針對(duì)多斷口真空斷路器分壓均勻性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)研究

馬驍 張良 任華

摘要：斷路器是保證電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的重要組成部分，該設(shè)備憑借自身良好安全性、使用壽命時(shí)間長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)在中壓領(lǐng)域得以廣泛應(yīng)用。為了進(jìn)一步推動(dòng)真空斷擼起向高級(jí)電壓方向發(fā)展，文章采用將間隙長(zhǎng)度分割多個(gè)短間隙并串聯(lián)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，并設(shè)置相關(guān)實(shí)驗(yàn)對(duì)改變真空滅弧室電壓的分布情況和提升多斷口真空斷路器的開(kāi)斷性能進(jìn)行驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：多斷口真空斷路器;電壓分布關(guān)系;均壓措施;樣機(jī)設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)：TM561.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2021）01-0136-05

0引言

伴隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，電力行業(yè)也得到飛躍式進(jìn)步，此時(shí)，高壓電器設(shè)備所面臨的工作難度也逐漸加大。真空開(kāi)關(guān)、油開(kāi)關(guān)、壓縮空氣開(kāi)關(guān)均是高壓設(shè)備電氣設(shè)備的重要組成部分，由于壓縮空氣開(kāi)關(guān)斷容量大小無(wú)法適應(yīng)電力系統(tǒng)發(fā)展，油開(kāi)關(guān)也存在易爆危害，所以真空開(kāi)關(guān)是目前市面上普遍使用的開(kāi)關(guān)類(lèi)型。真空斷路器利用自身在開(kāi)斷過(guò)程中吸收回路能量的優(yōu)勢(shì)，在中壓、低壓領(lǐng)域占據(jù)大部分市場(chǎng)份額。本文為了推動(dòng)真空斷路器向高壓等級(jí)發(fā)展，故對(duì)該斷路器真空間隙的飽和特性進(jìn)行研究，并對(duì)其結(jié)果進(jìn)行分析得知該設(shè)備的開(kāi)斷能力與電壓分布有密切關(guān)系。

1多斷口真空斷路器等值電路的理論現(xiàn)狀

電壓的開(kāi)斷動(dòng)作是影響多口真空斷路開(kāi)斷能力的因素之一。多斷口真空斷路器為實(shí)現(xiàn)真空滅弧室開(kāi)斷高壓等級(jí)電流，可保證不改變真空斷路技術(shù)總長(zhǎng)度狀態(tài)下，將其分割為多個(gè)短間隙并串聯(lián)，極大程度運(yùn)用短真空間隙性能。

1.1雙斷口暫態(tài)恢復(fù)電壓分配機(jī)理

為了有效對(duì)真空斷路器電壓分布情況提供理論基礎(chǔ)，需對(duì)地雜散電容和等效電容在真空滅弧室的分布情況進(jìn)行分析，如圖1所示。

1.2三斷口斷路器模型等值電路

在電壓分布方面三斷口語(yǔ)雙斷口分析方法一致，三斷口模型等著電路圖較為復(fù)雜。圖2所示為三斷口真空斷路器等值電路圖，真空滅弧室1和2中靜觸頭電極、懸浮屏蔽罩電極均以不同序號(hào)所標(biāo)記。

2多斷口電場(chǎng)仿真計(jì)算

多斷口真空斷路器的結(jié)構(gòu)與布置方式均會(huì)受到靜電場(chǎng)仿真計(jì)算工作的影響。因此，利用計(jì)算機(jī)的計(jì)算功能對(duì)該設(shè)備布置方式、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論分析，為了使多斷口真空斷路器開(kāi)斷能力得以有效提升，需對(duì)各真空滅弧室電壓分布情況進(jìn)行計(jì)算，并選擇電壓分布均勻性較好的布置方式。

2.1雙斷口真空斷路器靜電場(chǎng)仿真計(jì)算

除地雜散電容對(duì)雙斷口真空斷路器電壓的影響外，其排列方式也會(huì)對(duì)分壓結(jié)果產(chǎn)生影響。該設(shè)備的排列結(jié)果大致可分為L(zhǎng)型、Ⅱ型，水平及豎直4種，利用模型分壓計(jì)算方式對(duì)這4種排列方式進(jìn)行計(jì)算，詳情如表1所示，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果選擇最優(yōu)排列方式，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)雙斷口真空斷路器電壓分布的優(yōu)化。

