摘 要：介绍适用于电气化铁道牵引供电系统中切断和关合负荷电流的27.5kV负荷隔离开关的应用。
　　
　　【关键词】牵引供电系统 负荷隔离开关 应用
　　
　　
　　
　　1. 项目的提出
　　
　　在电气化铁道快速发展、电力牵引日趋增加的形势下，对电力牵引供电网系统的可靠性、免维护性要求也越来越高，在一些供电区段，如机务段、分区亭、站场、折返段等供电场所，常需要对带负荷线路进行开合操作。分两种情况：一种是可切除负载式，即先将线路中所有负载切除，消除线路中的负载电流，再利用隔离开关分断和关合。另一种是不可切除负载式，即线路中的负载不能或不易切除，这时线路中还有电流存在。这种情况下，首先用27.5kV户内断路器切断线路电流，再用隔离开关切断区段线路，形成明显的可见断口，之后关合断路器。恢复其它区段供电。线路关合与之相反，先断开断路器，再关合隔离开关，之后再合上断路器，恢复区段供电。第一种方式影响面小，但需要先切除负载，第二种方式，停送电操作程序复杂，操作过程时间长，且断路器的开断会影响其它区段面积停电。因此急需一种可直接开、合负荷电流，并形成明显可见断口的开关设备——负荷隔离开关。
　　
　　在国际及国内市场也有同类产品存在，国内产品由于性能不稳定，已影响了铁路的正常运营。进口产品价格高，不能完全满足国内要求。为此西安华力铁路电气公司与郑州铁路局合作开发27.5kV户外交流高压真空负荷隔离开关，以满足铁路发展需要。
　　
　　2. 27.5kV户外交流高压真空负荷隔离开关的研制
　　
　　2.1 适用范围及主要技术参数
　　
　　该负荷隔离开关的研制目的主要是替代某些接触网区段的隔离开关，并代替断路器完成开、合负荷电流的功能，以减少操作程序，减少停电面积、提高工作效率及减少投资。
　　
　　因此设计该负荷隔离开关为户外柱上安装，必须能开断和关合线路的正常负荷电流，并能集成隔离开关的功能，形成明显的可见断口。该负荷隔离开关可安装于机务段、分区亭、折返段、站场等区段供电场所，替代隔离开关安装于柱上，省去专用于切断正常负荷电流用的断路器。其额定参数如下：
　　
　　额定电压：27.5kV
　　
　　额定电流：1250A
　　
　　额定频率：50Hz
　　
　　额定有功负载开断电流：1250A
　　
　　一分钟工频耐压：95kV
　　
　　隔离断口开距：＞400mm
　　
　　动稳定电流：31.5kA
　　
　　热稳定电流：12.5 kA
　　
　　额定短路关合电流：12.5kA
　　
　　短路电流持续时间：4s
　　
　　2.2 总体布局（如图示）

　　灭弧室装于进线端的静触头上，在合闸位置时与主导电回路——静触头并联，这样保证开关具有很强的过载承受能力以及可靠的导电性（此时相当于一台关合的隔离开关）。隔离断口用隔离刀相连。带动灭弧室动作的是一快速机构，由隔离刀动作带动快速机构上的导电叉子为快速机构储能，导电叉子也在关合与开断的瞬态过程中起导通电流作用。为了使隔离刀也能快速动作，在操作隔离刀的主轴上设有一过中弹簧，保证隔离刀在开断和关合过程中转到一定角度能快速动作。
　　
　　2.3 动作原理（如图示）

　在开关处于关合状态时，电流从静触头流入，分两路，一路流过真空灭弧室—导电叉子至隔离刀（此路电流极小），另一路从静触头直接至隔离刀，从隔离刀至出线板流出。
　　
　　分断过程：主轴在电动机构的带动下转动，通过绝缘操作杆使隔离刀向上转动，隔离刀脱离静触头，电流全部经真空灭弧室—导电叉子流过，隔离刀口不起弧。隔离刀带动导电叉子继续向上运动，当其运动到一定角度（43°）时，叉子触发箱体内快速机构，带动真空灭弧室快速分断电流，电路处于开路状态。最终隔离刀上的滑轮和导电叉子在无负荷状态下分离，形成明显的可见隔离断口，完成分闸操作。
　　
　　开关的关合过程的动作顺序与开断过程相反。

