货4.5亿元,近3年销售额达2.9亿元,新增利润3095万元。

该项目成果打破了ABB、施耐德等国外品牌的中压气体绝缘开关设备在城轨领域的垄断地位,大幅拉低市场价格至50%以下,提升了国内中压气体绝缘开关设备的技术水平,推动气体绝缘开关行业的科技进步,具有良好的经济和社会效益。

成果说明

基于本项目技术研制的KEM-40.5气体绝缘金属封闭开关设备,具有高可靠性、免维护、小型化、全工况等优势,该产品推出后首先在城市轨道交通市场取得斩获,已先后在郑州地铁、徐州地铁、武汉地铁及杭州地铁等工程中实现成功供货。此外,该产品还成功应用于电力配电、新能源、高铁等领域,已先后应用于湖南、天津电力公司、四川无电区民生工程、协鑫新能源工程、沈丹客运专线等工程,自应用以来受到广大用户一致好评,维持了公司高端品牌形象。该产品有效打破了ABB、施耐德等国外品牌的中压气体绝缘开关设备在城市轨道交通领域的垄断,促进了

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