12 kV SF6環網柜負荷開關轉移電流提升的研究與設計

獨田娃，徐忠秋，周 程

（大全集團，江蘇揚中 212200）

12 kV SF6環網柜負荷開關轉移電流提升的研究與設計

獨田娃，徐忠秋，周 程

（大全集團，江蘇揚中 212200）

通過實驗觀察分析了12 kV SF6環網柜負荷開關開斷過程中的電弧運動過程，對其導電回路做了優化設計，同時建立了三維模型進行了靜態磁場的計算，對比了優化前后電流密度和磁場強度的分布規律，為提高負荷開關轉移電流提供了參考。

柵片滅弧式；負荷開關；轉移電流；導電回路；電弧運動

0 引言

12 kV SF6環網柜主要用于二次配電系統，并選用性價比優異的負荷開關——限流熔斷器組合電器，配合承擔工作電流和全短路電流之間的開斷任務。在這種組合電器中，對負荷開關提出了更高的要求，它必須能分斷遠大于其額定電流的轉移電流[1]。目前，提高負荷開關的轉移電流開斷能力是行業內關心的難點問題之一。本文通過對SF6環網柜負荷開關開斷過程的實驗觀察，從電弧的運動特性出發，結合三維有限元建模及電磁分析，合理地優化了負荷開關，改善了動靜觸頭間的電磁分布及負荷開關的開斷能力，并經實驗測試證實了這一方法的有效性，為負荷開關的優化提供了參考。

1 結構簡介

本文的研究對象為柵片滅弧式SF6負荷開關，如圖1所示。其中，驅動機構用來實現負荷開關的分合閘操作，當開關分閘時，高速拉開動觸頭，引起的電弧在磁場力的作用下通過滅弧柵片冷卻分離熄滅，達到電路分離的目的[2]。

圖1 環網柜負荷開關結構示意圖

2 開斷過程分析

實驗的初步目的是觀察負荷開關開斷過程中的電弧運動特性，分析主要影響因素，為改善開斷能力提供參考。圖2所示為實驗原理圖。環網柜負荷開關連接在LC振蕩電路中，電弧電壓和電弧電流分別由高壓探頭Tektronix P6015和霍爾傳感器測量，得到的波形用示波器TektronixD?PO4032記錄。電弧運動過程由一臺高速攝影儀記錄。預期實驗電流為1 750 A（有效值）。

圖2 實驗原理圖

高速攝影儀記錄的圖像如圖3所示。由圖3可見，動觸頭剛開始拉弧階段，電弧緩緩燃燒，形態比較穩定。當動觸頭打開到一定程度，t= 23.396 ms時，動觸頭上距離靜觸頭較近的中部出現了新的弧根，取代原弧根成為主要的電流通道，導致了背后擊穿現象。t=26.837 ms時，電弧形態被充分拉展開，逐漸進入柵片。t=27.392 ms時，電弧發生擺動，又出現背后擊穿情況，示波器上反映為電弧電壓波形的振蕩。動觸頭打開后，隨著電流過零時刻的到來，電弧逐漸冷卻熄滅。

圖3 高速攝影儀記錄的圖像

開斷過程中，如果電弧背后擊穿多次發生，電流過零后，動靜觸頭間區域溫度會較高，造成介質恢復強度降低，電弧有可能出現重燃，導致負荷開關開斷失敗。所以，電弧特性對于負荷開關的開斷能力具有十分重要的影響，特別是分斷過程中的電弧運動過程，直接關系著電流過零后。電弧能否重燃，而這一過程與動靜觸頭區域的磁場分布密切相關。另外，還發現因為導電回路的設計問題及某些附件的阻擋，靜觸頭上弧根燃燒的位置比較固定，很難運動，造成局部熱量堆積，靜觸頭燒蝕嚴重，也不利于開斷。

3 優化及仿真分析

根據實驗觀察結果及分析，本文提出了優化導電回路的方法，主要改善磁場分布和電弧運動特性來提高負荷開關的開斷能力。具體方法為在靜觸頭上開設一條倒L形的細槽，如圖4所示，靜觸頭近似為長方形，上側與回路連接，開槽后改變了原來的電流流經路徑。同時，修改了一些零部件的結構，減少了外側金屬柵片的數量（由原來的14片減少為現在的11片），利于動靜觸頭間的熱量擴散。針對該優化方案，本文采用有限元軟件，進行了電磁場對比分析。

