基于恢復電壓的高壓斷路器斷口電場狀態分析

潘世巖 馬 明

1.南京合繼思瑞電力科技有限公司 南京 210015 2.正泰電氣股份有限公司 上海 201614

1 研究背景

高壓斷路器是電力系統重要的開關設備,起到保護電力系統穩定運行,開斷關合各類故障電流、保障運維人員及其他設備的安全。型式試驗中重要的試驗項目是驗證高壓斷路器是否具備開斷關合各類故障短路電流的能力。按GB/T 1984—2014《高壓交流斷路器》標準要求,在額定短路電流開斷試驗中,當短路電流過零點時,按標準規定需要在高壓斷路器的一側加載恢復電壓,此時高壓斷路器斷口間的絕緣介質需要耐受上升率極高的恢復電壓而不被電壓擊穿,從而使額定短路電流無法重燃或重擊穿,才能確定高壓斷路器有效開斷該額定短路電流。

按標準規定,恢復電壓由包括時間、電壓幅值在內的四參數法確定,試驗標準中,針對不同工況,開斷短路電流有多種方式,高壓斷路器只有通過全部方式的試驗,才能被認定為通過試驗。為了節約試驗時間,避免重復試驗,試驗標準中規定當高壓斷路器動側與靜側為非對稱結構時,在開斷100%額定短路電流對稱分量試驗(T100s)與開斷100%額定短路電流非對稱分量試驗(T100a)試驗方式下,需采用相反的接線方式來實現。兩種額定短路電流開斷試驗因試驗短路電流形態不同,會造成高壓斷路器短燃弧時間上的差異,從而因恢復電壓加載不同造成高壓斷路器未處于最為嚴酷的試驗條件下,無法確認高壓斷路器性能是否覆蓋所有工況。

綜上所述,為了研究恢復電壓不同加載方式對高壓斷路器開斷試驗的影響,獲得高壓斷路器處于最嚴苛試驗條件下斷口間電場分步狀態,以便設計有利于高壓斷路器的絕緣結構。筆者通過試驗標準中的允許公差計算可接受的最嚴苛的恢復電壓包絡線,建立恢復電壓參數中對應的時間參數,結合高壓斷路器運動位置模型,通過有限元方法計算恢復電壓不同加載方式下的電場狀態及斷口間電場狀態。研究結果可以判斷何種接線方式在開斷試驗中更為嚴酷,通過電場狀態及斷口間電場狀態,為絕緣介質的流向與流速設計提供參考,并提供理論上的判斷條件。

2 恢復電壓與建模

當流經高壓斷路器的短路電流熄滅時,在高壓斷路器斷口間產生的電壓稱為恢復電壓,又因高壓斷路器所在的電氣回路及高壓斷路器自身特性,恢復電壓由起始瞬態恢復電壓、瞬態恢復電壓及工頻恢復電壓組成并連續產生。在實際試驗環境下,高壓斷路器額定短路電流開斷試驗多采用合成試驗方法進行試驗,即短路電流源與恢復電壓源由兩組電力設備提供。理想的恢復電壓加載方式如圖1所示,短路電流過零時刻高壓斷路器如圖2所示。恢復電壓波形的每一部分都會影響高壓斷路器的開斷能力,當恢復電壓加載時,由于高壓斷路器尚未完成分閘動作,短路電流因經過零點暫時熄滅,此時高壓斷路器動側與靜側之間的距離非常近,加之恢復電壓具有較高的上升速率,兩側間的狹小空間使得絕緣介質瞬間恢復,此時絕緣介質在相應電場下的恢復能力是否能阻止電流的復燃,成為決定高壓斷路器是否可以完成試驗的關鍵。

2.1 起始瞬態恢復電壓參數

某高壓斷路器進行T100s額定短路電流開斷試驗,試驗標準規定起始瞬態恢復電壓參數中,額定電壓Ur為252 kV,額定短路開斷電流Isc為50 kA,首開極因數kpp為1.3,短路開斷電流乘數fi為0.069 kV/kA,開斷時間ti為0.6μs。

圖1 恢復電壓加載方式

圖2 短路電流過零時刻高壓斷路器

起始瞬態恢復電壓Us為:

