550kV快速断路器气流场仿真与开断性能

王永 ,马宗骏

371202198902232412 37082819851017103  山东电工电气日立高压开关有限公司  250100

摘要：着国民经济的迅速增长，我国电网规模不断扩大，系统短路电流水平逐年升高，过大的短路电流会对电力系统的安全稳定运行以及电气设备产生危害，已成为电力系统安全运行的瓶颈。为避免较大短路电流带来的一系列危害，必须将短路电流水平限制在安全裕度以内。

关键词：快速断路器；灭弧室；电弧温度；气流特性；开断性能；仿真

引言

断路器是电力系统中最重要的控制和保护设备之一，在电力系统中起着至关重要的作用。随着电力负荷水平的不断提升，造成了短路容量与短路电流不断增大，高电压等级快速真空断路器成为断路器领域的热点研究方向。真空断路器具有环保、体积小、动作速度快且可靠性高等优点，由于真空间隙的击穿电压与间隙长度存在饱和效应，为了保持真空短间隙的优良特性，通常采用多个真空灭弧室串并联的方案，即多断口真空断路器。同时，传统断路器存在开断时间长的缺点，固有分闸时间为25~80ms，使50Hz的电力系统承受较大的短路电流冲击，因此，基于电磁斥力原理实现数毫秒分闸的快速操作机构逐渐得到广泛应用。

1快速真空断路器结构

550kV快速真空断路器包含了固封单极、快速操动机构、控制单元、缓冲单元、机构箱。机构箱采用内嵌角钢支架，增强其刚度要求，支撑三相固封单极和悬挂三相快速操动机构，整机简单且紧凑。固封单极采用固封浇铸技术、将真空灭弧室、上下出线座等一次主导电回路浇铸于环氧树脂中，固封极柱技术的应用，使真空灭弧室免受外界恶劣环境（灰尘、潮气等）的影响，提高了其耐气候性及绝缘效果。快速操动机构采用斥力盘+单稳态永磁机构+分闸簧一体化设计；双线圈斥力机构是由两线圈盘串联，提高了斥力机构的能量转换效率，相比线圈感应铜盘式结构提升斥力作用距离；永磁机构衔铁采用T结构，间接增大了磁回路面积，增加了合闸保持力；快速操动机构通过4根支柱悬挂于机构箱顶盖上面，通过柔性联轴节与固封极柱连接。为了降低合闸弹跳和分闸过冲，每相机构配备一个缓冲器组件。快速操动机构需要一整套控制器单元控制其分合闸，控制器采用大功率晶闸管进行控制电容放电以驱动机构动作，结构小巧，机构分闸采用弹簧辅助，可降低分闸电容电压，避免机构分闸中途卡滞。

2真空断路器故障原因

第一，由于过流保护不能独立退出，导致快速断开时不能进行实际的大电流测试。第二，柱上真空断路器过电流有200A、400A和630A，因为要考虑到变电站和客户协调，很多级柱上真空断路器的定值都是相同的。所以，开关动作没有选择性，动作时间上下级一致，从而导致选择动作不准确、跳闸(越级跳闸)等问题。第三，柱上真空断路器次级导线连接插座长度大，放置时，插座与地板相接触，容易造成故障。第四，断路器自身的密封件严重老化，无法达到密封性，容易漏水、进水，导致设备机械转动部分生锈、卡涩、二次保护端子潮湿、短路等问题。此外，真空断路器需要在室外的架空线路上安装，工作环境恶劣。我国幅员辽阔，南北温差大。冬季，北部地区的户外温度通常会降至-10℃，有些地区甚至会降至-40℃。真空断路器在低温环境下不会发生气体液化，但如果环境温度过低，会对其力学性能造成一定影响。低温地区柱上真空断路器与传统结构不同，其操作装置及各运动部位润滑剂均需经过低温测试，以符合产品力学性能。同时，应采用专用油脂，严禁使用低温2号、工业黄油、凡士林，而断路器密封、缓冲垫等，而应选用三元乙丙橡胶等耐低温材料。此外，深沟球轴承、润滑油缓冲装置等设备也需要特别加工。

