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    雙斷口高壓真空斷路器開斷特性的試驗與仿真研究發布時間:2019-03-26 14:32:15?|?來源:浙江誠高高壓電氣有限公司

    為分析雙斷口真空斷路器的開斷特性,建立了雙斷口真空斷路器的合成開斷試驗平臺和基于一種改進真空電弧模型的電磁暫態仿真平臺。對開斷電流、電弧電壓、燃弧時間和瞬態恢復電壓(transient recovery voltage, TRV)分配比例等參數進行了試驗測量,通過仿真診斷等離子體參數,對試驗結果進行了機理分析。結果表明:過長的燃弧時間會導致過大的燃弧能量和轉移電荷,可能使電弧發生集聚;高壓斷口的延遲分閘會造成弧后殘余等離子體特性的差異,從而加劇雙斷口真空斷路器TRV 分配的不均勻性;這2 種情況均不利于開斷。此外,雙斷口真空斷路器均壓電容的取值除了考慮TRV 均勻分布外,還應兼顧弧后陰極表面電場分布的一致性,過大的均壓電容反而不利于開斷。因此,燃弧時間及其同步控制和合理均壓電容值的選取是雙斷口真空斷路器成功開斷的關鍵。


    一、引言:


    目前,在110 kV 及以上電壓等級的電力系統中,SF6 斷路器占主導地位。然而,SF6 氣體是主要的溫室效應氣體之一,已被《京都議定書》限制使用,故研究可替代SF6 斷路器的環保型高壓斷路器日益緊迫。真空斷路器采用真空作為絕緣和滅弧介質,具有熄弧能力強、體積小、重量輕、使用壽命長、無火災爆炸危險、不污染環境等許多優點,廣泛應用于10~35 kV 配電系統中。然而,由于真空間隙的擊穿電壓和間距之間的飽和效應,開發更高電壓等級的單斷口真空斷路器十分困難。為此,雙斷口或多斷口技術被證實是一種將真空斷路器推向更高電壓等級的有效途徑。


    大電流開斷特性是雙斷口及多斷口真空斷路器的核心研究內容。由雜散電容造成的雙斷口及多斷口真空斷路器的瞬態恢復電壓(transient recovery voltage,TRV)分配不均勻給其開斷性能帶來了不利的影響。參文的研究表明,雙斷口真空斷路器開斷大電流后,高壓斷口承擔的TRV 可高達總TRV 的70%左右,3 斷口真空斷路器則能達到60%左右。提高雙斷口及多斷口真空斷路器TRV 分配均勻性的主要措施是并聯均壓電容。參文采用2 種不同觸頭結構的真空滅弧室進行串聯,發現即使并聯了均壓電容,大電流開斷后的TRV 分配仍可能不夠均勻,并指出這可能是流過2 個真空滅弧室的弧后電流不同導致的。參文的研究表明,均壓電容>1 500 pF 后,反而會降低雙斷口真空斷路器的開斷性能。參文的研究表明,高壓斷口延遲2 ms 開斷時,均壓電容反而降低了雙斷口真空斷路器的開斷性能。


    雖然國內外在雙斷口及多斷口真空斷路器的開斷特性方面取得了一些研究成果,但仍有許多問題待解決,例如:非同期開斷導致TRV 分布不均勻的機理,均壓電容的取值等。為此,本文采用2 個40.5 kV 真空滅弧室進行串聯構建了雙斷口真空斷路器模型。首先,在高壓大容量合成試驗回路上開展了雙斷口真空斷路器的開斷試驗,對開斷電流、電弧電壓、燃弧時間和TRV 分配比例等關鍵參數進行了測量;然后,基于前期提出的一種改進真空電弧開斷模型,對某些弧后等離子體參數進行了仿真,進而對相關的試驗結果進行了解釋;最后,討論了燃弧時間對真空斷路器開斷性能的影響,并綜合TRV 均勻分布、降低重燃后的暫態過程以及弧后陰極表面電場均勻分布等依據對均壓電容的取值進行了分析。


    二、開斷試驗:


    雙斷口真空斷路器的試驗模型由2 個額定電壓為40.5 kV、額定短路開斷電流為31.5 kA 的商用真空滅弧室采用平行直立布置方式串聯組成。采用武漢大學的110 kV、63 kA 振蕩型合成試驗系統,建立了雙斷口真空斷路器的合成開斷試驗平臺,試驗回路如圖1 所示。由于要討論燃弧時間及其差異對雙斷口真空斷路器開斷特性的影響,所以要求燃弧時間能夠精確控制。為此,真空滅弧室采用永磁操動機構控制,獨立動作,并由光纖傳輸控制信號,保證動作分散性在±0.5 ms 以內。


    三、結論:


    1)、過長的燃弧時間會導致燃弧期間的轉移電荷和燃弧能量過大,使真空電弧發生集聚,降低真空斷路器的開斷性能;在保證電流過零時開距能足夠耐受TRV 的前提下,應盡量縮短燃弧時間。


    2)、雙斷口真空斷路器開斷大電流后的TRV 分配特性由電弧控制階段逐漸向介質控制階段過渡。高壓斷口的延遲分閘會導致2 個串聯真空滅弧室弧后等離子體特性存在差異,進一步加劇TRV 分配的不均勻性,同時會導致2 個串聯真空滅弧室介質恢復特性及電壽命存在差異,并最終降低整個雙斷口結構的開斷性能及使用壽命。


    3)、均壓電容的取值除了考慮TRV 均勻分布外,還應兼顧弧后陰極表面電場分布的一致性。均壓電容值不宜過大,能足夠保證TRV 分配較均勻即可。因此,燃弧時間及其同步控制和合理均壓電容值的選取是雙斷口真空斷路器成功開斷的關鍵。

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