Us=Iscfi

(1)

計算得到起始瞬態恢復電壓Us為3.45 kV。

因試驗環境的復雜性及高壓斷路器自身的電氣特性,試驗回路不可避免會產生公差,為保證公差在可接受的范圍內,且不會影響被試驗高壓斷路器試驗參數的準確性,試驗標準規定對于恢復電壓,峰值電壓允許公差范圍Δu為0～5%、上升率ΔdU/dt為0～8%,未超過公差范圍的試驗被認為是有效的,所以當試驗參數達到最大公差值時,可以認為被試高壓斷路器處于最苛刻的試驗條件下,由此電壓修正公式為:

Uimax=UiΔu

(2)

式中:Ui為各標準電壓;Uimax為修正后的各電壓最高幅值。

根據式(2),起始瞬態恢復電壓最高幅值Usmax可以修正為:

Usmax=3.45×105%=3.622 5 kV

試驗標準中規定的瞬態恢復電壓參數見表1。

按式(2)修正各項電壓參數如下:

U1max=201×105%=211.05 kV

Ucmax=374×105%=392.7 kV

U2max=100×105%=105 kV

表1 瞬態恢復電壓參數

上升率修正公式為:

(3)

按式(3)修正上升率為:

(dU/dt)TFmax=2×108%=2.16 kV/μs

同時,有:

(dU/dt)TF=U1/t1

(4)

則:

t1=U1/(dU/dt)TF

(5)

按式(5)計算t1為:

t1=211.05/2.16≈97.7μs

2.2 工頻恢復電壓參數

(6)

按式(2)及式(6)計算修正后的工頻恢復電壓最大值Emax為:

可以理解為工頻恢復電壓達到198.6 kV后持續下降,因工頻恢復電壓出現在瞬態恢復電壓之后,此時斷口間距離隨高壓斷路器動側運動增大,電場強度隨之下降,在絕緣氣體絕緣能力不降低的前提下,可以忽略此時電場對絕緣氣體的擊穿。

2.3 恢復電壓參數

基于對起始瞬態恢復電壓、瞬態恢復電壓及工頻恢復電壓的參數確定,按時間繪制試驗標準中可以接受的最苛刻的恢復電壓參數包絡線,見表2。只有當高壓斷路器在進行T100s額定短路電流開斷試驗時絕緣介質能夠耐受各參考點下加載的恢復電壓所形成的電場強度,才可以證明高壓斷路器可以完成對應額定短路電流的開斷動作,并且不會發生重燃。

表2 恢復電壓參數

3 高壓斷路器運動模型

結合已有的高壓斷路器研制經驗,該高壓斷路器預計設計最短燃弧時間為8.7 ms,采用彈簧操動機構,分閘速度設計為8 m/s。從操動機構運動仿真計算及摸底試驗中證明,在額定短路電流開斷過程中,短路電流的電動力對斷路器機械特性影響非常小,可以采用在勻速運動狀態下來計算高壓斷路器的空間位置。

最短燃弧時間所對應的高壓斷路器動側運動距離l1為:

l1=l2+l3

(7)

式中:l2為接觸行程,取28 mm;l3為燃弧行程,取69.5 mm。

計算得到高壓斷路器的動側運動距離為97.5 mm,按恢復電壓模型中的關鍵時間點計算高壓斷路器動側相對運動距離,見表3。同時增加繼續運動時間0.1 ms下的相對運動距離,作為計算電場強度發展的觀察點。

表3 高壓斷路器動側相對運動距離

4 恢復電壓下電場狀態

由表3確定恢復電壓參數作為邊界條件,采用有限元法分別對高壓斷路器動側與靜側加載,進行電場強度計算。在高壓斷路器相對運動距離101.5 mm及102.3 mm處加載高于試驗標準要求的恢復電壓Uc,一方面可以考量高壓斷路器試驗中可能存在分閘時間漂移的情況,另一方面便于判斷電場強度的發展方向。

4.1 恢復電壓加載于高壓斷路器動側電場強度

高壓斷路器動側相對運動至97.504 8 mm、97.916 mm、98.281 6 mm、100.7 mm、101.5 mm、102.3 mm,恢復電壓加載于高壓斷路器動側時的電場強度計算結果如圖3～圖8所示。

