緊湊型550 kV單斷口氣體斷路器（GCB）的研發

路繼偉　劉鋒　段阿利　李亞輝

摘 要：550 kV-63 kA（50 Hz）單斷口氣體斷路器是一種新研發的電氣設備，跟雙斷品相比，新研發的斷路器驅動能量少，結構簡單且緊湊。其滅弧室采用復合壓氣原理，傳動系統無連桿傳遞，運動系統簡單。另外，這種斷路器采用一體化的集成液壓機構，整個集成液壓系統內置油路，外部沒有油管。因此，本文主要分析了這種新型斷路器的結構特征及其研發過程的技術運用。

關鍵詞：GCB;單斷口;滅弧室;復合壓氣原理

中圖分類號：F127文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2021）06-0063-03

The Development of Compact 550 kV Single-break Gas

Circuit Breaker （GCB）

LU Jiwei1LIU Feng1DUAN Ali1LI Yahui2

（1. Henan Pingzhi High Voltage Switchgear Co.， Ltd.，Pingdingshan Henan 467013;

2. Pinggao Group Co.， Ltd.，Pingdingshan Henan 467000）

Abstract： The 550 kV-63 kA （50 Hz） single-break GCB is a newly developed electrical equipment， compared with double-break products， the newly developed circuit breaker has less driving energy， simple and compact structure. The arc extinguishing chamber adopts the principle of compound compression， the transmission system has no connecting rod transmission， and the movement system is simple. In addition， this circuit breaker adopts an integrated integrated hydraulic mechanism， the entire integrated hydraulic system has a built-in oil circuit， and there is no external oil pipe. Therefore， this paper mainly analyzed the structural characteristics of this new type of circuit breaker and its technical application in the development process.

Keywords： GCB;single fracture;arc extinguishing chamber;principle of compound compression

近年來，我國電力需求快速增長，電力系統隨之不斷擴充和改造。在這種情況下，有必要研發更緊湊的開關設備。開關是變電站的核心設備之一，要求容量大、可靠性高、可維護性好[1-2]。從環保角度看，為了減少SF6氣體的消耗量，基本對策就是縮小電站設備的體積。為滿足不斷提出的新要求，筆者研發了一種新型的550 kV-63 kA（50 Hz）單斷口氣體斷路器（GCB）。同現有的雙斷口結構相比，新研發的斷路器結構更緊湊、更簡單，所需驅動能量也更少。

20多年來，復合壓氣原理廣泛應用于72～1 100 kV的斷路器滅弧室結構中。新研發的滅弧室是以復合壓氣原理為基礎改進的。這種滅弧室采用了復合自熄弧技術：除了選擇合適的噴口尺寸和壓氣腔尺寸外，還吸收電弧能量來提高氣吹壓力。本文重點介紹緊湊型GCB結構的特點和研發過程中的技術應用。

1 新研發的單斷口氣體斷路器概述

基于國際電工委員會（IEC）標準及中國國家標準（GB）而新研發單斷口氣體斷路器（GCB）的額定參數如表1所示。

在用型號GCB（雙斷口GCB和單斷口GCB）與新型單斷口GCB的性能比較如表2所示。新型GCB采用單向傳動機構，可動側觸頭直接與操作機構相連，因此操作機構的速度必然要大于在用型號的單斷口GCB（雙向運動傳動機構），所需驅動能量卻大幅度減少。

2 新型滅弧室

就滅弧室而言，小電容電流的開斷能力、近區故障及端子短路故障（強電流）的開斷能力是考慮的重點。小電容電流的開斷能力基本上取決于斷口間的絕緣性能;而對于強電流開斷，SF6氣流對電弧的有效冷卻是重要影響因素。在確保兩者保持良好平衡的情況下，有必要使其能力都達到最佳狀態。

2.1 小電容電流開斷能力

決定絕緣性能的關鍵因素是電場及弧觸頭頂端的壓力。弧觸頭頂端需要較低的電場強度，但是也需要與主觸頭電場保持協調。弧觸頭頂端的電場值是有限制的，必須大于主觸頭的電場值，使得任何場合開斷過程中主觸頭側都不發生重燃電弧現象。另外，氣流會引起靜觸頭頂端區域的壓力降低，要防止這種現象的發生。如果壓力下降嚴重，就會發生電弧重燃現象，其沿著噴口表面從靜弧觸頭頂端開始延伸，直到遭遇高電壓（小電容電流開斷）。因為噴口形狀決定了氣流條件，所以選擇合適的噴口輪廓很重要。

為了給550 kV滅弧室選擇合適的噴口形狀，筆者針對預先備好的幾個噴口方案，在觸頭分閘運動過程中測量了靜弧觸頭頂端的壓力。滅弧室結構如圖1所示，壓力測量點緊靠電場強度最強處。下面結合測量實例進行分析，其靜弧觸頭頂端的壓力測量曲線如圖2所示，圖2同時顯示了壓氣缸內部壓力和觸頭開斷行程等參數。

