王瑩，孫英杰，龐建，王賽豪，杜迎乾，董祥淵

（平高集團(tuán)有限公司，河南 平頂山 467001）

550kV斷路器空載線路開斷能力分析

王瑩，孫英杰，龐建，王賽豪，杜迎乾，董祥淵

（平高集團(tuán)有限公司，河南 平頂山 467001）

斷路器開斷空載線路時(shí)發(fā)生重?fù)舸?，不但?huì)引起閥式避雷器爆炸、斷路器損壞、套管或線路絕緣子閃絡(luò)等情況，甚至?xí)舸┱麄€(gè)系統(tǒng)的絕緣，造成電力系統(tǒng)癱瘓。為了研究斷路器開斷空載線路充電電流能力，對(duì)550kV斷路器開斷空載長線時(shí)滅弧室內(nèi)的暫態(tài)氣壓進(jìn)行了測(cè)量，并對(duì)開斷空載線路恢復(fù)電壓作用下滅弧室的電場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行了仿真計(jì)算。根據(jù)流注理論，分析了1.2ms和0.3ms短燃弧下斷路器開斷空載線路性能。結(jié)果表明，靜弧觸頭端部附近電場(chǎng)強(qiáng)度始終最大，短燃弧時(shí)間越長對(duì)斷路器開斷空載線路越有利。

550kV斷路器；空載線路；過電壓；介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度

電力系統(tǒng)過電壓是造成電力設(shè)備絕緣損壞的主要因素，是確定電力設(shè)備絕緣水平的重要依據(jù)，過電壓倍數(shù)的大小直接影響電力系統(tǒng)的安全性和可靠性。超、特高壓輸電線路距離遠(yuǎn)，長期承受因電容效應(yīng)引起的工頻電壓升高，這對(duì)超、特高壓輸電線路設(shè)備的絕緣能力是一個(gè)巨大挑戰(zhàn)。本文分析了LW55-550型斷路器切空載線路過電壓產(chǎn)生的原因，對(duì)斷路器壓氣式滅弧室開斷空載長線過程中的氣流場(chǎng)進(jìn)行仿真，并對(duì)該滅弧室在切空載線路恢復(fù)電壓作用下的電場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算，最后根據(jù)氣流場(chǎng)和電場(chǎng)的仿真計(jì)算結(jié)果對(duì)滅弧室內(nèi)介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度及開斷空載長線能力進(jìn)行了分析。

1 斷路器開斷性能分析

斷路器開斷空載線路容性電流值很小，只有幾十安到幾百安，遠(yuǎn)小于短路故障電流，電弧極易熄滅。LW55-550型斷路器采用壓氣式滅弧室，短燃弧時(shí)間一般小于2ms，此時(shí)觸頭間開距很短，當(dāng)觸頭間介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度低于觸頭間恢復(fù)電壓時(shí)，絕緣介質(zhì)被擊穿。根據(jù)SF6氣體介質(zhì)的電氣擊穿特性，局部擊穿將導(dǎo)致整個(gè)滅弧室擊穿，引起電弧重燃，進(jìn)而導(dǎo)致電磁振蕩并產(chǎn)生危險(xiǎn)的過電壓。電場(chǎng)強(qiáng)度和氣體粒子密度是影響氣體絕緣特性的兩個(gè)最基本參數(shù)。分析斷路器開斷性能必須考慮滅弧室中電場(chǎng)、粒子密度、介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度及其相互作用。

1.1 電場(chǎng)計(jì)算

LW55-550型斷路器滅弧室結(jié)構(gòu)決定了整過分閘過程中，分閘特性如圖1所示。靜弧觸頭端部電場(chǎng)強(qiáng)度始終最大。如果開斷空載長線過程中SF6氣體被擊穿，將首先在靜弧觸頭端部發(fā)生電子崩。若靜弧觸頭端部一直不發(fā)生電子崩，則斷路器將開斷成功。

圖1 速度和行程曲線

分別計(jì)算不同位置及其相應(yīng)恢復(fù)電壓下的電場(chǎng)強(qiáng)度，可得出分閘過程中電場(chǎng)強(qiáng)度最大值曲線。理論上，斷路器開斷短燃弧過程中不發(fā)生重燃，整個(gè)開斷空載線路型式試驗(yàn)就能順利完成，故只分析短燃弧下的開斷性能。短燃弧時(shí)間不同時(shí)（0．3ms、0．8ms、1．2ms、1．6ms、2ms、3ms），分閘過程電場(chǎng)強(qiáng)度最大值始終在靜弧觸頭端部。燃弧時(shí)間越長，電流過零點(diǎn)時(shí)，滅弧室動(dòng)、靜觸頭間距離越大，靜弧觸頭端部的電場(chǎng)強(qiáng)度越小，越有利于滅弧室耐受恢復(fù)電壓。

1.2 粒子密度計(jì)算

計(jì)算粒子密度，首先計(jì)算出SF6氣體壓力，再根據(jù)氣體密度和分子量等參數(shù)計(jì)算SF6粒子密度。當(dāng)氣體壓力高于0．3MPa時(shí)，在實(shí)際使用中，為較準(zhǔn)確地計(jì)算SF6氣體密度常采用下面比較實(shí)用的經(jīng)驗(yàn)公式：

式中：P——SF6氣體壓力，MPa；

T——?dú)怏w溫度，K,(T=t+273．15)；

Y——?dú)怏w密度，kg/m3。

由于開斷空載長線時(shí)電弧能量很小，另外壓氣式滅弧室氣吹充裕，弧區(qū)SF6氣體溫度不會(huì)顯著升高，可認(rèn)為開斷過程中動(dòng)、靜觸頭間SF6氣體基本保持在室溫20℃不變。

