252kV快速斷路器均壓系統優化研究

王智勇 韓玉輝 陳 新

252kV快速斷路器均壓系統優化研究

王智勇 韓玉輝 陳 新

（常州博瑞電力自動化設備有限公司，江蘇 常州 213025）

在高電壓等級設備的結構設計中，電場分布是不可忽視的影響因素，因此需在快速斷路器的研發階段對其電場分布進行分析校核。本文以252kV快速斷路器為研究對象，建立三維簡化模型進行電場仿真計算，分析均壓裝置的結構、尺寸及安裝距等對電場分布的影響。通過對比研究實現對均壓裝置結構、安裝位置及尺寸的優化配置，最終確定選用管母型均壓裝置，管徑為40mm，安裝距為20mm，此方案可將設備最大電場強度控制在2.3kV/mm以下。本文研究結果可為產品的優化提供參考。

快速斷路器；電場強度；均壓裝置

0 引言

隨著我國電力系統負荷逐漸增加，大容量機組持續增多，導致各個電壓等級電網故障時的短路電流不斷增大，這對保障電力系統的安全性、穩定性和可靠性提出了更高要求[1-4]。在電力系統中裝設快速斷路器是一種有效的保護措施，然而隨著電力系統運行電壓的提高，快速斷路器和絕緣子支撐結構電場不均勻的問題逐漸凸顯，特別是在高電場強度的區域內會產生電暈等一系列放電現象。

電力系統中設備發生電暈而產生的能量損失可忽略不計，但其產生的高頻電磁波會嚴重干擾無線電通信，并且伴有噪聲，對周圍居民和電子設備產生危害[5-8]；此外，在電暈的影響下，電力設備中的絕緣材料會加速老化，導致其電、力、熱學性能大大下降[9-10]。因此，高壓系統中快速斷路器在正常運行情況下的電場分布、電暈放電等問題，成為結構設計階段不可忽視的因素。

目前，國內外專家針對上述問題進行了廣泛的探討和研究，主要采用安裝均壓裝置的方法改善電場強度集中的情況[11-14]。但是，均壓裝置的均壓效果受結構參數和環境影響較大，暫無統一標準。本文以252kV快速斷路器為研究對象，建立三維模型，運用有限元仿真計算獲得整機的電場分布特征，對252kV快速斷路器不同參數下的均壓裝置進行對比分析，以得到最優的均壓裝置配置方案。

1 252kV快速斷路器結構

252kV快速斷路器拓撲如圖1所示，整個系統每一相由四個40.5kV的真空滅弧室串聯而成，每個真空滅弧室并聯一個均壓電容，保證在開斷過程中每個斷口的電壓相等。

C—均壓電容 QF—40.5kV真空滅弧室

單臺252kV快速斷路器三維結構如圖2所示。兩臺真空滅弧室和兩臺均壓電容安裝在快速斷路器的操動機構箱上，整機的操動機構箱各邊角和底部支撐槽鋼邊角分別安裝有均壓裝置，整個操動機構箱安裝在一根支撐套管上。快速斷路器主體高度4.75m，主體安裝在高2.5m的金屬支柱上，總高7.25m。

圖2 單臺252kV快速斷路器三維結構

2 計算方法和計算模型

利用有限元分析工具對252kV快速斷路器進行電場仿真計算和分析。

2.1 有限元靜電場分析理論

靜電場是一種有源無旋場，相應的麥克斯韋方程組及本構關系為

（2）

式中：為電場強度；為電位移矢量；為電荷密度；為材料介電常數；為標量電勢。

由上述公式可得

式（5）為靜電場求解器進行有限元求解的基本方程。

2.2 模型建立與參數設置

對252kV快速斷路器按照實際模型進行簡化建模，包括支撐套管、操動機構箱、真空滅弧室、均壓電容等，252kV快速斷路器簡化模型如圖3所示。由于本文主要研究箱體四周安裝的均壓裝置，故對真空滅弧室和支撐套管外部的傘群進行簡化，并對柜體的外觀進行簡化，保留柜體的基本尺寸和倒角等，對柜體內部結構進行簡化去除。