圖2中，觸頭開斷行程初期，靜弧觸頭頂端壓力（[Pfc]）持續增加，類似于壓氣缸內部壓力（[Pcy1]）的增加趨勢。隨著觸頭分離運動行程的增加和噴口內部氣流速度的加快，壓力開始從[Pm1]降至第一個最低值[P11]。然后，如果噴口內壁與靜弧觸頭之間空間變得更大，壓力測量點的氣流將達到超音速，使得壓力降至第二個最低值[P12]。接下來，受靜弧觸頭前端產生的沖擊波影響，壓力又升至[Pm3]。靜弧觸頭頂端壓力（[Pfc]）達到[P11]所需的時間是：觸頭分開后大約10 ms。當[Pfc]對小電容電流開斷產生影響時，[P11]將達到GCB充氣壓力的1.34倍，這表明GCB的特性正是所期望的。

小電容電流開斷不僅僅發生在新觸頭（滅弧腔內）的場合，也會發生在GCB觸頭因開斷故障電流而不斷燒損的階段。在60%額定開斷電流條件下，依照《高壓開關設備和控制設備標準的共用技術要求》（GB/T 11022—2010），本研究在規定的電壓下進行了三個燃弧時間的開斷試驗（短燃弧、長燃弧和中燃弧）。為了保證不重擊穿，不僅要控制電場及壓力，還要把噴口（燃弧導致）碳化程度降至最低。新開發的滅弧室添加一定比例填料的聚四氟乙烯（PTFE）作為噴口材料，完成了規定次數的550 kV線路充電電流開斷試驗。試驗表明，本研究實現了所有燃弧區間內的無重擊穿，最短的燃弧區間（0.3 ms）也是如此。

2.2 SLF（近區故障）開斷能力

在電流過零時，電弧的氣吹壓力嚴重影響近區故障的開斷能力。按照63 kA-50 Hz 90% SLF條件，對壓氣缸噴嘴部分的壓力上升進行計算，并對壓氣缸的局部計算區域稍做調整。經過反復計算，本文得到電流過零時的壓力升高值，如圖3所示，壓力增量用[ΔP]表示，基于空載開斷，經驗證，計算結果和實際測量結果是吻合的[3]。

SLF（近區故障）開斷所必需的壓力升高也在圖3中表示出來，是從50 Hz GIS用的550 kV-63 kA型GCB得到的。本研究使用新研發的GCB，在11.4～20.9 ms燃弧區間證實了同樣成功的試驗結果。

2.3 BTF（端子短路）開斷能力

為了使靜弧觸頭的壓力盡量不要降低，要稍微延遲打開噴口的時間。不過，延遲打開噴口有可能會延長最短燃弧時間，所以人們應該高度關注噴口尺寸，不能讓最短燃弧時間變得太長。根據100%對稱電流（T100s）開斷試驗結果和100%非對稱電流（T100a）開斷試驗結果，新研發GCB的最短開斷燃弧時間并不比550 kV-GCB長。

2.4 減少驅動能量

GCB驅動能量包括運動部件動能的總和、壓氣腔氣體的壓縮能量以及諸如摩擦等引起的能量損耗[4-5]。新舊兩款單斷口斷路器驅動能量的比較結果如圖4所示。壓氣缸直徑被減小，這是因為電弧能量吸收有效地提高了壓氣腔內的壓力，同時減少了用來壓縮氣體的能量。另外，壓氣缸直徑的減小有助于運動部件輕量化，從而減小其動能。

3 結論

本研究已經成功開發了結構簡單而又緊湊的550 kV-63 kA單斷口GCB。滅弧室是在現有復合壓氣原理基礎上進一步改進而得的。其降低了驅動能量需求，使得采用簡單的單向運動機構成為可能。另外，這種新型斷路器采用一體化的液壓操作機構，模塊化的組件單元被集成在一起，外部無配管。

參考文獻：

[1]SUZUKI K，TODA H，AOYAGI A，et al.Developing of 550 kV 1-break GCB（Part I） - Investigation of interrupting chamber performance[J].IEEE Transactions on Power Delivery，2002（3）：1184-1191.

[2]TODA H，KOBAYASHI A，TAKAGI H，et al.Development of 550 kV 1-Break GCB （Part II） - Development of Prototype[J].IEEE Transactions on Power Delivery PWRD，1993（8）：1192-1198.

[3]TOYODA M，MIZOGUCHI H，HIGASHI S，et al.Development of Single Break 420 kV GCB[J].Ieej Transactions on Power & Energy，2004（4）：500-505.

[4]MORI T，MIZOGUCHI H，KATO N，et al.Investigation of Two Types of Interrupting Chamber with Low Drive Energy and Development of 245 kV GCB[J].IEEE Transactions on Power Delivery，2004（1）：158-167.

[5]樸文泉.高壓SF6斷路器三維MHD電弧特性研究[D].沈陽：沈陽工業大學，2011：26-27.