以負荷開關開斷過程中動觸頭位于總開距1/3位置時的電磁場域為分析對象。為了便于計算求解，對負荷開關模型做了適當簡化，只保留了起決定作用的關鍵部分，并將動靜觸頭之間產生的電弧用均勻固體導體代替，它的導電率是恒定的。所建立的模型如圖5所示，包括滅弧柵片、動靜觸頭和電弧弧柱。

圖4 靜觸頭修改示意圖

圖5 模型簡化圖

計算分析分成兩步進行：首先進行靜態電流傳導分析，獲得導電回路中各處的電流密度分布；其次利用求解的電流密度分布進行靜態磁場計算，得到觸頭和滅弧柵片周圍的空間磁場分布，包括各處磁通密度、磁場強度等，同時計算了電弧所受總磁吹力的大小。

圖6 電流密度矢量圖

圖6為開槽前后電流2 000 A時負荷開關觸頭及電弧上的電流密度矢量分布圖。可以看到，開槽前，電流在靜觸頭中直接由上向下經電弧流入動觸頭；而開槽后，電流流經路徑改變，在靜觸頭中先向下后向上進入電弧，所以電弧根部向斜上方的電流矢量要大于原來開槽前，而其他部分整體分布差別不大。

圖7為開槽前后電流2 000 A時負荷開關觸頭區域豎直方向的磁場強度圖。因為靜觸頭上電流流向的變化，影響了動靜觸頭間及電弧上的磁場分布，特別是弧根位置，使豎直方向上的磁場強度、磁通密度有所增大。磁場分布之所以與電弧運動過程密切相關，是因為它會影響電弧所受磁吹力的大小。利用電流密度和磁通密度將電弧各單元所受磁吹力計算出來之后求和，可得電弧整體不同方向所受磁吹力大小，結果如表1所示。可知，優化后的負荷開關，其動靜觸頭間的電弧受到的豎直向上的磁吹力增大約20%，這樣電弧更容易運動進入柵片被切割冷卻熄滅，有助于開斷性能的提高。

圖7 觸頭區域豎直方向的磁場強度圖

表1 電弧不同方向上所受的總磁吹力

4 實驗驗證

將負荷開關按優化方法修改后，又在相同的條件下做了觀察實驗，高速攝影儀記錄的圖像如圖8所示。t=16.033 ms時，電弧沿著靜觸頭側面的跑弧區迅速向上運動。t=20.915 ms時，電弧被充分拉開，大半部分進入柵片。t=21.388 ms時，出現背后擊穿現象，電弧有所回擺。然后電弧在柵片中穩定燃燒，慢慢冷卻熄滅。

對比可見，優化前后的負荷開關，動靜觸頭間的電弧運動形態差別較大，靜觸頭上的弧根能夠向上運動，在更大磁吹力的作用下，電弧能夠充分的進入柵片并在里面穩定保持，雖然仍有背后擊穿，電弧擺動的情況出現，但次數明顯減少，范圍也小了很多。

改進后的12 kV環網柜負荷開關在西安高壓電器研究院順利通過了額定電壓下1 750 A的轉移電流開斷實驗認證，相比之前大幅度提高，也證明了此方案的可行性。

圖8 高速攝影儀記錄的圖像

5 結論

按照以上研究成果，設計制造的12 kV SF6環網柜負荷開關已在多個工程中成功應用，使用結果表明，該產品技術性能穩定，取得了很好的社會和經濟效益。

［1］王季梅，卜小玉，蔡龍權.高壓負荷開關-熔斷器組合電器轉移電流的確定［J］.高壓電器，1994，12（6）：49-53.

［2］邵敏艷，金曉明，吳翊.中壓環網柜柵片滅弧式負荷開關開斷性能實驗研究［J］.高壓電器，2011，47（11）：98-101.

Research and Designing of Transferring Current Improvement of Load Switch in 12 kV SF6Ring Main Unit

DU Tian-wa，XU Zhong-qiu，ZHOU Cheng
（DAQO GROUP，Yangzhong212200，China）

In this paper，a three-dimensional model of the load switches 12 kV SF6ring main unit was built and calculated.The current density and magnetic field intensity distribution and the effect of configuration were gained through analysis and calculation.At the same time，according to the arc movement obtained by experiments，we optimized the conducting circuit design of load switch and improved its breaking capacity about transfer current.

splitter arc extinction type；load switch；transferring current；conducting circuit；arc movement

TM592

：A

：1009－9492(2014)12－0103－04

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.12.024

獨田娃，男，1976年生，甘肅禮縣人，碩士，高級工程師。研究領域：氣體絕緣開關柜研發與管理。

(編輯：向 飛)

2013－07－26；

2014－08－07