圖3 恢復電壓加載于動側,運動至97.504 8 mm電場強度

圖4 恢復電壓加載于動側,運動至97.916 mm電場強度

4.2 恢復電壓加載于高壓斷路器靜側電場強度

高壓斷路器動側相對運動至97.504 8 mm、97.916 mm、98.281 6 mm、100.7 mm、101.5 mm、102.3 mm,恢復電壓加載于高壓斷路器靜側時的電場強度計算結果如圖9～圖14所示。

4.3 恢復電壓不同加載方式比較

恢復電壓加載于高壓斷路器靜側與動側電場強度最高值比較如圖15所示。當高壓斷路器處于相同位置時,恢復電壓加載靜側時的電場強度最高值大于加載動側時的電場強度最高值,恢復電壓加載靜側時,高壓斷路器處于最嚴酷的實驗環境中,證明該高壓斷路器的開斷能力可以覆蓋T100s額定短路電流開斷試驗所需證明的所有工況。

圖5 恢復電壓加載于動側,運動至98.281 6 mm電場強度

圖6 恢復電壓加載于動側,運動至100.7 mm電場強度

圖7 恢復電壓加載于動側,運動至101.5 mm電場強度

圖8 恢復電壓加載于動側,運動至102.3 mm電場強度

圖9 恢復電壓加載于靜側,運動至97.504 8 mm電場強度

圖10 恢復電壓加載于靜側,運動至97.916 mm電場強度

圖11 恢復電壓加載于靜側,運動至98.281 6 mm電場強度

圖12 恢復電壓加載于靜側,運動至100.7 mm電場強度

圖13 恢復電壓加載于靜側,運動至101.5 mm電場強度

圖14 恢復電壓加載于靜側,運動至102.3 mm電場強度

圖15 恢復電壓加載電場強度最高值比較

5 恢復電壓下斷口間電場狀態

高壓斷路器動側相對運動至97.504 8 mm、97.916 mm、98.281 6 mm、100.7 mm、101.5 mm、102.3 mm,恢復電壓加載于高壓斷路器靜側,斷口間最短距離下電場強度計算結果如圖16～圖21所示。

圖16 運動至97.504 8 mm斷口間電場強度

圖17 運動至97.916 mm斷口間電場強度

圖18 運動至98.281 6 mm斷口間電場強度

恢復電壓加載于高壓斷路器靜側時,各時間點斷口間最短距離下的電場強度范圍如圖22所示。在T100s額定短路電流開斷試驗中,當短路電流過零點熄滅后,絕緣介質需要迅速填充斷口間的空間并耐受快速上升的恢復電壓所形成的電場,此時絕緣介質的流速、流向直接決定了空間電場的耐受能力,高壓斷路器是否具備開斷能力,需要有電場強度范圍作為設計基礎,從而避免因絕緣介質無法耐受恢復電壓造成短路電流的重燃而導致的試驗失敗。

圖19 運動至100.7 mm斷口間電場強度

圖20 運動至101.5 mm斷口間電場強度

圖21 運動至102.3 mm斷口間電場強度

圖22 斷口間最短距離電場強度范圍

6 結束語

筆者通過對T100s額定短路電流開斷試驗中恢復電壓進行公差修正,得到最苛刻條件下的恢復電壓模型。通過建立相應時間下高壓斷路器的運動模型進行空間電場及斷口間電場狀態的分析,結論如下:高壓斷路器恢復電壓加載于靜側時電場強度高于恢復電壓加載于動側時,設計時應以恢復電壓加載于高壓斷路器靜側為設計及驗證條件。對高壓斷路器斷口間電場狀態研究可以表明,對絕緣介質恢復特性設計時,應以在恢復電壓加載下高壓斷路器斷口間的絕緣介質所承受的電場強度為設計條件。這一研究方法為已設計完成的高壓斷路器是否具備完成T100s額定短路電流開斷試驗提供了一種有效途徑,在改變相應的恢復電壓要求后,也適用于T100s額定短路電流開斷試驗以外的其它短路電流開斷試驗檢驗方法。