真空斷路器投切電容器組的試驗(yàn)過程分析及降低重?fù)舸┑拇胧?/h1>

2021-12-21 08:15:06李小格

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李小格

（庫柏（寧波）電氣有限公司，浙江 寧波 315336）

0 引言

真空斷路器由于使用壽命長(zhǎng)，開斷性能好，又能做到少（免）維護(hù)，且適用于頻繁操作，所以是投切電容器組比較理想的開關(guān)。然而在電容器組投入的瞬間，因?yàn)槭茈娙萜麟妷号c電流之間相位差（電流超前電壓90°）的影響，可能產(chǎn)生幅值很大的合閘涌流和過電壓，而在切除電容器組的時(shí)候又容易發(fā)生重?fù)舸Ｖ負(fù)舸┛赡軐?dǎo)致在電容器組上產(chǎn)生數(shù)倍的過電壓，對(duì)電力系統(tǒng)中的電容器其它相關(guān)元件的造成嚴(yán)重的危害[1，2]。

我公司針對(duì)電容器投切這種殊的工況，經(jīng)過充分的市場(chǎng)調(diào)研后，在現(xiàn)有40.5 kV 高壓交流真空斷路器產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，通過設(shè)計(jì)改進(jìn)、性能提升，開發(fā)出了解決40.5 kV 電容器投切的特種斷路器產(chǎn)品，該產(chǎn)品在蘇州電器科學(xué)研究院順利通過了400 A 背靠背電容器組的投切試驗(yàn)，拿到了電容器組投切的全套C2 級(jí)型式試驗(yàn)報(bào)告。

本文結(jié)合產(chǎn)品對(duì)真空斷路器切電容器組的試驗(yàn)過程及開合過程進(jìn)行分析，同時(shí)提出了幾點(diǎn)降低重?fù)舸┑拇胧?/p>

1 試驗(yàn)樣機(jī)及型式試驗(yàn)過程

1.1 試驗(yàn)樣機(jī)及機(jī)械特性參數(shù)

本次投切電容器組試驗(yàn)的樣機(jī)為40.5 kV 戶內(nèi)高壓交流真空斷路器，該款斷路器開距較大，剛分速度較快，剛合速度適中，分閘反彈極小，特別適合投切電容器組。

按照GB1980-2014 的要求：對(duì)C2 級(jí)斷路器的容性電流開合試驗(yàn)應(yīng)在斷路器完成預(yù)備試驗(yàn)的試驗(yàn)方式T60 后進(jìn)行。在投切電容器組試驗(yàn)開始前對(duì)斷路器進(jìn)行了T60 試驗(yàn)，以使得斷路器更符合容性電流開合試驗(yàn)的要求，提高試驗(yàn)的成功率[3，4]。

真空斷路器合理的機(jī)械特性參數(shù)是衡量產(chǎn)品性能優(yōu)良與否的標(biāo)準(zhǔn)之一，適中的機(jī)械特性參數(shù)能為容性電流開合試驗(yàn)提供有效的保障。表1、表2 為容性電流開合試驗(yàn)前后機(jī)械特性參數(shù)。

表1 三相電容器組開合試驗(yàn)前參數(shù)

表2 三相電容器組開合試驗(yàn)后參數(shù)

通過對(duì)比試驗(yàn)前后的機(jī)械特性參數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，相比較滿容量的開斷與關(guān)合試驗(yàn)，由于投切電容器組試驗(yàn)額定開斷電流較小（最大400 A），對(duì)滅弧室的燒蝕情況相對(duì)較好，所以試驗(yàn)過程對(duì)機(jī)械特性的影響較小。

1.2 部分機(jī)械特性對(duì)試驗(yàn)的影響

機(jī)械特性的優(yōu)劣對(duì)試驗(yàn)的成敗起關(guān)鍵作用，尤其是剛分和剛合速度，對(duì)試驗(yàn)的影響尤為重要。

1.2.1 合閘速度對(duì)試驗(yàn)的影響

投切電容器組的真空斷路器對(duì)合閘速度的要求較高。合閘速度太大，不僅會(huì)影響真空滅弧室的壽命，而且會(huì)增加合閘功，造成斷路器合閘彈跳增大，進(jìn)而使動(dòng)靜觸頭持續(xù)受到電弧的侵蝕。合閘速度太小，會(huì)增加預(yù)斷路器的擊穿時(shí)間，加劇動(dòng)靜觸頭的燒損[5]。

