550kV斷路器空載線路開斷能力分析

王瑩，孫英杰，龐建，王賽豪，杜迎乾，董祥淵

（平高集團有限公司，河南 平頂山 467001）

550kV斷路器空載線路開斷能力分析

王瑩，孫英杰，龐建，王賽豪，杜迎乾，董祥淵

（平高集團有限公司，河南 平頂山 467001）

斷路器開斷空載線路時發生重擊穿，不但會引起閥式避雷器爆炸、斷路器損壞、套管或線路絕緣子閃絡等情況，甚至會擊穿整個系統的絕緣，造成電力系統癱瘓。為了研究斷路器開斷空載線路充電電流能力，對550kV斷路器開斷空載長線時滅弧室內的暫態氣壓進行了測量，并對開斷空載線路恢復電壓作用下滅弧室的電場強度進行了仿真計算。根據流注理論，分析了1.2ms和0.3ms短燃弧下斷路器開斷空載線路性能。結果表明，靜弧觸頭端部附近電場強度始終最大，短燃弧時間越長對斷路器開斷空載線路越有利。

550kV斷路器；空載線路；過電壓；介質恢復強度

電力系統過電壓是造成電力設備絕緣損壞的主要因素，是確定電力設備絕緣水平的重要依據，過電壓倍數的大小直接影響電力系統的安全性和可靠性。超、特高壓輸電線路距離遠，長期承受因電容效應引起的工頻電壓升高，這對超、特高壓輸電線路設備的絕緣能力是一個巨大挑戰。本文分析了LW55-550型斷路器切空載線路過電壓產生的原因，對斷路器壓氣式滅弧室開斷空載長線過程中的氣流場進行仿真，并對該滅弧室在切空載線路恢復電壓作用下的電場強度進行計算，最后根據氣流場和電場的仿真計算結果對滅弧室內介質恢復強度及開斷空載長線能力進行了分析。

1 斷路器開斷性能分析

斷路器開斷空載線路容性電流值很小，只有幾十安到幾百安，遠小于短路故障電流，電弧極易熄滅。LW55-550型斷路器采用壓氣式滅弧室，短燃弧時間一般小于2ms，此時觸頭間開距很短，當觸頭間介質恢復強度低于觸頭間恢復電壓時，絕緣介質被擊穿。根據SF6氣體介質的電氣擊穿特性，局部擊穿將導致整個滅弧室擊穿，引起電弧重燃，進而導致電磁振蕩并產生危險的過電壓。電場強度和氣體粒子密度是影響氣體絕緣特性的兩個最基本參數。分析斷路器開斷性能必須考慮滅弧室中電場、粒子密度、介質恢復強度及其相互作用。

1.1 電場計算

LW55-550型斷路器滅弧室結構決定了整過分閘過程中，分閘特性如圖1所示。靜弧觸頭端部電場強度始終最大。如果開斷空載長線過程中SF6氣體被擊穿，將首先在靜弧觸頭端部發生電子崩。若靜弧觸頭端部一直不發生電子崩，則斷路器將開斷成功。

圖1 速度和行程曲線

分別計算不同位置及其相應恢復電壓下的電場強度，可得出分閘過程中電場強度最大值曲線。理論上，斷路器開斷短燃弧過程中不發生重燃，整個開斷空載線路型式試驗就能順利完成，故只分析短燃弧下的開斷性能。短燃弧時間不同時（0．3ms、0．8ms、1．2ms、1．6ms、2ms、3ms），分閘過程電場強度最大值始終在靜弧觸頭端部。燃弧時間越長，電流過零點時，滅弧室動、靜觸頭間距離越大，靜弧觸頭端部的電場強度越小，越有利于滅弧室耐受恢復電壓。

1.2 粒子密度計算

計算粒子密度，首先計算出SF6氣體壓力，再根據氣體密度和分子量等參數計算SF6粒子密度。當氣體壓力高于0．3MPa時，在實際使用中，為較準確地計算SF6氣體密度常采用下面比較實用的經驗公式：

