我国开发126kV真空断路器的必要性及其初步研究

报导了真空断路器在我国电网上的使用情况,分析了一些发达国家今后发展真空断路器的趋势。论证了在我国开发126kV等级真空断路器的现实意义,介绍了将在我国建立制造高压真空断路器基地及其操动机构的准备工作等。

126kV真空断路器用的永磁操动机构概况

一、前言 永磁操动机构结构简单,零部件仅为电动弹簧操动机构的35%～40%.制成的产品具有可靠性高、操作寿命可以到10万次以上和稳定性好等优点,非常适合于同真空断路器的配套.

新型126kV真空断路器用的电极结构的研究

分析了126kV真空断路器用的真空灭孤室的发展方向，介绍了国内正在开发研究的具体情况，并与日本明电舍126kV真空灭孤室在设计、计算和试验等方面进行了对比，说明我国已能开发生产高电压等级和高水平的真空灭孤室。

基于最优合闸速度设计126kV真空断路器操动机构凸轮轮廓

文中以合闸过程中燃弧时间最短为目标,提出了设计高电压等级真空断路器凸轮轮廓的方法。首先,通过实验确定合闸速度特性。得到126 kV真空断路器合闸燃弧时间与预击穿速度的数学关系,表明在预击穿速度为1.15 m/s时,126 kV真空断路器的合闸燃弧时间最短;其次,由上述方法得到真空断路器合闸行程曲线确定凸轮轮廓线。根据合闸行程曲线上每个点确定弹簧操动机构主轴转角,并根据合闸弹簧所需要的能量确定机构储能轴转角,然后由主轴转角与储能轴转角的比值确定凸轮的轮廓曲线。最后,根据上述凸轮轮廓设计方法编制了凸轮设计软件,利用该软件设计的凸轮在ADAMS仿真软件中对整机进行仿真计算,仿真结果得到预击穿速度为1.18 m/s,表明此设计能很好的满足设计要求。

126kV真空断路器触头合闸冲击力的测量及仿真分析

文中研究目标是确定126 kV真空断路器触头合闸冲击力的大小以及相关因素的影响。利用PVDF压电传感器测量了合闸过程中触头冲击力曲线。得到合闸速度约为1.5 m/s时冲击力峰值为97 995 N,持续时间为0.487 ms。通过Ansys/LS-DYNA软件仿真研究了触头的凸台直径、材料弹性模量、合闸速度以及触头弹簧力对合闸冲击力的影响。仿真结果表明:触头凸台直径对触头冲击力基本无影响;触头材料弹性模量增大时,触头冲击力峰值增大,冲击力持续时间减小;触头合闸速度以及触头弹簧力增大时,触头冲击力峰值增大,冲击力持续时间基本不变。

126kV真空断路器永磁摆角电机操动机构的设计与动态特性分析

为提高断路器的可靠性并结合高压开关设备的智能化发展方向,针对126 kV真空断路器设计了一种新型永磁摆角电机驱动操动机构。根据126 kV真空灭弧室的性能要求对该操动机构进行了运动学分析,提出驱动电机的设计参数,采用场-路-运动耦合法对驱动电机的动态性能进行了有限元分析,在此基础上建立了断路器的虚拟样机模型并对其动力学特性进行仿真研究。基于仿真结果制成了永磁摆角电机操动机构样机并与真空断路器进行了联机分合阐操作试验。试验结果表明,永磁摆角电机操动机构能可靠实现126 kV真空断路器的分合闸操作并能满足断路器灭弧室的速度特性要求,验证了操动机构设计的合理性。此外,仿真计算与试验结果基本吻合,验证了仿真分析的正确性。

126kV真空断路器电机操动机构动态仿真与试验研究

为了简化高压真空断路器操动机构的结构并提高其工作可靠性,笔者对不同转子结构的真空断路器电机操动机构的动态特性进行了研究。建立了126 kV真空断路器操动机构的动态仿真模型,推导了驱动电机主轴侧的等效转动惯量、动态反力以及动触头行程与驱动电机转角的关系。依据上述分析并综合考虑绕组端部效应对电机启动过程的影响,采用场—路—运动耦合法对驱动电机在断路器分、合闸操作过程中的瞬态磁场和动态机械特性参数进行了仿真计算。结合仿真结果制成了永磁驱动电机样机,进行了操动机构与断路器联机试验试验。试验结果表明:电机操动机构能实现断路器的可靠分、合闸操作,平均合闸速度达到2.51 m/s,平均分闸速度达到3.35 m/s,满足断路器的要求。动态性能仿真结果与试验结果基本吻合,验证了仿真分析的有效性。

