針對多斷口真空斷路器分壓均勻性優(yōu)化設(shè)計研究

馬驍 張良 任華

摘要：斷路器是保證電力系統(tǒng)安全運行的重要組成部分，該設(shè)備憑借自身良好安全性、使用壽命時間長等優(yōu)勢在中壓領(lǐng)域得以廣泛應(yīng)用。為了進(jìn)一步推動真空斷擼起向高級電壓方向發(fā)展，文章采用將間隙長度分割多個短間隙并串聯(lián)的方式來實現(xiàn)，并設(shè)置相關(guān)實驗對改變真空滅弧室電壓的分布情況和提升多斷口真空斷路器的開斷性能進(jìn)行驗證。

關(guān)鍵詞：多斷口真空斷路器;電壓分布關(guān)系;均壓措施;樣機(jī)設(shè)計

中圖分類號：TM561.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1001-5922（2021）01-0136-05

0引言

伴隨著社會經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，電力行業(yè)也得到飛躍式進(jìn)步，此時，高壓電器設(shè)備所面臨的工作難度也逐漸加大。真空開關(guān)、油開關(guān)、壓縮空氣開關(guān)均是高壓設(shè)備電氣設(shè)備的重要組成部分，由于壓縮空氣開關(guān)斷容量大小無法適應(yīng)電力系統(tǒng)發(fā)展，油開關(guān)也存在易爆危害，所以真空開關(guān)是目前市面上普遍使用的開關(guān)類型。真空斷路器利用自身在開斷過程中吸收回路能量的優(yōu)勢，在中壓、低壓領(lǐng)域占據(jù)大部分市場份額。本文為了推動真空斷路器向高壓等級發(fā)展，故對該斷路器真空間隙的飽和特性進(jìn)行研究，并對其結(jié)果進(jìn)行分析得知該設(shè)備的開斷能力與電壓分布有密切關(guān)系。

1多斷口真空斷路器等值電路的理論現(xiàn)狀

電壓的開斷動作是影響多口真空斷路開斷能力的因素之一。多斷口真空斷路器為實現(xiàn)真空滅弧室開斷高壓等級電流，可保證不改變真空斷路技術(shù)總長度狀態(tài)下，將其分割為多個短間隙并串聯(lián)，極大程度運用短真空間隙性能。

1.1雙斷口暫態(tài)恢復(fù)電壓分配機(jī)理

為了有效對真空斷路器電壓分布情況提供理論基礎(chǔ)，需對地雜散電容和等效電容在真空滅弧室的分布情況進(jìn)行分析，如圖1所示。

1.2三斷口斷路器模型等值電路

在電壓分布方面三斷口語雙斷口分析方法一致，三斷口模型等著電路圖較為復(fù)雜。圖2所示為三斷口真空斷路器等值電路圖，真空滅弧室1和2中靜觸頭電極、懸浮屏蔽罩電極均以不同序號所標(biāo)記。

2多斷口電場仿真計算

多斷口真空斷路器的結(jié)構(gòu)與布置方式均會受到靜電場仿真計算工作的影響。因此，利用計算機(jī)的計算功能對該設(shè)備布置方式、結(jié)構(gòu)設(shè)計提供理論分析，為了使多斷口真空斷路器開斷能力得以有效提升，需對各真空滅弧室電壓分布情況進(jìn)行計算，并選擇電壓分布均勻性較好的布置方式。

2.1雙斷口真空斷路器靜電場仿真計算

除地雜散電容對雙斷口真空斷路器電壓的影響外，其排列方式也會對分壓結(jié)果產(chǎn)生影響。該設(shè)備的排列結(jié)果大致可分為L型、Ⅱ型，水平及豎直4種，利用模型分壓計算方式對這4種排列方式進(jìn)行計算，詳情如表1所示，并根據(jù)計算結(jié)果選擇最優(yōu)排列方式，以此來實現(xiàn)雙斷口真空斷路器電壓分布的優(yōu)化。

仿真計算方式除計算各真空滅弧室電壓分布關(guān)系外，也可對各部分電容大小進(jìn)行計算，主要是對地雜散電容和等效電容的計算。圖3為單斷口真空滅弧室等效電容計算等值路圖，其中懸浮屏蔽罩、動觸頭、靜觸頭等電容值均與真空滅弧室等效電容有直接關(guān)系，公式（1）是對真空滅弧室等效電容的計算，其中電極1、2、3分別為靜觸頭、動觸頭、懸浮屏蔽罩。

2.2三斷口靜電場仿真計算

三斷口仿真計算方式與雙斷口一致。各滅弧室中對地雜散電容和布置方式是影響電壓分布情況的重要參數(shù)。因此，選擇均壓效果最合理的布置方式，需針對其設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化，并選擇大小合適的補(bǔ)償電容值，如圖4所示，公式（2）則為補(bǔ)償電容的計算方式。

3雙斷口分壓特性實驗

該試驗通過將均壓電容與不同開距子均壓兩方面來驗證優(yōu)化思路的合理性。以仿真計算為實驗前提，其目的是為了驗證該計算方式的準(zhǔn)確性，兩者均是為真空斷路器向更高電壓等級研發(fā)和應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

3.1工頻分壓特性

實驗所采用的真空滅弧室型號為12Kvbd-24/1250-25（20），數(shù)量為2臺。操作步驟是利用兩個20kV的高壓探頭測量Ⅱ型排列方式下的近高壓和近地側(cè)兩個真空滅弧室所承受的電壓，并對其添加不同容量的均勻電容來查看該實驗中真空滅弧室觸頭開距的電壓分布情況。