粒子密度N與氣體密度ρ有如下關(guān)系：

式中：R6SF——SF6的分子量；

NA——Avogadro常數(shù)。根據(jù)壓力測(cè)試結(jié)果和式（1）～（4），得出分閘過程中靜弧觸頭端部的粒子密度N。

1.3 滅弧室開斷性能分析

根據(jù)流注理論，SF6氣體擊穿是由于電子崩的空間電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)，使電子崩不穩(wěn)定而向前發(fā)展引起的。滅弧室動(dòng)、靜觸頭間SF6絕緣介質(zhì)特性由氣流場(chǎng)和電場(chǎng)共同確定，SF6氣體是否擊穿，可根據(jù)以下經(jīng)驗(yàn)公式判定：

式中：α——電離系數(shù)；

η——電子吸附系數(shù)；

K——常數(shù)。

氣體的有效電離系數(shù)ā=α-η與電場(chǎng)強(qiáng)度E和氣體粒子密度N之比近似為線性關(guān)系，對(duì)氣體間隙的擊穿起關(guān)鍵作用。對(duì)于SF6氣體，有效電離系數(shù)為零時(shí)SF6氣體處于擊穿臨界值，此時(shí)E/N=3．56×10-19V·m2，記為（E/N）?。于是SF6氣體的擊穿判據(jù)可表示為：

電場(chǎng)強(qiáng)度與對(duì)應(yīng)的電位成正比，引起氣體擊穿的臨界電壓Ub為：

Ub也就是弧隙介質(zhì)所能承受的極限電壓，即介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度。

斷路器開斷空載線路容性電流短燃弧時(shí)間為1．2ms和0．3ms時(shí)，靜弧觸頭端部最大（E/N）/（E/N）?及介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果見圖2和圖3。

圖2 短燃弧時(shí)間為1.2 ms時(shí)(E/N)/(E/N)*

圖3 短燃弧時(shí)間為0.3 ms時(shí)(E/N)/(E/N)*

短燃弧熄滅后，動(dòng)、靜觸頭距離較短，雖然恢復(fù)電壓小，但電場(chǎng)強(qiáng)度較大，故開斷初期介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度不高，E/N快速上升。隨著行程的增大，恢復(fù)電壓也在增加，電場(chǎng)強(qiáng)度E逐漸增加，但此時(shí)滅弧室氣吹增強(qiáng)，噴口內(nèi)SF6氣體壓力迅速增大，SF6氣體粒子密度N迅速增大，使E/N稍微下降，介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度增高。

在電弧熄滅后大約12ms，斷路器靜弧觸頭從噴口喉部運(yùn)動(dòng)至下游，氣體迅速擴(kuò)散，壓力降低，此時(shí)電場(chǎng)強(qiáng)度E減小速度沒有SF6粒子密度N減小速度快，使E/N略有上升。之后靜觸頭前氣體密度變化緩慢，電場(chǎng)強(qiáng)度隨恢復(fù)電壓逐漸下降，使E/N緩慢下降，介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度變化不大。

對(duì)于LW55-550型斷路器，當(dāng)短燃弧時(shí)間1．2ms時(shí)，最大（E/N）/（E/N）?為0．8，能夠開斷成功；當(dāng)短燃弧時(shí)間 0．3ms時(shí)，最大（E/N）/（E/N）?為 1．3，在開斷空載線路容性小電流時(shí)會(huì)發(fā)生重?fù)舸?/p>

假如斷路器在燃弧時(shí)間0．3ms時(shí)還能開斷空載線路容性小電流，提高斷路器額定充氣壓力和分閘速度也無法顯著減小短燃弧時(shí)間。但提高額定氣壓能夠增加粒子密度N，提高分閘速度能夠增加迅速拉開動(dòng)、靜觸頭距離，降低電場(chǎng)強(qiáng)度E，這樣能夠提高斷路器開斷容性小電流能力。

斷路器在西安國家高壓電器質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心進(jìn)行了空載線路開斷試驗(yàn)，燃弧時(shí)間為0．7ms，試品在10．3ms處重?fù)舸囼?yàn)波形見圖4，燃弧時(shí)間為1．3ms，能夠成功開斷，試驗(yàn)波形見圖5。整個(gè)試驗(yàn)過程成功開斷的燃弧時(shí)間統(tǒng)計(jì)見圖6，燃弧時(shí)間大于1．3ms未發(fā)生一次重?fù)舸?/p>

2 結(jié)語

本文對(duì)LW55-550型斷路器容性電流開斷過程中滅弧室內(nèi)氣流場(chǎng)和電場(chǎng)進(jìn)行了仿真計(jì)算，分析了滅弧室內(nèi)氣流場(chǎng)和電場(chǎng)的變化，以及介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度。

該滅弧室動(dòng)、靜觸頭間SF6絕緣介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度由電場(chǎng)和氣流場(chǎng)共同決定，分閘過程中電場(chǎng)最大值始終在靜弧觸頭弧形端面，且該弧形端面氣體壓力幾乎一樣，即該弧形端面粒子密度幾乎一樣。在電弧熄滅初期，電場(chǎng)強(qiáng)度比粒子密度N作用明顯，E/N會(huì)快速上升。隨斷口開距的增大，粒子密度N的影響超過電場(chǎng)強(qiáng)度，使E/N逐漸減小，介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度上升至最大值后迅速降低。

圖4 燃弧時(shí)間0.7 ms試驗(yàn)波形

圖5 燃弧時(shí)間1.3 ms試驗(yàn)波形

圖6 燃弧時(shí)間統(tǒng)計(jì)

根據(jù)仿真計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果表明這種斷路器在燃弧時(shí)間大于1．2ms時(shí)具備成功開斷空載線路能力。

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1671-0711（2017）10（上）-0092-03