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雙斷口真空斷路器配合特性仿真與試驗(yàn)

大連理工大學(xué)電氣工程學(xué)院、吉林省電力科學(xué)研究院的研究人員葛國(guó)偉、廖敏夫、黃金強(qiáng)、段雄英、蘇闊、鄒積巖,在2016年第22期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》上撰文,針對(duì)目前多斷口真空斷路器多采用并聯(lián)均壓電容,均壓可能存在運(yùn)行隱患的問(wèn)題,通過(guò)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(kāi)斷能力。

基于真空電弧連續(xù)過(guò)渡模型建立了雙斷口真空斷路器仿真模型,通過(guò)仿真與合成回路試驗(yàn),研究了不同燃弧時(shí)間、不同期性和不同組合方式對(duì)開(kāi)斷能力的影響。仿真得到橫縱組合方式具有最強(qiáng)的開(kāi)斷能力,且非同期動(dòng)作(高壓側(cè)滯后動(dòng)作)具有更強(qiáng)的開(kāi)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(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了仿真結(jié)果,并且證明了雙斷口真空斷路器非同期動(dòng)作存在電壓分布反轉(zhuǎn)和開(kāi)斷突變區(qū)間。最后得到雙斷口真空斷路器優(yōu)化方案——對(duì)真空滅弧室的優(yōu)化和非同期間隙的最佳配合,實(shí)現(xiàn)自均壓效果進(jìn)而取締均壓電容,為多斷口真空斷路器的發(fā)展提供了新的思路與方法。

隨著國(guó)家堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)建設(shè)的需要和環(huán)境保護(hù)的要求,智能、可靠、清潔的電力設(shè)備受到越來(lái)越多的關(guān)注[1]。在中低壓領(lǐng)域,真空斷路器以其優(yōu)越的滅弧性能,可靠、環(huán)保和無(wú)維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)占據(jù)主導(dǎo)地位[2]SF6在高壓領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,但SF6是溫室氣體,京都議定書(shū)和歐盟禁氟令都提出嚴(yán)格限制SF6的使用。

多斷口真空斷路利用串聯(lián)真空短間隙優(yōu)越的滅弧性能,解決了真空長(zhǎng)間隙的絕緣飽和問(wèn)題,是未來(lái)替代SF6斷路器應(yīng)用于高電壓領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì),近年來(lái)成為高電壓電器領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[3-5]。

多斷口真空斷路器的關(guān)鍵技術(shù)是均壓?jiǎn)栴}和同期性。T. Betz等研究了均壓電容對(duì)雙斷口真空斷路器的影響,得到均壓電容可以降低暫態(tài)恢復(fù)電壓上升率和增大擊穿情況下的暫態(tài)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(lián)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(kāi)斷特性,得到均壓電容的選取有一個(gè)最佳范圍,隨著均壓電容的增大,開(kāi)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(gòu)成多斷口真空斷路器,開(kāi)關(guān)分散性小于1ms,并研究了多斷口真空斷路器的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)擊穿統(tǒng)計(jì)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(duì)同期情況下多斷口真空斷路器的特性和均壓電容對(duì)多斷口真空斷路器的影響,但對(duì)于雙斷口真空斷路器的非同期配合特性研究較少。

并聯(lián)均壓電容是多斷口真空斷路器實(shí)現(xiàn)均壓的常用措施,但并聯(lián)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(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中,絕緣劣化會(huì)造成事故發(fā)生。例如2005年重慶電力公司長(zhǎng)壽站5053號(hào)開(kāi)關(guān)的兩只均壓電容(電容量均為1 600pF)發(fā)生爆炸,所以并聯(lián)均壓電容會(huì)存在一定的隱患[14,15]

為此本文通過(guò)研究雙斷口真空斷路器非同期真空間隙和不同觸頭結(jié)構(gòu)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(jìn)而取締均壓電容的使用。

雙斷口真空斷路器仿真模型

討論分析

通過(guò)雙斷口真空斷路器的仿真與開(kāi)斷試驗(yàn),雙斷口真空斷路器在無(wú)均壓措施的情況下,電壓分布不均勻,高壓側(cè)承受電壓更高[21]。本文通過(guò)不同觸頭結(jié)構(gòu)的真空滅弧室串聯(lián)和不同間隙的配合分析與試驗(yàn)得到,在橫縱觸頭滅弧室構(gòu)成的4種組合方式中,橫縱組合方式(即高壓側(cè)采用橫磁,低壓側(cè)采用縱磁)具有最強(qiáng)的開(kāi)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(dòng)作,高壓側(cè)真空間隙小,低壓側(cè)真空間隙大,可以得到更好的電壓分布特性。試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)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(yōu)化,甚至出現(xiàn)高、低壓側(cè)電壓分布情況的反轉(zhuǎn)。

綜合考慮雙斷口真空斷路器的電壓分布與真空間隙動(dòng)態(tài)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(jié)通過(guò)仿真得到了雙斷口真空斷路器最佳間隙配合特性,由于開(kāi)斷試驗(yàn)的偶然性和重復(fù)次數(shù)較多,通過(guò)試驗(yàn)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(yàn)結(jié)果需要后續(xù)繼續(xù)驗(yàn)證。

對(duì)雙斷口真空斷路器的滅弧室進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì):高壓側(cè)滅弧室采用直徑較大的觸頭結(jié)構(gòu),以便增加其等效自電容;低壓側(cè)真空滅弧室波紋管加長(zhǎng),以便實(shí)現(xiàn)低壓側(cè)開(kāi)距大于高壓側(cè)滅弧室;開(kāi)斷過(guò)程中,高、低壓側(cè)采用非同期動(dòng)作配合,而且速度不同,高壓側(cè)后動(dòng)作且動(dòng)作速度慢,在電流過(guò)零點(diǎn)外,高壓側(cè)真空間隙小,等效自電容大,再考慮雜散電容的影響,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)雙斷口真空斷路器自均壓效果。

經(jīng)過(guò)優(yōu)化后的雙斷口真空斷路器,由于增加了高壓側(cè)等效自電容,進(jìn)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(shí)現(xiàn)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(qiáng)的開(kāi)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(jìn)而取締均壓電容,得到較強(qiáng)的開(kāi)斷能力。

結(jié)論

1)在無(wú)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(gòu)成,高壓側(cè)采用橫磁真空滅弧室,低壓側(cè)采用縱磁真空滅弧室具有較強(qiáng)的開(kāi)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(dòng)作,高壓側(cè)真空間隙小,低壓側(cè)真空間隙大,可以得到更好的電壓分布情況,能夠增強(qiáng)開(kāi)斷能力。綜合考慮電壓分布特性與真空間隙動(dòng)態(tài)絕緣強(qiáng)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(guò)試驗(yàn)與仿真驗(yàn)證了最佳間隙配合特性的存在,并通過(guò)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(guò)對(duì)雙斷口真空斷路器的滅弧室優(yōu)化設(shè)計(jì),高壓側(cè)滅弧室采用直徑較大的觸頭結(jié)構(gòu),低壓側(cè)開(kāi)距大于高壓側(cè)滅弧室,以增大高壓側(cè)真空滅弧室等效自電容,再利用最佳間隙配合控制,實(shí)現(xiàn)自均壓效果進(jìn)而取締均壓電容。

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