3.1.1無均壓電容電壓分布情況

滅弧室電壓兩側(cè)在無均壓電容情況下電壓分布情況可通過實驗不斷改變觸頭開距測得各種開距條件下分壓關(guān)系，詳細(xì)數(shù)據(jù)如表2所示，其中GVll、GVl2分別為真空滅弧室兩側(cè)開距，單位為mm。

3.1.2添加不同大小均壓電容的電壓分布關(guān)系

利用兩個20kV高壓探頭對兩端并聯(lián)不同大小均壓電容后的真空滅弧室進(jìn)行測量，同時將兩側(cè)觸頭拉開一定距離，以此方式測量出兩個真空滅弧室所承受的電壓。通過重復(fù)上述操作，改變兩側(cè)觸頭拉開距離進(jìn)行統(tǒng)計電壓分布百分比變化趨勢。以下表3、表示4分別為添加不同容量的均勻電容在觸頭開距不同情況下對百分比的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

通過以上表格百分比數(shù)據(jù)顯示，真空滅弧室近高壓側(cè)在不添加均壓電容時，觸頭開距與仿真計算得到的分壓百分比一致。據(jù)表3和表4百分比數(shù)據(jù)可充分體現(xiàn)均壓電容的添加與近側(cè)滅弧室存在密切聯(lián)系。雖然均壓電容添加達(dá)不到要求，但真空滅弧室觸頭間隙距離度電壓分布影響已明顯減小。在雙斷口真空斷路器中均勻細(xì)數(shù)在0.9-1.1之間則表示滿足其電壓均勻性分布要求。

3.2暫態(tài)恢復(fù)電壓分布特性實驗研究

雙斷口真空斷路器中暫態(tài)恢復(fù)電壓是否均勻也是影響其開斷能力的因素之一。為了促使電力企業(yè)對滅弧室觸頭開距電壓布置進(jìn)行深人了解，對其不同開距配合自均勻效果進(jìn)行驗證，主要目的是為了多斷口真空斷路器分壓均勻性優(yōu)化設(shè)計提供有力指導(dǎo)，同時，也是提高開斷性能和完善絕緣的重要步驟。

3.2.1實驗回路介紹

圖5為合成回路系統(tǒng)主電路圖，該合成回路系統(tǒng)是x理工大學(xué)電力電子研究所研究發(fā)明的。該系統(tǒng)可以提供110kV的回路電壓和50kA的斷路電流，其中電流、電壓源均為振蕩電路LC。

cu在電壓源回路中為電容，Lu為電感，而測量電壓電阻分壓器則用RVDT，期間是1000：1的分壓比，暫態(tài)恢復(fù)電壓阻容分壓器為RCVDT;Ro、co為改變試品TB兩端的調(diào)頻電容、電阻;SG為點火球系。在左側(cè)電壓源回路中Lu和cu不同值的相互配合，可振蕩產(chǎn)生不同頻率的恢復(fù)電壓。本次實驗設(shè)置主要是通過合同回路電壓源產(chǎn)生周期表，在頻率53kHz的恢復(fù)電壓來模擬斷路器開斷過程中暫態(tài)恢復(fù)電壓情況。

圖6為電壓源放電電路，電壓源控制開關(guān)為J1，T1為AC220V輸人電壓，調(diào)壓器40A、輸出AC0-250V。在該回路中水電阻分別為R1、R2、R3;放電為R2、R3、充電則為R1;而整流硅堆為2T、電壓源的放電開關(guān)、充電開關(guān)分別為J2、J3。通過實驗驗證該型號真空滅弧室，為消除暫態(tài)恢復(fù)電壓對分壓的影響，可利用絕緣木支撐，并用高壓探頭測量滅弧室兩側(cè)暫態(tài)恢復(fù)電壓值。

3.2.2實驗結(jié)果

在保證真空滅弧室電壓源電量充足的情況下，將觸頭開距拉開一定距離，并將電壓源中暫態(tài)恢復(fù)電壓引人至串聯(lián)真空滅弧室，記錄電壓分布狀態(tài)。重復(fù)以上操作，對不斷拉開觸頭開距所產(chǎn)生變化的電壓分布進(jìn)行記錄。表5百分比數(shù)據(jù)所示則為觸頭不同開距下近高壓側(cè)滅弧室分壓百分比，充分體現(xiàn)了觸頭開距與分壓分布關(guān)系不大。

通過以上表內(nèi)數(shù)據(jù)可見當(dāng)真空滅弧室觸頭開距與仿真技術(shù)近高壓側(cè)百分比變化趨勢相同時，均是不添加任何均勻電容的情況下。當(dāng)真空滅弧室均壓效果達(dá)到最優(yōu)時，其滅弧室近高壓側(cè)與近地側(cè)觸頭拉開距離或是越大、或是越小。通過實驗充分驗證了不同觸頭開距配合自均勻是正確的，而且該方式也作為雙斷口真空斷路器的均壓措施。

4結(jié)語

文章通過串聯(lián)多個真空滅弧室多斷口斷路器將真空斷路器逐漸推向更高電壓等級的最優(yōu)、最合理的解決方案，有效解決了多斷口真空斷路器在各滅弧室中電壓分布均勻性的問題，在實際應(yīng)用中作用至關(guān)重要。為了有效提升各滅弧室電壓均勻性的分布，可在滅弧室電壓承受范圍內(nèi)逐步添加均壓電容，相關(guān)實驗數(shù)據(jù)表明均壓電容添加越大，均壓效果愈加明顯，為了避免對該設(shè)備性能產(chǎn)生負(fù)面影響，所以選擇大小均勻電容值也逐漸成為分壓均勻性優(yōu)化設(shè)計的重要環(huán)節(jié)。