126kV真空断路器过电压仿真和保护技术研究

为保证126 kV单断口真空断路器挂网运行和操作过电压测试的安全,进行了断路器的操作过电压仿真计算和过电压保护研究。首先,确定断路器运行方式和建模数据;然后,EMTP建模仿真计算切合变压器和空载线路的操作过电压,并与变压器操作过电压的实际测试结果对比分析;最后,根据仿真计算提出过电压保护方案。结果表明,126 kV真空断路器的操作过电压较高,切空载变压器的过电压值低,不需要采取过电压保护措施,切负载变压器的过电压程度较高,应采取过电压保护措施,与现场测试结果一致;空载线路中由于110 kV母线安装有避雷器保护,过电压损坏架空线路程度低;金属氧化物避雷器可有效限制126 kV真空断路器的操作过电压。

126kV真空断路器的改进与提高

介绍新开发的126kV单断口真空断路器产品,分别阐述了提高额定电流的参数;改进SF6气体为高阻燃点的β液;改革分合闸操动机构;改善开断性能;降低涌流电流以及抑制了过电压等技术措施。

126kV真空断路器在油田电网试运行研究

为减少上一代SF_6断路器产生的大气温室效应,应用并推广更具环保性和经济性的ZW59-126/T2000-40型户外高压真空断路器,在某油田电网对其挂网试运行。针对油田电网的特殊性设计了接入方案,即在变电站内增设1台126 k V真空断路器,与原SF6断路器串联运行。在试运行期间对其电流和真空度进行监测和检测,测试结果均满足相关标准要求,单台126 k V真空断路器减少SF_6气体的减排量化效益达25 200元。该断路器适应我国最恶劣自然环境下的工况,本次试运行为断路器产品的性能优化提供了数据资料,为今后高压真空断路器的推广和应用提供了理论基础。

126kV真空断路器新型磁力操动机构研究与设计

对比永磁操动机构,磁力机构具有出力大、行程长等优点,可用于中高压等级。在126 kV真空灭弧室研制成功的基础上,文中提出一种适用于126 kV单断口真空断路器的新型长行程磁力操动机构。利用Ansys仿真软件对126 kV磁力机构静态特性进行仿真设计,通过改变辅助永磁体排列方式、端盖封装方式增大了机构合闸保持力,采用增大合闸保持力的方法使机构分闸速度得到提高。分析了充电电容、线圈匝数等电气参数对磁力机构动态特性的影响,并在此基础上进行了参数优化。仿真结果表明,文中设计的126 kV单断口真空断路器磁力操动机构具有良好的动作特性。

126kV真空断路器操作过电压测试

文中介绍了126 kV单断口真空断路器的操作过电压现场测试结果。首先,确定断路器应用场所并设计了过电压测试方案;然后,测试真空断路器和SF6断路器切合变压器的操作过电压并进行对比;最后,测试真空断路器切合空载线路操作过电压。通过测试,真空断路器和SF6断路器切合变压器的操作过电压水平基本接近,切合空载变压器时无过电压,而带载变压器操作过电压可达1.46倍;真空断路器切合空载变压器的过电压分别可达1.34倍和1.25倍。

基于光控真空断路器模块串联的126kV三断口真空断路器设计与试验

为将真空断路器应用于更高电压等级,多断口真空断路器的研究成为行业内的热点问题。在分析总结此前研究成果的基础上,设计了一种由3个光控真空断路器模块(FCVIM)串联组成的126 k V真空断路器。断路器按照U形方式串联光控真空断路器模块,光控真空断路器模块主要由外绝缘部件、真空灭弧室、均压电容、永磁操动机构及其控制器和操动电源等部分组成,在低电位通过光纤控制技术对工作于高电位的永磁操动机构进行控制。对三断口真空断路器和单断口真空断路器模块分别施加雷电冲击电压,结果显示三断口真空断路器相对单断口真空断路器的击穿电压增益倍数为1.59;在并联不同均压电容和人为制造三断口不同步分断情况下研究三断口真空断路器暂态电压分布特性,发现低分散性操动机构和均压电容的应用可以有效提高其开断能力。三断口真空断路器在额定电压下成功开断40 k A短路电流,在不同试验方式下完成重合闸操作,并已顺利通过挂网试运行。

126kV双断口真空断路器的理论分析

在分析国内外高电压等级真空开关研究的基础上,提出了研发126 kV双断口真空断路器的必要性和可行性,并针对双断口真空开关存在的缺陷提出了解决措施。在双断口均压问题上,笔者给出一种新型126 kV双断口真空断路器,通过理论分析,表明这种设计具有较好的断口均压特性,避免了采用断口并联电容均压方式带来的不利影响。利用永磁机构传动精度高的特点,将其应用在双断口真空断路器中,保证了双断口合分动作的同步性。

126kV单断口真空断路器全电压关合试验研究

笔者旨在通过试验研究126kV单断口真空断路器在全电压关合过程中出现的一种新现象．即关合过程中自电压跌落至大电流引入期间，出现预击穿电弧自熄灭、触头间隙多次击穿且电流引入时间呈波动性大现象。采用合成试验方法与直接试验方法分别对126kV真空断路器进行全电压关合试验．OP2（a）和T100（a）。采用合成回路试验方法进行试验时，采用了两种关合装置。试验结果表明：采用合成试验回路进行全电压关合试验时。关合装置的时延远远大于300μs．不能满足IEC62271—100—2008标准对高压合成关合试验的要求，且关合过程中触头间隙发生多次预击穿现象；采用直接试验回路进行全电压关合试验时．触头间隙同样会发生多次预击穿现象，且电流引入时间具有不稳定性（200～800μs），这是高压真空断路器本身特性决定的．

