自适应型均压真空灭弧室电热场设计与优化

随着“中国制造2025”中的“创新驱动、绿色发展”的提出,高压电力开关逐步向智能化、环保化方向演进。真空断路器相对SF_(6)断路器,绝缘介质和灭弧介质对环境友好,是断路器未来发展的方向。多个真空断口串联避免了单断口真空断路器的饱和效应,将真空断路器推向更高的电压等级,多断口断路器核心技术难题是均压配置,传统均压措施并联的均压电容需要空间大,不能满足电力系统小型化、智能化建设需要。针对上述问题,提出了一种自适应型均压真空灭弧室结构,对新结构进行电热场仿真计算,为未来样机研制提供理论依据。

串联真空灭弧室工频预击穿电流的自均压作用

为给多断口真空断路器的开发提供理论和试验依据,进行了小开距下单断口和三断口真空灭弧室的工频电压击穿试验。工频电压击穿试验结果表明,三断口真空灭弧室的各断口电压分布在总电压的上升过程中得到了一定的改善,设计了双断口真空灭弧室的工频电压分布试验验证了该结论。真空灭弧室在工频电压作用下会同时流过容性电流和预击穿电流,故引入了预击穿电流对上述试验现象进行分析,提出了串联真空灭弧室的工频预击穿电流具有自均压作用。仿真得到的场致发射电流和试验得到的预击穿电流波形基本一致,表明真空短间隙的击穿主要是由场致发射引起的。而真正决定断路器开断成败的是暂态恢复电压,指出了多断口真空断路器不能仅依靠这种自均压作用,还需配置合理的均压措施。

串联专用自均压真空灭弧室探讨

紧凑型均压配置是罐式多断口真空断路器的迫切需求,为解决罐式结构绝缘空间小和电压分布不均等问题,基于均压屏蔽罩、环形陶瓷电容和固封集成等技术,提出串联专用自均压真空灭弧室结构,环形陶瓷电容器并联于真空灭弧室主屏蔽罩中封环处,实现主屏蔽罩悬浮电位均压,同时可用于断口间均压控制。通过电场分析与优化得到一体化新结构的绝缘配置,建立新结构动态电荷补偿后的自均压等值电路,分析了主屏蔽罩吸附电荷和触头间隙弧后电荷之间的动态电荷补偿对动态自均压的作用基本原理。研究表明:串联专用自均压真空灭弧室可实现串联断口、主屏蔽罩静动态均压,进而提高内外部绝缘强度,初步说明串联专用自均压真空灭弧室的可行性,为超高压紧凑型罐式多断口真空断路器串联用真空灭弧室设计提供新的结构和思路。

串联用一体化自均压真空灭弧室绝缘配置与优化

随着智能变电站模块化建设推进,罐式多断口真空断路器成为发展趋势。为解决罐式多断口真空断路器结构紧凑、内部均压配置空间不足的问题,提出了基于环形陶瓷电容器和外部均压屏蔽罩固封集成的40.5k V一体化自均压真空灭弧室新结构,对其结构组成和工作原理进行了分析。采用COMSOL软件建立了一体化自均压真空灭弧室的三维电场模型,计算得到真空灭弧室内部、外部、沿面电场分布情况,对比分析得到一体化新结构与商用真空灭弧室的区别,对外部均压屏蔽罩结构尺寸、环氧固封厚度、陶瓷电容器参数、外部均压屏蔽罩与陶瓷电容器连接方式等部件进行了优化,确定串联用一体化自均压真空灭弧室结构配置方案,并进行了罐式串联方式的均压效果验证。研究表明:一体化自均压真空灭弧室可改善电场分布,提高外部绝缘强度,构建的灭弧室均压电容范围为800~1200 pF,可满足主屏蔽罩和断口间均压需求,为一体化自均压真空灭弧室工程应用提供设计依据。

基于两间隙异步联动的一体化高压真空灭弧室电场设计

输电等级真空灭弧室是迫切需要解决的行业级难题,为克服单断口真空灭弧室绝缘瓶颈和多断口串联结构复杂等问题,该文提出了一种基于两间隙异步联动的一体化高压真空灭弧室结构,该结构采用辅间隙与主间隙串联异步联动,辅间隙协助主间隙绝缘和灭弧,有望实现252kV及以上电压等级真空灭弧室的工程应用。建立了两间隙异步联动的一体化高压真空灭弧室电场仿真模型,分析了进出线方向、主辅间隙、屏蔽罩等对电场强度和电压分布关系的影响规律,并研究了屏蔽罩结构和环形陶瓷分压电容器等分压措施对电场提升的效果。研究表明:静端盖为出线端、动端盖为进线端时,主间隙开距为60 mm、辅助间隙开距为30 mm可以满足分压关系按照开距大小分布,最大电场强度相比于长间隙开距60 mm时降低27.3%。外部并联环形陶瓷分压电容器可以满足双向分断的要求,进线端在静端盖时外部并联环形陶瓷分压电容器灭弧室相较于未并联电容的灭弧室最大电场强度降低30%左右,初步说明了基于两间隙异步联动的一体化高压真空灭弧室结构的可行性和有效性,研究可为高电压等级真空灭弧室研制提供新思路和新方法。