圖3 252kV快速斷路器簡化模型

本文主要研究均壓裝置的管徑和安裝距對電場分布的影響。半圓型與管母型均壓裝置示意圖如圖4所示。

圖4 半圓型與管母型均壓裝置示意圖

根據國家標準，252kV快速斷路器額定絕緣水平見表1。仿真所需材料相對介電常數見表2。

2.3 邊界條件設置

在仿真時，除將252kV快速斷路器模型進行簡化外，還需建立求解域。根據實際安裝情況，設備為高電位，地面為零電位，四周除地面外，采用開放邊界條件，即無限遠處為零電位。根據斷路器電壓等級252kV，其在該電壓等級下的安全距離為1.8m，故在設置模型時，在半徑方向的距離大于1.8m，設備高度為7.25m，求解域高度大于設備高度即可，故本文建立一個高度為8m、直徑為6m的空氣域進行仿真計算。為簡化運算，將模型對稱分割，得到快速斷路器求解域如圖5所示，在分割面處添加偶對稱邊界條件，空氣域外邊界采用開放邊界，底部邊界設置為零電位。

表1 252kV快速斷路器額定絕緣水平 單位: kV

表2 材料相對介電常數

圖5 快速斷路器求解域

2.4 許用電場強度的選取

根據電介質理論，要使導體表面產生電暈放電，需要導體表面電場強度達到起暈要求。為了防止電暈發生，需要將整體電場強度控制在起暈場強以下，而起暈場強目前沒有統一標準。由于起暈場強因海拔高度不同而不同，故本文參考高海拔控制電場強度修正法計算起暈控制電場強度[15-17]，如式（6）所示。

式中：0為零海拔下金具表面起暈場強；1為海拔修正系數；2為安全裕度系數，取1.4。

根據球、環、防振錘及均壓屏蔽環的計算結果可知，在零海拔條件下，金具表面電場強度達到40kV/cm左右時[15]，會發生電暈放電，因此以該值作為場強修正法的基準起暈場強。

依據國網電力科學院等機構的試驗結果及國內外海拔修正的相關經驗，海拔修正系數取值見表3。

表3 海拔修正系數取值

本文涉及的地區海拔高度接近500m，故修正系數1取1.05，安全裕度采用1.4。經修正可得金具表面起暈場強為2.72kV/mm。

金具表面工作控制場強應為起暈場強的85%[16]，故本文金具表面工作控制電場強度應在2.3kV/mm以下。

3 252kV快速斷路器電場仿真

3.1 無均壓裝置的電位分布及電場分布

無均壓裝置快速斷路器的電場強度及電勢分布如圖6所示。由圖6（a）可知，未安裝均壓裝置的快速斷路器的最大電場強度為4.45kV/mm，遠超計算所得2.3kV/mm的起暈場強。從電場強度分布圖可以看出，控制柜的邊緣處電場集中，因此本文主要針對控制柜體四周的均壓裝置進行優化研究。

3.2 均壓裝置結構參數對電場分布的影響

為探尋最優的均壓裝置結構與參數，分別研究管母型均壓裝置和半圓型均壓裝置的不同管徑、安裝距對電場強度的影響。原有均壓裝置采用半圓型結構，其結構及安裝參數見表4。

圖6 無均壓裝置快速斷路器的電場強度及電勢分布

表4 原有半圓型均壓裝置結構及安裝參數

圖7所示為兩種快速斷路器在不同管徑下的最大電場強度。根據圖7可知，隨著管徑增加，安裝半圓型均壓裝置的快速斷路器和安裝管母型均壓裝置的快速斷路器的最大電場強度逐漸降低。其中，對于安裝半圓型均壓裝置的快速斷路器，當管徑為30～50mm時，最大電場強度依次降低，而當管徑為50mm、55mm和60mm時，最大電場強度的下降趨勢并不明顯，均在2.5kV/mm左右。管母型均壓裝置比半圓型均壓裝置的均壓效果更好，隨著管徑增加，最大電場強度逐步下降，且當管徑大于40mm時，電場強度已滿足在2.3kV/mm以下的要求。