1.2.2 分閘速度對(duì)試驗(yàn)的影響

由于試驗(yàn)系統(tǒng)是三相交流系統(tǒng)，所以分閘過程就存在首開相和后開相區(qū)別。對(duì)首開相來說由于恢復(fù)電壓高，加上分離之初觸頭間隙小，金屬蒸汽密度相對(duì)較大，此時(shí)就需要非常快的分閘速度將觸頭拉開，由于系統(tǒng)中性點(diǎn)不接地，后兩相在首開相開斷后5 ms 同時(shí)開斷，雖然兩個(gè)斷口分布承擔(dān)0.866 倍相電壓的一半，但由于燃弧時(shí)間延長(zhǎng)，觸頭燒損會(huì)比較嚴(yán)重，而且后開相滅弧區(qū)進(jìn)入分閘到底的機(jī)械震動(dòng)區(qū)，若此時(shí)分閘速度過大，則一定會(huì)造成過大的分閘反彈，導(dǎo)致后開相開斷失敗。所以在分閘過程中首先要解決的問題是提高剛分速度，其次使反彈幅值減小或使后開相遠(yuǎn)離分閘到底的機(jī)械震動(dòng)區(qū)。另外，要使分閘過程最佳，緩沖器應(yīng)具備對(duì)分閘過程的控制能力。在運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)碰撞油緩沖的初始階段，由于運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的速度大，液壓阻力也大；而在分閘到底時(shí)由于運(yùn)動(dòng)部件的速度逐漸減小，阻力也跟著減小，但此時(shí)正需要一比較大的阻力來吸收過剩的能量，以達(dá)到減小反彈幅值的目的[5，6]。

1.3 試驗(yàn)參數(shù)及合閘涌流

如表3 為投切電容器組試驗(yàn)的試驗(yàn)參數(shù)，通過試驗(yàn)參數(shù)可以看出試驗(yàn)的開斷電流較小，但是合閘涌流頻率及合閘涌流峰值極高。

表3 試驗(yàn)參數(shù)

真空斷路器能可靠開合幾十千安的短路電流，但對(duì)電流不到一千安的容性電流并非能可靠開合。電容器在投入過程中會(huì)產(chǎn)生合閘涌流，而在斷開過程中會(huì)產(chǎn)生過電壓。這是由于觸頭關(guān)合過程中，高頻的涌流會(huì)導(dǎo)致觸頭起弧點(diǎn)熔化并且當(dāng)熔化的觸頭壓在一起時(shí)會(huì)形成熔焊。在隨后的斷路器分閘操作中，熔焊區(qū)域被強(qiáng)行拉開，產(chǎn)生金屬須和金屬微粒，使得觸頭表面的場(chǎng)致增強(qiáng)系數(shù)增大，在恢復(fù)電壓的作用下，這些斷裂區(qū)不僅耐壓能力減弱，而且將變成電子的發(fā)射源。這就會(huì)破壞觸頭表面并降低觸頭間隙的的絕緣耐受能力[7]。

1.4 試驗(yàn)結(jié)論及滅弧室觸頭研究

通過容性電流開合試驗(yàn)檢測(cè)，樣品在所有的檢測(cè)項(xiàng)目及操作次數(shù)內(nèi)未出現(xiàn)NSDD 及重?fù)舸螱B1984-2014 容性電流開合試驗(yàn)C2 級(jí)標(biāo)準(zhǔn)要求，順利獲得容性電流開合試驗(yàn)全套型式試驗(yàn)報(bào)告。

型式試驗(yàn)后，為了研究及觀測(cè)容性電流開合對(duì)滅弧室動(dòng)靜觸頭的燒蝕情況，對(duì)三相滅弧室進(jìn)行了解剖，圖1 為解剖后的動(dòng)靜觸頭照片。從圖中可以清楚的觀察到熔焊點(diǎn)以不規(guī)則的形式存在，觸頭的中心相較觸頭的邊緣熔焊點(diǎn)較少，同時(shí)燒蝕的不是太嚴(yán)重。三相觸頭表面燒蝕的情況也差異很大，這是由于開斷過程中各相的燃弧時(shí)間不同造成的。經(jīng)過對(duì)BC1 及BC2 試驗(yàn)首開相次數(shù)的統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，共計(jì)104次開合操作中A 相作為首開相出現(xiàn)了91 次，占總操作次數(shù)的87.5%，C 相作為首開相出現(xiàn)了13 次，占總操作次數(shù)的12.5%，B 相出現(xiàn)0 次。這也直觀的印證了圖2 中A 相燒蝕輕微，C 兩相燒蝕較嚴(yán)重，B 相燒蝕最嚴(yán)重的現(xiàn)象。所以在調(diào)整斷路器機(jī)械特性時(shí)注意三相同期的調(diào)整，避免由于三相不同期太大造成后開相滅弧室燃弧時(shí)間加長(zhǎng)，觸頭表面過度燒蝕，降低滅弧室的開斷能力[5]。

