126kV模块化三断口真空断路器静、动态均压设计

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

  选择合适的均压电容值是多断口真空断路器开断能力的重要保证。针对126 kV 模块化三断口真空断路器,根据电位分布计算结果,分析确定采用U 型布置方式。采用有限元法计算了U 型三断口真空断路器的分布电容参数,并通过工频分压特性试验验证了计算的准确性,根据静态分压比计算结果选择了合适的静态均压电容值。建立了双断口真空断路器动态仿真模型,仿真结果表明:动态均压设计应该考虑残余电荷(residual charge,RC)的影响,其影响程度与各断口RC 参数的差异特性有关。根据暂态恢复电压分配比计算结果选择了合适的动态均压电容值。综合考虑静、动态均压要求和其他相关因素,三断口真空断路器均压电容值选取为1 000 pF,并通过合成开断试验验证了均压的有效性。

  真空和SF6 是断路器领域中应用最广泛的灭弧和绝缘介质。其中,SF6 在72.5~1 000 kV 电压等级的断路器中占据绝对优势地位;而真空断路器在40.5 kV 及以下电压等级的系统中更能发挥其优势。1997 年的日本京都会议上,SF6 被正式定为温室气体,未来的使用将受到严格限制。研究可替代SF6断路器的环保型高压断路器日益紧迫,更高电压等级的真空断路器成为目前的研究热点。

  由于真空间隙的击穿电压与间隙长度存在饱和效应,限制了单断口真空断路器的发展。多断口真空断路器可以充分利用真空短间隙的优良特性,使得真空断路器向高压、超高压发展成为可能。大连理工大学首先提出了采用光控模块式真空断路器单元串联,组成多断口真空断路器的概念,并基于目前成熟的TD-40.5/2500-31.5 商用真空灭弧室,开发了40.5 kV 光控模块式真空断路器单元样机。该样机采用模块化设计,配备永磁操动机构,采用光纤传送控制信号,可方便地进行积木式串联相应的个数组成更高电压等级的多断口真空断路器,为模块化多断口真空断路器的研究奠定了基础。文献计算了模块化三断口真空断路器的分布电容参数并进行了试验验证;文献测量了小电流,低电压合成开断试验中三断口真空断路器的电压分布;文献仿真分析了三断口真空断路器的TRV 分配特性和不同均压措施的均压效果;文献分析了双断口真空断路器TRV分配特性与弧后电流的关系;文献通过试验研究了均压电容对双断口真空断路器开断性能的影响。但目前尚无针对多断口真空断路器均压设计的详细研究。

  多断口真空断路器通常采用加装均压电容的方式提高其电压分配均匀性。但是,过高的均压电容值对开断性能的提高无益,甚至可能降低其开断性能。因此,选择合适的均压电容值对保证多断口真空断路器的开断能力至关重要。本文针对真空断路器在126 kV电压等级的应用问题,基于40.5 kV光控模块单元,对模块化三断口真空断路器静,动态均压设计进行了研究:计算了竖直型和U 型布置方式下三断口真空断路器的电压分布,同时考虑机械稳定性及实施难度等因素,选择了U 型布置方式;对U 型三断口真空断路器的分布电容参数进行了计算,并通过试验验证了计算的准确性。根据静态分压比计算结果选取了满足静态均压要求的均压电容值;考虑弧后残余电荷(residual charge,RC)的影响,建立了双断口真空断路器动态仿真模型。

  仿真分析了双断口真空断路器的瞬态恢复电压(transient recovery voltage,TRV)分配特性。根据U型三断口真空断路器TRV 分配比计算结果,选取了满足动态均压要求的均压电容值。综合分析后,U 型三断口真空断路器的均压电容值选取为1 000 pF,并通过合成开断试验验证了均压的有效性。基于上述研究开发的126 kV 三断口真空断路器样机,在西安高压电器研究院通过了40 kARMS,T100 s 的开断试验。真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为本文的研究结果可为多断口真空断路器的设计提供参考。

1、电压分布计算及结构选择

  根据光控模块单元的基本结构,首先考虑了多种可能的布置方式,如Z 型、竖直型、U 型及T 型等。经过初步的分析,本文选择竖直型和U 型作为备选方案进一步分析。

  由于杂散电容的存在,多断口真空断路器的电压分布并不均匀,对提高其开断能力极为不利,其不均匀程度与多断口的布置方式密切相关。因此,不同布置方式下的电压分布是结构选择的重要参考依据之一。

  1.1、模块化三断口真空断路器模型

  根据光控模块式真空断路器单元的实际结构,通过适当简化,建立了模块单元的三维计算模型。其结构示意图和三维模型图如图1 所示。

光控模块式真空断路器

图1 光控模块式真空断路器

  基于模块单元的三维计算模型,同时建立复合支柱绝缘子的三维计算模型,通过组合得到竖直型和U 型三断口真空断路器的计算模型,如图2 所示。

三断口真空断路器计算模型

图2 三断口真空断路器计算模型

  1.2、电压分布计算及结构选择

  在 ANSYS 软件中建模和剖分完成后,在三断口真空断路器高压端加载高电位单位1,接地端加载0 电位(对于实际值可以乘相应倍数进行换算),对屏蔽罩等悬浮电位导体进行电压自由度耦合。采用ICCG 求解器进行求解,计算得到三断口真空断路器的电位分布。根据电位分布计算结果,计算出各断口两端的电位差,进而得到各个断口的分压比,如表1 所示。

表1 竖直和U 型布置方式各断口分压比

竖直和U 型布置方式各断口分压比

  由表1 可知,2 种布置方式下断口的电压分布均很不均匀,必须采取合适的均压措施以改善断口间的电压分布特性;竖直型的电压分布较U 型更加均匀,但二者差异并不显著。由于竖直型布置的整体高度达到了4.4 m,综合考虑结构稳定性和实施难度等因素,选择U 型结构为模块化三断口真空断路器的布置方式。

2、结论

  1)对于多断口真空断路器,有限元法可得到较为准确的电压分布和分布电容参数计算结果,为多断口的结构设计和静态均压参数选择提供参考。

  2)由于RC 的存在,多断口真空断路器的TRV分配特性与静态时不同。在PAC 阶段,TRV 分配主要受断口等效阻抗的影响,该等效阻抗由各断口的RC 参数(即PAC 参数)决定。因此,多断口真空断路器宜采用PAC 分散性较小的灭弧室;同时采用高精度的操动机构,尽可能提高各断口的控制精度和同步性。

  3)在进行多断口真空断路器动态均压设计时,不仅要考虑杂散电容的影响,还需要考虑RC 参数差异可能导致的TRV 分配不均匀,其影响程度与各断口的RC 参数差异特性有关。

  4)对于126 kV 模块化三断口真空断路器,宜采用U 型布置方式。综合考虑静,动态均压的要求,均压效果的“饱和”效应和负效应等因素,U 型三断口真空断路器的均压电容值取1 000 pF。初步试验验证了设计的有效性,后续还需进一步的试验检验。

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