仿真計(jì)算方式除計(jì)算各真空滅弧室電壓分布關(guān)系外，也可對(duì)各部分電容大小進(jìn)行計(jì)算，主要是對(duì)地雜散電容和等效電容的計(jì)算。圖3為單斷口真空滅弧室等效電容計(jì)算等值路圖，其中懸浮屏蔽罩、動(dòng)觸頭、靜觸頭等電容值均與真空滅弧室等效電容有直接關(guān)系，公式（1）是對(duì)真空滅弧室等效電容的計(jì)算，其中電極1、2、3分別為靜觸頭、動(dòng)觸頭、懸浮屏蔽罩。

2.2三斷口靜電場(chǎng)仿真計(jì)算

三斷口仿真計(jì)算方式與雙斷口一致。各滅弧室中對(duì)地雜散電容和布置方式是影響電壓分布情況的重要參數(shù)。因此，選擇均壓效果最合理的布置方式，需針對(duì)其設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，并選擇大小合適的補(bǔ)償電容值，如圖4所示，公式（2）則為補(bǔ)償電容的計(jì)算方式。

3雙斷口分壓特性實(shí)驗(yàn)

該試驗(yàn)通過(guò)將均壓電容與不同開(kāi)距子均壓兩方面來(lái)驗(yàn)證優(yōu)化思路的合理性。以仿真計(jì)算為實(shí)驗(yàn)前提，其目的是為了驗(yàn)證該計(jì)算方式的準(zhǔn)確性，兩者均是為真空斷路器向更高電壓等級(jí)研發(fā)和應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

3.1工頻分壓特性

實(shí)驗(yàn)所采用的真空滅弧室型號(hào)為12Kvbd-24/1250-25（20），數(shù)量為2臺(tái)。操作步驟是利用兩個(gè)20kV的高壓探頭測(cè)量Ⅱ型排列方式下的近高壓和近地側(cè)兩個(gè)真空滅弧室所承受的電壓，并對(duì)其添加不同容量的均勻電容來(lái)查看該實(shí)驗(yàn)中真空滅弧室觸頭開(kāi)距的電壓分布情況。

3.1.1無(wú)均壓電容電壓分布情況

滅弧室電壓兩側(cè)在無(wú)均壓電容情況下電壓分布情況可通過(guò)實(shí)驗(yàn)不斷改變觸頭開(kāi)距測(cè)得各種開(kāi)距條件下分壓關(guān)系，詳細(xì)數(shù)據(jù)如表2所示，其中GVll、GVl2分別為真空滅弧室兩側(cè)開(kāi)距，單位為mm。

3.1.2添加不同大小均壓電容的電壓分布關(guān)系

利用兩個(gè)20kV高壓探頭對(duì)兩端并聯(lián)不同大小均壓電容后的真空滅弧室進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)將兩側(cè)觸頭拉開(kāi)一定距離，以此方式測(cè)量出兩個(gè)真空滅弧室所承受的電壓。通過(guò)重復(fù)上述操作，改變兩側(cè)觸頭拉開(kāi)距離進(jìn)行統(tǒng)計(jì)電壓分布百分比變化趨勢(shì)。以下表3、表示4分別為添加不同容量的均勻電容在觸頭開(kāi)距不同情況下對(duì)百分比的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

通過(guò)以上表格百分比數(shù)據(jù)顯示，真空滅弧室近高壓側(cè)在不添加均壓電容時(shí)，觸頭開(kāi)距與仿真計(jì)算得到的分壓百分比一致。據(jù)表3和表4百分比數(shù)據(jù)可充分體現(xiàn)均壓電容的添加與近側(cè)滅弧室存在密切聯(lián)系。雖然均壓電容添加達(dá)不到要求，但真空滅弧室觸頭間隙距離度電壓分布影響已明顯減小。在雙斷口真空斷路器中均勻細(xì)數(shù)在0.9-1.1之間則表示滿(mǎn)足其電壓均勻性分布要求。