40.5 kV真空断路器分闸并联电抗器重燃过电压及抑制方法

40.5 kV真空断路器分闸并联电抗器时,极易出现截流和电弧复燃,由此产生的重燃过电压会危害系统设备绝缘,危及电网安全稳定运行。为分析重燃过电压的特性及危害,文中考虑分闸过程中真空断路器触头之间的燃弧特性,利用电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC构建了准确的真空断路器的三相分闸重燃模型及开断并联电抗器的220 kV变电站系统仿真模型,分析了真空断路器分闸初相角和介质绝缘恢复速度对重燃过电压的影响。文中提出了避雷器和阻容吸收器、以及避雷器和铁氧体磁环两种过电压协同防护方案,与避雷器、阻容吸收器和铁氧体磁环单独使用时对重燃过电压的抑制效果进行了对比,并分析了不同安装位置下的抑制效果,验证了文中所提出的避雷器和阻容吸收器以及避雷器和铁氧体磁环两种协同防护重燃过电压方案的有效性。文中的研究成果为并联电抗器的投切和抑制方面的实际应用提供了理论支撑。

10 kV真空断路器的使用和维护及故障处理研究

真空断路器是在绝缘技术、气体保护以及灭弧技术基础上发展而来的,其最大的特点就是体积小、自重轻、结构紧凑,并且能够有效降低灭弧过程中的气体压力,从而减少电弧能量的损耗。真空断路器在正常运行时能承受很高的操作电压,且不会出现火花、电弧和爆炸等情况,所以真空断路器具有很高的使用价值。文章对10 kV真空断路器使用和维护过程中出现的问题进行分析与探讨,并提出有效对策。

新型126kV高压真空断路器的设计及开断能力试验研究

针对真空开关技术在126kV高电压等级应用的问题,提出了一种新型的126 kV高压真空断路器的设计方法。基本思想是采用双断口模式,设计了断路器的断口布置,使断口电压均匀分布,从而无需加装均压电容,避免传统方法中因均压电容的增加带来的隐患;根据断口布置,确定断路器的运动系统,利用虚拟样机软件ADAMS确定了优化结果;针对该新型断路器的开断能力测试,搭建了合成试验回路,经过一系列的试验,证实了新型的126 kV高压真空断路器具有31.5kA短路电流开断能力,表明该126kV高压真空断路器的设计不仅可行,而且新颖有效。

采用4种不同纵磁触头结构的126kV单断口真空断路器温升性能对比研究

为进一步提升126 kV单断口真空断路器额定通流能力,文中针对4种采用不同纵磁触头结构的126 kV真空断路器的温升特性通过仿真进行了对比研究。4种纵磁触头分别为2/3、3/4匝线圈型、马蹄铁型和开槽马蹄铁型纵磁触头。有限元仿真结果表明在通流3150 A时4种触头的热态交流电阻分别为30.2、36.9、24.0、16.3μΩ。4种断路器整机的温度分布采用有限体积法计算得到,温升仿真模型由通流2500 A下的实验结果验证。结果表明,仿真模型在灭弧室周围的5个测温点内计算误差小于10%,最大的计算误差由于未考虑外部接线的影响,出现在断路器端部,为36%。通过对4种纵磁触头在3150 A下的温升特性进行仿真,发现开槽马蹄铁型纵磁触头在上述4种触头结构中具有最好的温升表现,并且其3150 A温升特性符合国标要求,其中温升最高的测温点温升为66 K。

1.5 kV低频真空断路器开断能力的研究与验证

风能是可再生新能源的重要组成部分,风力发电在全球的建设和应用呈现快速发展趋势。相比陆上风电,海上风电具备风速和风向平稳、单机装机容量大、不占用土地、适合大规模开发等优势,然而随着海上风电深远、大容量化,在远距离情况下,现有的交流工频输电损耗大、电压偏差大,电缆线路电容升压效应明显,此情况影响风电产业的发展,通过采用交流低频输电技术可解决上述中远海大容量风电输电并网问题,而低频输电主要造成断路器开断短路电流时燃弧时间长,降低断路器的开断能力,尤其是空气绝缘型断路器,燃弧时间长将对产品造成严重破坏。对1.5 kV真空断路器在20 Hz频率下对断路器开断能力的影响进行研究,设计了一款工频下分断能力100kA断路器,采用真空灭弧方式,横向磁场触头直径为100mm,通过Slade研究的有关计算公式,计算出在20Hz下断路器开断能力为63kA,再通过试验进行了验证。结果证明,新设计的1.5kV真空断路器实际开断能力可达70kA以上,高于计算的63 kA,为以后真空低频断路器设计提供参考。