開辟斷路器領域的新天地

在廣袤的土地上，縱橫交錯的電力網絡為城市和鄉村提供了源源不斷的電能。隨著時代的發展，這些電網也在不斷發生著演變。其中特別值得一提的是，工作電壓正在逐步增加，主要目的是減少傳輸損耗。這一進展對用于電網控制和保護的關鍵元件——斷路器提出了更高的要求。斷路器的核心是滅弧室——即進行物理開合操作的氣室。不斷變化的技術和市場條件以及新的國際標準將開發新一代滅弧室的需求擺上了臺面。

為了大限度減少傳輸損耗并降低環境影響，供電網絡正在向更高電壓等級前進。更高電壓以及其他需求迫使供電網絡保護及控制的關鍵元件——斷路器也必須隨之發展。其中，斷路器的可用性是一個決定性因素，直接影響著電網本身的可靠性。

減少斷路器元件數量和低操作功有效降低了意外停電的風險。此外，如果能夠縮小斷路器的尺寸，還可以進一步降低其成本和空間要求。

鑒于此，ABB 開始著手為420kV電網研發全新的單斷口斷路器。這一全新滅弧室必須符合新的IEC和ANSI/IEEE國際標準，并滿足世界各地市場現有的特殊要求。在未來電網中，需要控制的標稱電流和短路電流都將繼續增加，有望達到5kA的標稱額定電流和63kA的額定短路電流（基于50Hz和60Hz頻率）。

其他要求包括：縮小隔間尺寸（整個隔間應能夠裝進一個標準集裝箱）；全面的近區故障開合能力，無需使用線對地電容器；減少六氟化硫氣體用量；盡可能減小反作用力（對建筑物和基座的沖擊力）；使用小型的標準操動機構；實現二周波開斷時間。

斷路器

斷路器是設備中的重要組成部分。斷路器必須應對從1A到幾十kA的電流；要承受較大的電壓波動，例如快速的電壓上升和長期交流應力；要進行日常的開合操作以及緊急開斷短路電流；它有可能在相當長一段時間內處于非活動狀態，一旦啟動，就必須在幾毫秒內緊急遮斷故障。

設計一款全新的斷路器

設計新開關裝置以及采用一項新技術時需要考慮各種不同的因素。

（1）容性電流開合能力

此類操作的特點是通過斷路器觸頭的電流相對較小，但電壓較大，因此對動態電壓的耐受能力要求較高。電壓耐受能力應高于斷路器分斷時電網中的上升電壓。這就像是觸點分離與瞬態電壓上升之間展開的一場競賽。為了保證不發生電壓中斷，斷路器必須在這場競賽中勝出，這一點十分重要，否則電壓上升會導致變電站元件和架空線應力過高。換言之，這一全新的斷路器必須具備足夠高的觸頭分合閘速度，以便在極短時間內達到所需的介電耐受能力。

國際標準為此制定了非常詳細的測試步驟，并提供了廣泛適用的測試程序。

（2）全面的近區故障開斷能力

實現成功開斷，要求斷路器觸頭之間的空間達到較高的氣體壓力，提供足夠的冷卻能力來熄滅電弧。這一壓力積聚是故障快速排除能力的一個關鍵值。單氣室滅弧室專為高短路開斷能力設計，需要較高的吹弧壓力。

（3）斷路器出線端故障開斷能力

這一能力的要求之一是保證操作在兩周波開斷時間內完成，即要求達到較短的分閘時間，因此其不對稱要求要高于過去的斷路器。在高不對稱水平下進行開斷會導致較高的壓力聚積， 必須通過操動機構以及排氣和噴嘴系統對其進行處理。對于這一新斷路器來說，這便意味著必須安全處理滅弧區以及排氣系統中的大量能量消耗。

（4）變壓器故障限制要求

這一特殊要求在一些位置上必須得到滿足，針對出現一小部分（7%～30%）額定短路電流以及恢復電壓（電流開斷后終端中出現的電壓）上升率極高的情形。為了承受如此苛刻的應力， 斷路器必須在電流中斷后非常迅速地建立起較高的動態電壓耐受能力。這意味著必須盡可能迅速地將滅弧觸頭之間的熱氣體轉換為冷氣體。

開關技術的決定因素

斷路器目前有多個種類，每種斷路器都各有所長，包括：壓氣式斷路器、高級壓氣式斷路器、壓氣輔助自能式斷路器、純自能式斷路器、帶線性雙動系統的自能式斷路器、帶非線性雙動系統的自能式斷路器。

ABB在開發新斷路器時結合了以上概念中的多項優點——這一新斷路器已被定義為帶非線性雙移動系統的高級壓氣式斷路器，其優點包括：

1）觸頭速度快且可調節。

2）移動質量小，因此反作用力也較小。

3）分閘速度快（使用標準的低能耗液壓彈簧操動機構）。

4）空載壓力聚積和大壓力聚積比率較低（從而使短路開斷期間滅弧氣體的溫度較低）。

5）由于降低了某些部件的速度，移動部件所承受的機械應力較低。

6）由于能夠限制所產生的大壓力，因此即使在更高的不對稱性水平下，大壓力聚積也不會導致滅弧裝置部件機械應力過大。

在開發過程中，研發人員主要依靠仿真軟件來模擬電流分斷期間的不同物理效應，如流量、壓力聚積、電場（見圖1、2）。并采用有限元（FEM）工具來輔助機械分析。他們在測試對象上安裝了各種測量傳感器，用于獲取數據，由此實現仿真工具的改進和交叉檢查。除此之外，他們還進行了大量測試，以確定測試設備的極限。在開發新斷路器的同時，研發人員還對新材料和先進生產技術進行了評估，目的是尋找成本能夠與傳統產品相媲美的產品（見圖3）。

圖1 金屬封閉斷路器的計算流體動力學仿真示例

圖2 滅弧區電場仿真示例

圖3 測試設計的全面實驗室評估

項目成果

與前幾代斷路器相比，此次研發項目達到甚至超越了以下目標：

1）操作功降低 50%。

2）六氟化硫用量減少 30%（見圖4）。

圖4 斷路器的體積大幅縮小

3）氣體絕緣開關裝置（GIS）隔間體積減小50%（301 ELK 3-2，147 ELK 3-1見圖5）。通過改造GIS部件還將進一步減小該隔間的體積。改進后，這一工作間將能夠裝入標準集裝箱進行運輸，在緊急情況下還可用作集裝箱式變電站。

圖5 瑞士的首臺該類設備：舊設備（右）與新設備（左）的對比

傳統雙壓室解決方案的操作功是全新非線性雙運動系統（單氣室，采用單側驅動，近五倍）的兩倍（見圖6）。雖然每個氣室的移動質量幾乎相同，但雙動系統整體的移動質量會略高（觸棒和杠桿）。

這一解決方案的反作用力極小，是其他任何解決方案所無法企及的，從而大大降低了物理基礎設施的成本。另外，該解決方案還抑制了移動質量加速，減少了觸棒運動，進一步降低了能量需求（見圖7）。

新斷路器實現了此項目所設定的所有重要目標，可用于罐式斷路器、插接式開關裝置 （PASS）應用以及GIS。這一全新產品是現代化的斷路器，達到新的國際標準，擁有超強的競爭力。就純粹的能力而言，特別值得一提的是，單氣室所能開合的短路功率接近23 GW，相當于約15個核電站的額定功率。

圖6 所需操作功對比（相關單元）

圖7 開關方案