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        雙斷口真空斷路器配合特性仿真與試驗發布時間:2017-8-31?|?來源:上海上碩電氣有限公司

        大連理工大學電氣工程學院、吉林省電力科學研究院的研究人員葛國偉、廖敏夫、黃金強、段雄英、蘇闊、鄒積巖,在2016年第22期《電工技術學報》上撰文,針對目前多斷口真空斷路器多采用并聯均壓電容,均壓可能存在運行隱患的問題,通過研究雙斷口真空斷路器間隙,配合和不同橫磁(TMF)觸頭和縱磁(AMF)觸頭真空滅弧室組合取締均壓電容得到最佳的開斷能力。

        基于真空電弧連續過渡模型建立了雙斷口真空斷路器仿真模型,通過仿真與合成回路試驗,研究了不同燃弧時間、不同期性和不同組合方式對開斷能力的影響。仿真得到橫縱組合方式具有最強的開斷能力,且非同期動作(高壓側滯后動作)具有更強的開斷能力,并得到了雙斷口真空斷路器最佳間隙配合特性。

        試驗結果驗證了仿真結果,并且證明了雙斷口真空斷路器非同期動作存在電壓分布反轉和開斷突變區間。最后得到雙斷口真空斷路器優化方案——對真空滅弧室的優化和非同期間隙的最佳配合,實現自均壓效果進而取締均壓電容,為多斷口真空斷路器的發展提供了新的思路與方法。

        隨著國家“堅強智能電網”建設的需要和環境保護的要求,智能、可靠、清潔的電力設備受到越來越多的關注[1]。在中低壓領域,真空斷路器以其優越的滅弧性能,可靠、環保和無維護等優點占據主導地位[2]。SF6在高壓領域得到廣泛應用,但SF6是溫室氣體,京都議定書和歐盟“禁氟令”都提出嚴格限制SF6的使用。

        多斷口真空斷路利用串聯真空短間隙優越的滅弧性能,解決了真空長間隙的絕緣飽和問題,是未來替代SF6斷路器應用于高電壓領域的發展趨勢,近年來成為高電壓電器領域的研究熱點[3-5]。

        多斷口真空斷路器的關鍵技術是均壓問題和同期性。T. Betz等研究了均壓電容對雙斷口真空斷路器的影響,得到均壓電容可以降低暫態恢復電壓上升率和增大擊穿情況下的暫態電流[6]。S. Yanabu等研究了橫磁(TransverseMagnetic Field, TMF)和縱磁(Axial Magnetic Field, AMF)滅弧室組合的雙斷口真空斷路器特性,得到弧后電流的差異是造成電壓分布不均的原因[7,8]。

        黃道春等研究了多斷口真空斷路器并聯均壓電容的影響,得到了三斷口真空斷路器最佳的均壓電容范圍[9]。T. Fugel等研究了雙斷口真空斷路器的開斷特性,得到均壓電容的選取有一個最佳范圍,隨著均壓電容的增大,開斷能力有所降低[10]。

        廖敏夫等提出基于光控真空斷路器模塊構成多斷口真空斷路器,開關分散性小于1ms,并研究了多斷口真空斷路器的靜態和動態擊穿統計特性,得到多斷口真空斷路器電壓增益特性[11,12]。上述研究工作主要針對同期情況下多斷口真空斷路器的特性和均壓電容對多斷口真空斷路器的影響,但對于雙斷口真空斷路器的非同期配合特性研究較少。

        并聯均壓電容是多斷口真空斷路器實現均壓的常用措施,但并聯均壓電容一方面提高了多斷口真空斷路器的成本[13];另一方面,均壓電容在長期運行過程中,絕緣劣化會造成事故發生。例如2005年重慶電力公司長壽站5053號開關的兩只均壓電容(電容量均為1 600pF)發生爆炸,所以并聯均壓電容會存在一定的隱患[14,15]。

        為此本文通過研究雙斷口真空斷路器非同期真空間隙和不同觸頭結構滅弧室組合,得到雙斷口真空斷路器最佳的組合方式和最佳間隙配合特性,進而取締均壓電容的使用。

        圖1 雙斷口真空斷路器仿真模型


        討論分析

        通過雙斷口真空斷路器的仿真與開斷試驗,雙斷口真空斷路器在無均壓措施的情況下,電壓分布不均勻,高壓側承受電壓更高[21]。本文通過不同觸頭結構的真空滅弧室串聯和不同間隙的配合分析與試驗得到,在橫縱觸頭滅弧室構成的4種組合方式中,橫縱組合方式(即高壓側采用橫磁,低壓側采用縱磁)具有最強的開斷能力,這是由于橫磁滅弧室具有更大的等效自電容,同等條件下,此組合方式具有更高的電壓分布特性。

        在非同期情況下,由于真空滅弧室等效自電容隨著真空間隙的減小而增大,采用非同期動作,高壓側真空間隙小,低壓側真空間隙大,可以得到更好的電壓分布特性。試驗結果說明了采用此種方式的非同期配合可以得到電壓分布情況的優化,甚至出現高、低壓側電壓分布情況的反轉。

        綜合考慮雙斷口真空斷路器的電壓分布與真空間隙動態絕緣特性,采用此種方式控制雙斷口真空斷路器存在最佳的配合特性。第3節通過仿真得到了雙斷口真空斷路器最佳間隙配合特性,由于開斷試驗的偶然性和重復次數較多,通過試驗只是得到非同期最佳間隙配合特性的存在,最佳間隙配合特性的試驗結果需要后續繼續驗證。

        對雙斷口真空斷路器的滅弧室進行了特殊設計:高壓側滅弧室采用直徑較大的觸頭結構,以便增加其等效自電容;低壓側真空滅弧室波紋管加長,以便實現低壓側開距大于高壓側滅弧室;開斷過程中,高、低壓側采用非同期動作配合,而且速度不同,高壓側后動作且動作速度慢,在電流過零點外,高壓側真空間隙小,等效自電容大,再考慮雜散電容的影響,進而實現雙斷口真空斷路器自均壓效果。

        經過優化后的雙斷口真空斷路器,由于增加了高壓側等效自電容,進而得到了比較良好的分壓效果,再加以最佳間隙配合控制方法,實現雙斷口真空斷路器在不需要增加均壓措施的情況下得到較好的均壓效果和最強的開斷能力。雙真空斷路器間隙配合特性得到較好的自均壓效果,進而取締均壓電容,得到較強的開斷能力。

        5 結論

        1)在無均壓措施的情況下,雙斷口真空斷路器采用橫縱組合方式構成,高壓側采用橫磁真空滅弧室,低壓側采用縱磁真空滅弧室具有較強的開斷能力,這主要是縱磁滅弧室等效自電容比橫磁的小,采用此組合方式電壓分布效果最佳。

        2)非同期動作,高壓側真空間隙小,低壓側真空間隙大,可以得到更好的電壓分布情況,能夠增強開斷能力。綜合考慮電壓分布特性與真空間隙動態絕緣強度,在此種非同期配合的情況下存在最佳間隙配合特性,本文通過試驗與仿真驗證了最佳間隙配合特性的存在,并通過仿真得到橫縱組合方式的最佳間隙配合特性。

        3)討論分析通過對雙斷口真空斷路器的滅弧室優化設計,高壓側滅弧室采用直徑較大的觸頭結構,低壓側開距大于高壓側滅弧室,以增大高壓側真空滅弧室等效自電容,再利用最佳間隙配合控制,實現自均壓效果進而取締均壓電容。


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