圖7 兩種快速斷路器在不同管徑下的最大電場強度

圖8為兩種快速斷路器在相同管徑、不同安裝距下的最大電場強度。由圖8可知，當安裝距逐漸增加時，安裝半圓型均壓裝置的快速斷路器的最大電場強度逐步降低，當安裝距增加到大于40mm時，最大電場強度不再明顯下降，在2.55kV/mm左右，不滿足既定許用場強2.3kV/mm的要求。安裝管母型均壓裝置的快速斷路器的最大電場強度隨安裝距的增加而逐步降低，當安裝距大于55 mm時，最大電場強度沒有明顯變化，穩定在2.1kV/mm左右，滿足許用場強2.3kV/mm的要求。

圖8 兩種快速斷路器在相同管徑、不同安裝距下的最大電場強度

3.3 均壓裝置優化配置

根據以上仿真分析可知，采用半圓型均壓裝置，通過增加管徑和安裝距不能有效地將最大電場強度降低到2.3kV/mm的許用場強以下，故優先采用管母型均壓裝置。考慮成本及結構強度，優先選用管徑及安裝距較小的方案，故快速斷路器均壓裝置優化配置方案見表5。

表5 快速斷路器均壓裝置優化配置方案

3.4 絕緣試驗

將優化后的均壓裝置裝配到252kV快速斷路器，并進行絕緣試驗，試驗設備如圖9所示。

圖9 絕緣試驗設備

直流耐受電壓試驗：串聯斷口處于合閘狀態，斷口連接直流耐壓設備高壓端，底部接地銅排接地。施加的直流耐受電壓為341kV，試驗持續60min，正負極性各1次。直流耐受電壓試驗后，若非自恢復絕緣上破壞性放電未發生，則通過直流耐受電壓試驗。

局部放電試驗：完成耐受試驗之后，設備施加電壓為負極性電壓，持續30min耐壓試驗。在整個試驗過程中，局部放電的測量按照GB/T 7354—2018相關要求執行。判斷試驗標準為：在最后一次極性轉換完成最后29min內，觀測大于1 000pC的局部放電脈沖不超過29個，在最后10min內大于500pC的局部放電脈沖不超過10個。

經過直流耐壓測試，非自恢復絕緣上未出現破壞性放電。局部放電試驗結果見表6，在最后29min內出現16次大于1 000pC的局部放電脈沖，在最后10min內出現4次大于500pC的局部放電脈沖，均滿足局部放電要求。

表6 局部放電試驗結果

4 結論

采用有限元計算方法，對快速斷路器不同的均壓結構及參數進行電場分布對比分析，得到不同結構、不同尺寸及安裝距下的最大電場強度，具體結論如下：

1）快速斷路器產生電場集中現象的部位主要是操動機構箱的邊角處，通過加裝優化后的管母型均壓裝置可將最大電場強度從4.45kV/mm降低到2.3kV/mm以下，比相同管徑下安裝半圓型均壓裝置的最大電場強度3.05kV/mm降低約24.6%。

2）通過對不同結構參數的均壓裝置進行對比仿真發現，兩種結構下的最大電場強度都會隨管徑和安裝距的增加而減小，達到一定值后，繼續增加管徑和安裝距，最大電場強度不再明顯減小。

3）通過對比不同結構參數下的最大電場強度，得出快速斷路器均壓裝置的優化配置方案：選用管母型均壓裝置，管徑為40mm，安裝距為20mm，最大電場強度為2.21kV/mm，滿足許用場強2.3kV/mm的要求，并通過試驗得到了驗證。

[1] 余爽, 趙科. 一起1100kV氣體絕緣金屬封閉開關設備母線放電故障分析[J]. 電氣技術, 2021, 22(4): 94-97.

[2] 袁娟, 劉文穎, 董明齊, 等. 西北電網短路電流的限制措施[J]. 電網技術, 2007, 31(10): 42-45.