3550kV快速断路器气流场仿真与开断性能分析

3.1气流特性

喷口内气流速度与电弧冷却效率密切相关，对断路器弧后介质绝缘强度恢复速度的作用明显。不同燃弧时间开断时电流过零时刻轴向速度的轴向分布曲线，图中曲线左端为动弧触头端部，曲线右端为静弧触头端部。从图中可以看出，轴向速度分布存在速度零点，这是因为在喷口上游即压气室出口位置存在一个气体滞止区，气流分别吹向动弧触头和大喷口下游。16ms燃弧工况在动弧触头与大喷口喉部气流速度最大可达1700m/s，由前文温度特性分析可知，在静弧触头端部聚集了大量高温等离子体，导致静弧触头端部气流速度骤降。随着燃弧时间增加气体流速增大，6ms熄弧时刻的轴向气流速度最大值为600m/s，小于7ms熄弧时刻的800m/s。

3.2真空断路器寿命分析

真空断路器寿命包括储存寿命、机械寿命和电寿命。（1）储存寿命，一般为20年。（2）机械寿命，以开断次数计算，可以高达上万次。（3）电寿命，由开断电流的次数和开断时的电流大小共同决定，短路时的开断电流次数仅为机械寿命的千分之几。机械寿命和电寿命比较，由较小的决定断路器寿命。断路器实际运行数据表明，机械寿命比电寿命长。

3.3温度特性

电流零区电弧电导变化是判断断路器热开断能力的重要指标，而电弧等离子体电导率是温度和压强的函数，因此有必要对电流零区温度特性进行分析。不同燃弧时间下。4ms、5ms熄弧时刻，压气室无法提供足够的吹弧压强，电弧轴向扩展速度很小，大量高温气体仍存在于动弧触头喉部，只有少量气体被吹向大喷口下游。而6ms、7ms熄弧时刻，吹弧效果要优于4ms、5ms工况，大量高温气体被吹向空心弧触头和大喷口的下游，电弧半径收缩。11.5ms和16ms熄弧时刻，强烈气吹带走大量高温气体，电弧半径在喷口上游处强烈收缩，但长时间燃弧导致静弧触头端部仍聚集大量高温等离子体。

4结论

文中基于多断口串联技术，采用气体绝缘罐式结构设计了550kV快速真空断路器，并开展对地及端间绝缘、温升的仿真计算及试验研究，得到如下结论：1)在SF6相对气压0.4MPa(20℃时)下，所有断口处于合位时，最大场强在快速开关进出线处的屏蔽罩上，通过优化屏蔽罩结构尺寸，最大场强为19.5kV/mm，对地绝缘拉杆与绝缘筒最大场强分别为10.3、8.4kV/mm，符合要求。2)在SF6相对气压0.4MPa(20℃时)下，所有断口处于分位时，最大电场强度在真空灭弧室高压端静触头端面处，为18.9kV/mm，电容、灭弧室绝缘筒、灭弧室外壳的表面电场强度最大为10.6kV/mm，符合要求。3)通过对发热与散热的优化设计后，采用热电耦合的仿真计算，得到单断口罐体的温升场分布，最高温升在真空灭弧室动静触头接触处，为50.8K，各点温升均符合标准要求。4)结合仿真计算结果，开展了绝缘和温升的试验验证，试验结果均合格，且试验温升值与仿真计算值最大偏差小于4K。

结束语

综上所述，通过上述方式，改进并降低柱上真空断路器的发生率，对提高电力系统的可靠性及供电量具有实质意义。通过大幅缩短故障维修时间，既可减少维修工人的工作量，又能降低故障率，增加设备的利用率。

参考文献

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