不同灭弧室串联的双断口真空断路器分压特性研究

文中针对不同灭弧室串联构成的双断口真空断路器电压分布特性展开研究,旨在实现双断口真空断路器的自均压和最大开断能力。基于Ansoft仿真软件,建立了不同结构的12 kV真空灭弧室串联构成的双断口真空断路器电场分析模型,分析了每种组合的电压分布情况并计算了等效电容参数,通过双断口真空断路器等值电路分析了不同灭弧室串联组合的自均压效果。然后搭建了高频分压试验平台,进行了不同灭弧室构成的双断口真空断路器分压试验试验,得到了不同组合方式下的电压分布特性。结果表明:在无均压电容的条件下,通过不同灭弧室的合理组合可改善电压分布情况,获得较好的自均压效果,以提高双断口真空断路器的开断能力。文中的研究工作为减小均压电容和提高双断口真空断路器的开断能力奠定了基础。

不同灭弧室串联的真空断路器动态电压分布特性研究

改善双断口真空断路器的电压分布特性可以提高其开断性能。为此,采用2个不同尺寸参数的灭弧室组成双断口真空断路器,研究在无并联均压电容条件下如何优化双断口真空断路器的动态电压分布特性。在静态电压分布特性研究的基础上,选用3种不同灭弧室两两组合,构成4种不同组合方式的真空断路器。在ANSYS中计算4种真空断路器的等效电容参数,搭建动态电压分布试验平台,在高、低压断口不同燃弧时间下,对4种真空断路器进行动态电压分布试验。试验中高压侧断口动态分压占比可由79.28%改善为50.36%。试验结果表明,配合不同的燃弧时间,通过合理选择高、低压侧灭弧室尺寸参数,即使不采用均压措施也可以改善暂态恢复电压的分配比例。

252 kV环保型GIS双断口真空断路器并联电容的电场分析计算

文中设计了两种新型252 kV环保型GIS双断口真空断路器均压结构形式,采用双断口真空灭弧室每断口并联一根电容或两根电容两种不同的均压方式,通过对不同均压方式计算电场值对比分析,得出了双断口真空断路器不同的均压方式对主要部件电场的影响规律。计算结果表明:真空灭弧室并联单根电容的均压方式只会减小断口间的不均匀系数,但是对屏蔽罩和触头的电场强度降低不明显,而两根单电容串联的均压方式不仅减小断口不均匀系数且降低了真空灭弧室内悬浮屏蔽罩之间的电位差值,使电位分布更均匀,降低屏蔽罩及触头场强值,相对于并联单电容的均压方式触头最大场强值降低了25.78%。

多断口真空快速隔离开关试验研究

快速隔离开关是混合式直流断路器的关键部件之一,其分合闸时间在数毫秒以内的,常规断路器难以提供如此快速的操作速度。文中在借鉴已有真空开关研制经验的基础上,从分析直流快速隔离开关的需求入手,重点对真空小间隙应用在直流隔离、无弧分断场合的情况进行有针对性的系列试验,同时借助试验和理论分析,解决了多断口均压问题,使中压真空开关得以扩展到高压直流隔离开关应用领域。研制出一台分闸速度小于3 ms的200 k V直流快速隔离开关,且该方案具有易于向高压扩充的优势,能满足混合式直流断路器的应用需求。

40.5 kV无功投切用双断口真空断路器的研究与设计

针对40.5 kV真空断路器投切电容器组时重击穿概率高和投切电抗器时多次重燃而引发的过电压问题,采用双断口技术进行无功投切是切实可行的解决方案之一。为此,文中对40.5 kV双断口真空断路器的关键技术进行了深入研究,给出了双断口真空断路器绝缘特性的实验测量方法,获得了均压电容对其工频耐压和雷电冲击耐压特性的影响规律,研究了触头材料对真空灭弧室无功投切性能的影响,完成了专用真空灭弧室和固封极柱的优化设计方案,在此基础上完成断路器整机设计并研制出样机,开展了相关的性能验证试验以满足电力系统的要求。

500 kV快速开关型故障限流器的罐式快速开关

快速开关型故障限流器是有效限制短路电流的方案之一。该研究提出一种适用于500 kV故障限流器的多断口串联罐式快速开关,该开关采用气体绝缘金属封闭式结构,断口采用真空绝缘形式。操作机构采用电磁斥力机构,开展三维有限元仿真优化有效提升斥力机构的出力效率,平均分闸速度>5m/s。对地绝缘方面,开展了断口绝缘屏蔽结构的电场仿真优化机绝缘试验,结构优化后场强最大为18k V/mm。端间绝缘方面,开展了整机的杂散电容仿真、均压效果仿真与试验验证,通过配置均压电容不均压系数限制在1.24以下。最后搭建整机样机,进行了短路开断试验,试验结果表明:罐式快速开关具备快速开断50 kA电流的能力,全开断时间小于15 ms。