3.2暫態(tài)恢復(fù)電壓分布特性實(shí)驗(yàn)研究

雙斷口真空斷路器中暫態(tài)恢復(fù)電壓是否均勻也是影響其開(kāi)斷能力的因素之一。為了促使電力企業(yè)對(duì)滅弧室觸頭開(kāi)距電壓布置進(jìn)行深人了解，對(duì)其不同開(kāi)距配合自均勻效果進(jìn)行驗(yàn)證，主要目的是為了多斷口真空斷路器分壓均勻性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)提供有力指導(dǎo)，同時(shí)，也是提高開(kāi)斷性能和完善絕緣的重要步驟。

3.2.1實(shí)驗(yàn)回路介紹

圖5為合成回路系統(tǒng)主電路圖，該合成回路系統(tǒng)是x理工大學(xué)電力電子研究所研究發(fā)明的。該系統(tǒng)可以提供110kV的回路電壓和50kA的斷路電流，其中電流、電壓源均為振蕩電路LC。

cu在電壓源回路中為電容，Lu為電感，而測(cè)量電壓電阻分壓器則用RVDT，期間是1000：1的分壓比，暫態(tài)恢復(fù)電壓阻容分壓器為RCVDT;Ro、co為改變?cè)嚻稵B兩端的調(diào)頻電容、電阻;SG為點(diǎn)火球系。在左側(cè)電壓源回路中Lu和cu不同值的相互配合，可振蕩產(chǎn)生不同頻率的恢復(fù)電壓。本次實(shí)驗(yàn)設(shè)置主要是通過(guò)合同回路電壓源產(chǎn)生周期表，在頻率53kHz的恢復(fù)電壓來(lái)模擬斷路器開(kāi)斷過(guò)程中暫態(tài)恢復(fù)電壓情況。

圖6為電壓源放電電路，電壓源控制開(kāi)關(guān)為J1，T1為AC220V輸人電壓，調(diào)壓器40A、輸出AC0-250V。在該回路中水電阻分別為R1、R2、R3;放電為R2、R3、充電則為R1;而整流硅堆為2T、電壓源的放電開(kāi)關(guān)、充電開(kāi)關(guān)分別為J2、J3。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該型號(hào)真空滅弧室，為消除暫態(tài)恢復(fù)電壓對(duì)分壓的影響，可利用絕緣木支撐，并用高壓探頭測(cè)量滅弧室兩側(cè)暫態(tài)恢復(fù)電壓值。

3.2.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在保證真空滅弧室電壓源電量充足的情況下，將觸頭開(kāi)距拉開(kāi)一定距離，并將電壓源中暫態(tài)恢復(fù)電壓引人至串聯(lián)真空滅弧室，記錄電壓分布狀態(tài)。重復(fù)以上操作，對(duì)不斷拉開(kāi)觸頭開(kāi)距所產(chǎn)生變化的電壓分布進(jìn)行記錄。表5百分比數(shù)據(jù)所示則為觸頭不同開(kāi)距下近高壓側(cè)滅弧室分壓百分比，充分體現(xiàn)了觸頭開(kāi)距與分壓分布關(guān)系不大。

通過(guò)以上表內(nèi)數(shù)據(jù)可見(jiàn)當(dāng)真空滅弧室觸頭開(kāi)距與仿真技術(shù)近高壓側(cè)百分比變化趨勢(shì)相同時(shí)，均是不添加任何均勻電容的情況下。當(dāng)真空滅弧室均壓效果達(dá)到最優(yōu)時(shí)，其滅弧室近高壓側(cè)與近地側(cè)觸頭拉開(kāi)距離或是越大、或是越小。通過(guò)實(shí)驗(yàn)充分驗(yàn)證了不同觸頭開(kāi)距配合自均勻是正確的，而且該方式也作為雙斷口真空斷路器的均壓措施。

4結(jié)語(yǔ)

文章通過(guò)串聯(lián)多個(gè)真空滅弧室多斷口斷路器將真空斷路器逐漸推向更高電壓等級(jí)的最優(yōu)、最合理的解決方案，有效解決了多斷口真空斷路器在各滅弧室中電壓分布均勻性的問(wèn)題，在實(shí)際應(yīng)用中作用至關(guān)重要。為了有效提升各滅弧室電壓均勻性的分布，可在滅弧室電壓承受范圍內(nèi)逐步添加均壓電容，相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明均壓電容添加越大，均壓效果愈加明顯，為了避免對(duì)該設(shè)備性能產(chǎn)生負(fù)面影響，所以選擇大小均勻電容值也逐漸成為分壓均勻性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。