式中：P——SF6氣體壓力，MPa；

T——氣體溫度，K,(T=t+273．15)；

Y——氣體密度，kg/m3。

由于開斷空載長線時電弧能量很小，另外壓氣式滅弧室氣吹充裕，弧區SF6氣體溫度不會顯著升高，可認為開斷過程中動、靜觸頭間SF6氣體基本保持在室溫20℃不變。

粒子密度N與氣體密度ρ有如下關系：

式中：R6SF——SF6的分子量；

NA——Avogadro常數。根據壓力測試結果和式（1）～（4），得出分閘過程中靜弧觸頭端部的粒子密度N。

1.3 滅弧室開斷性能分析

根據流注理論，SF6氣體擊穿是由于電子崩的空間電荷產生的電場，使電子崩不穩定而向前發展引起的。滅弧室動、靜觸頭間SF6絕緣介質特性由氣流場和電場共同確定，SF6氣體是否擊穿，可根據以下經驗公式判定：

式中：α——電離系數；

η——電子吸附系數；

K——常數。

氣體的有效電離系數ā=α-η與電場強度E和氣體粒子密度N之比近似為線性關系，對氣體間隙的擊穿起關鍵作用。對于SF6氣體，有效電離系數為零時SF6氣體處于擊穿臨界值，此時E/N=3．56×10-19V·m2，記為（E/N）?。于是SF6氣體的擊穿判據可表示為：

電場強度與對應的電位成正比，引起氣體擊穿的臨界電壓Ub為：

Ub也就是弧隙介質所能承受的極限電壓，即介質恢復強度。

斷路器開斷空載線路容性電流短燃弧時間為1．2ms和0．3ms時，靜弧觸頭端部最大（E/N）/（E/N）?及介質恢復強度計算結果見圖2和圖3。

圖2 短燃弧時間為1.2 ms時(E/N)/(E/N)*

圖3 短燃弧時間為0.3 ms時(E/N)/(E/N)*

短燃弧熄滅后，動、靜觸頭距離較短，雖然恢復電壓小，但電場強度較大，故開斷初期介質恢復強度不高，E/N快速上升。隨著行程的增大，恢復電壓也在增加，電場強度E逐漸增加，但此時滅弧室氣吹增強，噴口內SF6氣體壓力迅速增大，SF6氣體粒子密度N迅速增大，使E/N稍微下降，介質恢復強度增高。

在電弧熄滅后大約12ms，斷路器靜弧觸頭從噴口喉部運動至下游，氣體迅速擴散，壓力降低，此時電場強度E減小速度沒有SF6粒子密度N減小速度快，使E/N略有上升。之后靜觸頭前氣體密度變化緩慢，電場強度隨恢復電壓逐漸下降，使E/N緩慢下降，介質恢復強度變化不大。

對于LW55-550型斷路器，當短燃弧時間1．2ms時，最大（E/N）/（E/N）?為0．8，能夠開斷成功；當短燃弧時間 0．3ms時，最大（E/N）/（E/N）?為 1．3，在開斷空載線路容性小電流時會發生重擊穿。

假如斷路器在燃弧時間0．3ms時還能開斷空載線路容性小電流，提高斷路器額定充氣壓力和分閘速度也無法顯著減小短燃弧時間。但提高額定氣壓能夠增加粒子密度N，提高分閘速度能夠增加迅速拉開動、靜觸頭距離，降低電場強度E，這樣能夠提高斷路器開斷容性小電流能力。

斷路器在西安國家高壓電器質量監督檢驗中心進行了空載線路開斷試驗，燃弧時間為0．7ms，試品在10．3ms處重擊穿，試驗波形見圖4，燃弧時間為1．3ms，能夠成功開斷，試驗波形見圖5。整個試驗過程成功開斷的燃弧時間統計見圖6，燃弧時間大于1．3ms未發生一次重擊穿。

2 結語

本文對LW55-550型斷路器容性電流開斷過程中滅弧室內氣流場和電場進行了仿真計算，分析了滅弧室內氣流場和電場的變化，以及介質恢復強度。

該滅弧室動、靜觸頭間SF6絕緣介質恢復強度由電場和氣流場共同決定，分閘過程中電場最大值始終在靜弧觸頭弧形端面，且該弧形端面氣體壓力幾乎一樣，即該弧形端面粒子密度幾乎一樣。在電弧熄滅初期，電場強度比粒子密度N作用明顯，E/N會快速上升。隨斷口開距的增大，粒子密度N的影響超過電場強度，使E/N逐漸減小，介質恢復強度上升至最大值后迅速降低。

圖4 燃弧時間0.7 ms試驗波形

圖5 燃弧時間1.3 ms試驗波形

圖6 燃弧時間統計

根據仿真計算和試驗結果表明這種斷路器在燃弧時間大于1．2ms時具備成功開斷空載線路能力。

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1671-0711（2017）10（上）-0092-03