　　
　　在合闸位置时，由于隔离刀口和静触头之间的线路电阻较叉子和灭弧室构成的线路电阻小得多，电流主要从隔离刀口和静触头构成的电路流过，在正常通电状态温升极小。真空灭弧室回路在隔离刀合闸状态通过的电流很小，所以本产品具有可靠的电气性能和突出的承载能力。
　　
　　2.4 零部件选型
　　
　　a. 真空灭弧室主要在开断和关合的瞬态过程中起熄弧作用。因此要求其有足够的负荷开断能力，又考虑到灭弧室在开关正常合闸时，由于有与其并联的静触头存在，所以可适当降低灭弧室的负载温升要求。这样可减小灭弧室的体积和重量，以减小开关总体体积及重量。但同时也暴露了另一问题，即灭弧室体积减小后其绝缘爬距会随着减小，这可通过一种新工艺来解决：首先作一中空的硅橡胶套筒，其外部布满大小伞群，将灭弧室装于其中，在套筒与灭弧室之间填充以硅橡胶，并利用真空泵抽去其中的气泡，保证填充的硅橡胶能与灭弧室及套筒紧密接触，然后放置24小时使其固化，这样可大大提高灭弧室的外绝缘。实践证明，这种方法切实可行，不充油、不充气、完全免维护，且对环境无污染。
　　
　　b. 过渡电流用导电叉子：由于开关于户外使用，要保证其的导电性能，这种材料首先是表面不能生锈，还由于其具有为快速机构传递力矩作用，又要求其具有较好的抗弯强度。方案1：采用铜质镀银。铜质镀银导电性能最好，但经试验，由于铜质较软，在开关进行几次分合闸操作后，会变形弯曲，造成叉子成开口状，不能保证叉子与隔离刀上轮子的良好接触，反而影响导电性能，容易引起拉弧面烧坏叉子及轮子。 方案2：采用不锈钢材质，不做表面处理。不锈钢材料没有铜材料导电性能好，长时间通电会发热严重。使用在此处，其只在隔离刀与静触头分开之后至灭弧室开断这个时间段内起导电作用，时长不足1秒，电流发热根本感觉不出，经1250A额定电流试验，开合各10次，其表面没有任何烧伤痕迹，表明选用不锈钢材料完全可行。
　　
　　c. 绝缘子：为便于户外柱上安装，减小开关重量，开关所选用的绝缘子均采用玻璃纤维棒外包硅橡胶的绝缘子。玻璃纤维棒抗拉及抗弯强度极高，耐冲击。硅橡胶绝缘材料是近几年发慌起来的新型绝缘材料，其突出特点是绝缘性能好，耐污、重量轻，现已普便在户外使用作为绝缘材料。选用于此处可不仅可减轻开关重量，提高绝缘水平，也可使保证开关在运输过程中的安全和易于安装。
　　
　　2.5 试验情况
　　
　　选用以上部件研制的产品，于2001年在西安高压电器试验研究所一次通过所有型式试验，整个试验过程稳定、可靠，所有项目达到了相关标准和产品技术文件的要求。
　　
　　3. 现场安装及试运行
　　
　　在机务段、站场及折返段，其可直接替代隔离开关位置安装于户外柱上或户内墙上，直接切断和关合正常负荷电流，而不需断路器动作，安装于分区亭时可替代切负荷用断路器与隔离开关组合，直接对线路进行分、合操作。该开关自2002年4月在洛阳北供电段西疏解区挂网试运行以来，进行多次操作，表明性能可靠。
　　
　　4. 应用前景
　　
　　本开关为户外柱上安装高压开关设备，由开关本体、操作连杆和手动或电动机构组成，可广泛应用于机务段、分区亭、站场、折返段等供电场所，可简化操作程序、提高工作效率、减少设备投资及维护费用。同时对电气化铁路进行改造，对接触网进行分段，该开关作为分段控制的开关设备，应用前景十分广阔。另外，俄罗斯和印度自现在起到2010年分别计划新建电气化铁路7000~8000公里，对该产品的需求较大，因此，后期可出口扩展国际市场。