[3] 劉鵬, 郭伊宇, 吳澤華, 等. 特高壓換流站大尺寸典型電極起暈特性的仿真與試驗[J]. 電工技術學報, 2022, 37(13): 3431-3440.

[4] 趙強, 曹力雄. 一起特高壓換流站500kV斷路器擊穿故障分析與處理[J]. 電氣技術, 2021, 22(8): 58-61, 68.

[5] 方書博, 李牧, 項濤, 等. 750kV變電站導線場強及電暈噪聲分布[J]. 水電能源科學, 2015, 33(4): 170-173.

[6] 張占龍, 王科, 唐炬, 等. 變壓器電暈放電紫外脈沖檢測法[J]. 電力系統自動化, 2010, 34(2): 84-88.

[7] 孫海濤, 楊杰, 張邁, 等. 750 kV變電站噪聲衰減與降噪措施[J]. 電氣應用, 2019, 38(9): 27-33.

[8] 李學寶, 吳昊天, 程璐瑩, 等. 直流電暈放電無線電干擾隨機時域計算模型研究[J]. 電工技術學報, 2023, 38(6): 1531-1540, 1583.

[9] 張躍, 蘇淮北, 何明鵬, 等. 雙極性方波場下電暈老化對環氧樹脂空間電荷特性的影響[J]. 高電壓技術, 2022, 48(12): 4731-4738.

[10] 畢茂強, 董揚, 陳曦, 等. 表面狀態對硅橡膠電暈老化進程及特性的影響研究[J]. 中國材料進展, 2022, 41(6): 429-434.

[11] 毛艷, 丁玉劍, 郭賢珊, 等. ±1100 kV PLC電抗器均壓屏蔽裝置的結構優化[J]. 高電壓技術, 2021, 47(4): 1436-1442.

[12] 劉鵬, 吳澤華, 程建偉, 等. 特高壓多端柔直換流站直流場均壓屏蔽金具電場分布仿真分析與差異化優化方法[J]. 電網技術, 2021, 45(6): 2405-2412.

[13] 張翔, 孫健, 張子敬, 等. ±1100 kV換流閥屏蔽罩結構改進及U50試驗[J]. 高電壓技術, 2019, 45(11): 3693-3699.

[14] 姚宏洋, 文衛兵, 謝曄源, 等. ±800 kV柔性直流換流閥閥塔均壓優化設計[J]. 電力工程技術, 2021, 40(2): 178-184.

[15] 高壓開關設備和控制設備標準的共用技術要求: DL/T 593—2016[S]. 北京: 中國電力出版社, 2016.

[16] 變電站控制電暈噪聲技術導則 (導體金具類): Q/GDW 551—2010[S]. 北京: 中國電力出版社, 2011.

[17] 輸電線路降低可聽噪聲設計和建設導則: Q/GDW 550—2010[S]. 北京: 中國電力出版社, 2011.

Research on optimization of voltage equalization system for 252kV high speed circuit breakers

WANG Zhiyong HAN Yuhui CHEN Xin

(NR Electric Power Electronics Co., Ltd, Changzhou, Jiangsu 213025)

In the structural design of high voltage equipment, the electric field distribution is an important factor that cannot be ignored. Therefore, the electric field distribution should be analyzed and verified in the research and development stage of fault current breaker. In this paper, the 252kV fault current breaker structure is used as the prototype to establish a three-dimensional simplified model for electric field simulation. The influence of the structure, size and installation distance of the voltage equalizing device on the electric field distribution is simulated and analyzed. Through comparative research, the structure, installation position and size of the voltage equalizing device are optimized and configured. Finally, a tubular type voltage equalizing device with a pipe diameter of 40mm and an installation distance of 20mm is selected. This plan can control the overall maximum electric field intensity below 2.3kV/mm, and the analysis results can provide reference for product optimization.

high speed circuit breaker; electric field intensity; voltage equalizing device

2023-08-07

2023-08-28

王智勇（1988—），男，江蘇常州人，碩士，工程師，從事電力設備產品設計研究工作。