圖1 試驗(yàn)后三相觸頭表面燒損（依次A，B，C）

2 三相電容器組的開合過程分析

40.5kV 真空斷路器投切電容器組試驗(yàn)為三相試驗(yàn)，三相電容器組開斷時(shí)的恢復(fù)電壓和中性點(diǎn)是否接地有關(guān)，也與電容器組的連接方式有關(guān)。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了三相電容器組進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，電源回路的中心點(diǎn)應(yīng)該接地，至于電容器組的接線方式就按照實(shí)際試驗(yàn)的中性點(diǎn)不接地的星形接法進(jìn)行接線。其試驗(yàn)電路圖如圖2 所示。

圖2 三相電容器組的開合驗(yàn)電路圖

三相電容器組的開合過程分析的計(jì)算推導(dǎo)經(jīng)過多年的研究，已經(jīng)形成相對(duì)可靠的結(jié)論公式，由已知文獻(xiàn)可得斷路器三相全部斷開后，各相觸頭恢復(fù)電壓的最大值及最大值出現(xiàn)的時(shí)刻分別是：

A 相：在ωt=180°時(shí)，恢復(fù)電壓最大值uaAm=2.5Um；

B 相：在ωt=300°時(shí)，恢復(fù)電壓最大值ubBm=1.87Um；

C 相：在ωt=240°時(shí)，恢復(fù)電壓最大值u cCm=-1.87Um；

以上分析僅針對(duì)斷路器各相均正常開斷的情況。通過對(duì)三相開斷后的恢復(fù)電壓分析，發(fā)現(xiàn)三相電容器開斷時(shí)的恢復(fù)電壓高，發(fā)生重?fù)舸┑目赡苄愿撸须娙萜鹘M則越困難。所以減少影響重?fù)舸┌l(fā)生的各種因素，對(duì)提高切電容組的成功率有重要意義[8，9]。

3 真空斷路器投切電容器組時(shí)降低重?fù)舸┑拇胧┘胺椒?/h2>

首先，真空滅弧室作為真空斷路器核心元件，對(duì)真空斷路器投切電容器組的成敗有決定性的作用。對(duì)用于投切電容器組的真空斷路器，應(yīng)選用觸頭結(jié)構(gòu)合理、材料優(yōu)良，真空度高，且耐壓能力強(qiáng)，開距較大的真空滅弧室，將其裝配在斷路器整機(jī)進(jìn)行老練，以提高滅弧室內(nèi)部的清潔度，降低投切電容器組時(shí)出現(xiàn)重?fù)舸┑母怕蔥6]。

其次，要選擇最佳的合閘速度。因?yàn)楹祥l涌流的作用，投入電容器組時(shí)可能會(huì)造成觸頭嚴(yán)重?zé)龘p。所以應(yīng)盡可能選擇最佳的合閘速度，減小合閘過程中的總?cè)蓟r(shí)間，對(duì)降低觸頭熔焊，減小觸頭間重?fù)舸┯兄匾囊饬x。

最后，要優(yōu)化分閘過程。在斷路器分閘過程中，盡量提高剛分速度，同時(shí)又不能使分閘速度太高，避免分閘后期速度過大造成分閘反彈幅值相應(yīng)過大，同時(shí)選用阻尼適中的油緩沖，能有效發(fā)地減小分閘反彈的幅值。

機(jī)械振動(dòng)及機(jī)械沖擊對(duì)重燃有很大的影響。機(jī)械振動(dòng)波在電極表面上反射時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的縱向切力，會(huì)使大量的微粒及雜質(zhì)從滅弧室的屏蔽罩上掉下，造成引發(fā)沖擊傳的原因之一，特別觸頭表面有一些凹凸部位在電弧剛熄滅后尚處于液態(tài)，振動(dòng)形成熔液噴發(fā)及表面不規(guī)則形狀，都有可能使重燃加劇。所以在試驗(yàn)及實(shí)際運(yùn)行中，應(yīng)盡量減小機(jī)械振動(dòng)及機(jī)械沖擊[5]。

4 結(jié)論

本文結(jié)合40.5 kV 真空斷路器投切電容器組型式試驗(yàn)的過程，研究了機(jī)械特性及合閘涌流對(duì)真空斷路器器投切電容器組時(shí)重?fù)舸┑挠绊憽Ｍㄟ^對(duì)比試驗(yàn)前后的機(jī)械特性參數(shù)以及三相電容器組的開合過程分析發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)過程本身對(duì)機(jī)械特性的影響不大，但機(jī)械特性對(duì)試驗(yàn)的影響較大，所以投切電容器組的真空斷路器應(yīng)選用清潔度好，耐壓能力強(qiáng)的真空滅弧室，同時(shí)選擇最佳的合閘速度，較高的分閘速度，較小的三相不同期，以及適中的緩沖器，盡量減小合分閘過程中的機(jī)械振動(dòng)及機(jī)械沖擊，降低速度過大或過小對(duì)斷路器投切電容器組的影響。這對(duì)投切電容器組的真空斷路器設(shè)計(jì)研發(fā)有重要意義。

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