双断口真空断路器开断特性的试验与仿真研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)武汉大学电气工程学院 作者:舒胜文

  为分析双断口真空断路器的开断特性,建立了双断口真空断路器的合成开断试验平台和基于一种改进真空电弧模型的电磁暂态仿真平台。对开断电流、电弧电压、燃弧时间和瞬态恢复电压(transient recovery voltage, TRV)分配比例等参数进行了试验测量,通过仿真诊断等离子体参数,对试验结果进行了机理分析。结果表明:过长的燃弧时间会导致过大的燃弧能量和转移电荷,可能使电弧发生集聚;高压断口的延迟分闸会造成弧后残余等离子体特性的差异,从而加剧双断口真空断路器TRV 分配的不均匀性;这2 种情况均不利于开断。此外,双断口真空断路器均压电容的取值除了考虑TRV 均匀分布外,还应兼顾弧后阴极表面电场分布的一致性,过大的均压电容反而不利于开断。因此,燃弧时间及其同步控制和合理均压电容值的选取是双断口真空断路器成功开断的关键。

  引言

  目前,在110 kV 及以上电压等级的电力系统中,SF6 断路器占主导地位。然而,SF6 气体是主要的温室效应气体之一,已被《京都议定书》限制使用,故研究可替代SF6 断路器的环保型高压断路器日益紧迫。真空断路器采用真空作为绝缘和灭弧介质,具有熄弧能力强、体积小、重量轻、使用寿命长、无火灾爆炸危险、不污染环境等许多优点,广泛应用于10~35 kV 配电系统中。然而,由于真空间隙的击穿电压和间距之间的饱和效应,开发更高电压等级的单断口真空断路器十分困难。为此,双断口或多断口技术被证实是一种将真空断路器推向更高电压等级的有效途径。

  大电流开断特性是双断口及多断口真空断路器的核心研究内容。由杂散电容造成的双断口及多断口真空断路器的瞬态恢复电压(transient recovery voltage,TRV)分配不均匀给其开断性能带来了不利的影响。参文的研究表明,双断口真空断路器开断大电流后,高压断口承担的TRV 可高达总TRV 的70%左右,3 断口真空断路器则能达到60%左右。提高双断口及多断口真空断路器TRV 分配均匀性的主要措施是并联均压电容。参文采用2 种不同触头结构的真空灭弧室进行串联,发现即使并联了均压电容,大电流开断后的TRV 分配仍可能不够均匀,并指出这可能是流过2 个真空灭弧室的弧后电流不同导致的。参文的研究表明,均压电容>1 500 pF 后,反而会降低双断口真空断路器的开断性能。参文的研究表明,高压断口延迟2 ms 开断时,均压电容反而降低了双断口真空断路器的开断性能。

  虽然国内外在双断口及多断口真空断路器的开断特性方面取得了一些研究成果,但仍有许多问题待解决,例如:非同期开断导致TRV 分布不均匀的机理,均压电容的取值等。为此,本文采用2 个40.5 kV 真空灭弧室进行串联构建了双断口真空断路器模型。首先,在高压大容量合成试验回路上开展了双断口真空断路器的开断试验,对开断电流、电弧电压、燃弧时间和TRV 分配比例等关键参数进行了测量;然后,基于前期提出的一种改进真空电弧开断模型,对某些弧后等离子体参数进行了仿真,进而对相关的试验结果进行了解释;最后,讨论了燃弧时间对真空断路器开断性能的影响,并综合TRV 均匀分布、降低重燃后的暂态过程以及弧后阴极表面电场均匀分布等依据对均压电容的取值进行了分析。

  1、开断试验

  1.1、试验条件

  1.1.1、试验模型

  双断口真空断路器的试验模型由2 个额定电压为40.5 kV、额定短路开断电流为31.5 kA 的商用真空灭弧室采用平行直立布置方式串联组成。采用武汉大学的110 kV、63 kA 振荡型合成试验系统,建立了双断口真空断路器的合成开断试验平台,试验回路如图1 所示。由于要讨论燃弧时间及其差异对双断口真空断路器开断特性的影响,所以要求燃弧时间能够精确控制。为此,真空灭弧室采用永磁操动机构控制,独立动作,并由光纤传输控制信号,保证动作分散性在±0.5 ms 以内。

双断口真空断路器的合成开断试验回路

图1 双断口真空断路器的合成开断试验回路

  4、结论

  1)过长的燃弧时间会导致燃弧期间的转移电荷和燃弧能量过大,使真空电弧发生集聚,降低真空断路器的开断性能;在保证电流过零时开距能足够耐受TRV 的前提下,应尽量缩短燃弧时间。

  2)双断口真空断路器开断大电流后的TRV 分配特性由电弧控制阶段逐渐向介质控制阶段过渡。高压断口的延迟分闸会导致2 个串联真空灭弧室弧后等离子体特性存在差异,进一步加剧TRV 分配的不均匀性,同时会导致2 个串联真空灭弧室介质恢复特性及电寿命存在差异,并最终降低整个双断口结构的开断性能及使用寿命。

  3)均压电容的取值除了考虑TRV 均匀分布外,还应兼顾弧后阴极表面电场分布的一致性。均压电容值不宜过大,能足够保证TRV 分配较均匀即可。因此,燃弧时间及其同步控制和合理均压电容值的选取是双断口真空断路器成功开断的关键。

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