(西安西電高壓開(kāi)關(guān)有限責(zé)任公司，陜西 西安 710018)

一種交流濾波器斷路器絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改進(jìn)思路

陳高翔

(西安西電高壓開(kāi)關(guān)有限責(zé)任公司，陜西 西安 710018)

本文以交流濾波器斷路器為例,對(duì)其原有結(jié)構(gòu)進(jìn)行了靜電場(chǎng)數(shù)值仿真,依據(jù)仿真結(jié)果對(duì)其絕緣結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析,提出了一種絕緣結(jié)構(gòu)改進(jìn)思路和方案,并對(duì)改進(jìn)后結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真、對(duì)比。同時(shí),對(duì)改進(jìn)后的局部零件進(jìn)行了試驗(yàn)，間接驗(yàn)證了仿真計(jì)算的正確性。

交流濾波器;斷路器;絕緣仿真;電通量

1 引言

換流站換流過(guò)程中，換流器會(huì)產(chǎn)生大量的諧波，換流站的交、直流側(cè)都會(huì)有比較嚴(yán)重的電壓畸變。為了保證電能質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償，換流站需要裝設(shè)交流濾波器，通過(guò)交流濾波斷路器與交流側(cè)母線相連接[1]。

換流站交流濾波器組容量大、投切頻繁，且換流站中諧波情況復(fù)雜，導(dǎo)致開(kāi)斷交流濾波器時(shí)斷路器可能承受較大的恢復(fù)電壓。因此，對(duì)斷路器滅弧室進(jìn)行絕緣設(shè)計(jì)時(shí)，在滿足電氣基本要求的前提下應(yīng)設(shè)法改善絕緣結(jié)構(gòu)，使電場(chǎng)分布盡可能合理，以滿足要求。

2 斷口絕緣仿真分析及設(shè)計(jì)改進(jìn)

目前，高壓斷路器電場(chǎng)計(jì)算中大多將滅弧室看作是一個(gè)軸對(duì)稱(chēng)的場(chǎng)域，將一個(gè)三維的場(chǎng)域計(jì)算問(wèn)題近似簡(jiǎn)化為二維的軸對(duì)稱(chēng)場(chǎng)或1/4 的三維場(chǎng)域來(lái)處理[2-3]。為描述高壓SF6斷路器滅弧室內(nèi)場(chǎng)強(qiáng)分布情況，本文以某電壓等級(jí)斷路器滅弧單元為研究對(duì)象，測(cè)得的運(yùn)動(dòng)特性曲線和恢復(fù)電壓的規(guī)律得到邊界參數(shù)如表1。確定不同運(yùn)動(dòng)位置時(shí)觸頭及其他影響斷口電壓分布的零件電場(chǎng)的最大值，以便使斷口獲得最佳的動(dòng)態(tài)絕緣配合。并以此為依據(jù)，對(duì)原結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，以進(jìn)一步改善斷口電場(chǎng)分布，提高其均勻性。

表1 不同時(shí)間的觸頭間距離和恢復(fù)電壓值

2.1 原結(jié)構(gòu)電場(chǎng)數(shù)值仿真及分析

采用有限元法對(duì)斷路器滅弧單元(如圖1所示)進(jìn)行電場(chǎng)數(shù)值仿真。并以觸頭剛分后12ms內(nèi)每1ms時(shí)的斷口位置電場(chǎng)進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖2所示。

圖1 原斷口結(jié)構(gòu)及有限元模型

根據(jù)電場(chǎng)計(jì)算，斷口電場(chǎng)分布大致呈正態(tài)曲線分布規(guī)律，場(chǎng)強(qiáng)最大位置出現(xiàn)在觸頭剛分后8ms處。在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，該位置的重燃概率較高。從而證實(shí)了仿真分析的可行性。

結(jié)構(gòu)中靜弧觸頭場(chǎng)強(qiáng)較高，且與其他觸頭場(chǎng)強(qiáng)差別大，電場(chǎng)分布均勻性不足。當(dāng)斷口間電壓較高時(shí)，一般電弧發(fā)生在電場(chǎng)強(qiáng)度最大的動(dòng)弧觸頭和靜弧觸頭之間，由于原結(jié)構(gòu)中動(dòng)弧觸頭和動(dòng)主觸頭電場(chǎng)強(qiáng)度接近，由于電弧的發(fā)生具有一定的隨機(jī)性，并且當(dāng)受其他因素影響時(shí)(例如：噴口壁厚、噴口座端部R值)，常出現(xiàn)弧觸頭與噴口座擊穿，燒穿噴口[4]。

圖2 原結(jié)構(gòu)各觸頭表面電場(chǎng)強(qiáng)度最大值及場(chǎng)強(qiáng)最大位置云圖

2.2 改進(jìn)思路及方案

解決思路及方案一般有以下幾種方法:

(1)SF6氣隙絕緣性能取決于電極形狀。由于在開(kāi)斷小電容電流時(shí)，因熄弧距離小，靜弧觸頭端部電場(chǎng)大小對(duì)熄弧影響很大。通過(guò)改變靜弧觸頭圓角，以此來(lái)降低靜弧觸頭與其他觸頭場(chǎng)強(qiáng)的差別。

(2)SF6氣隙絕緣性能取決于氣隙尺寸。通過(guò)調(diào)整靜弧觸頭圓角間接調(diào)整其相對(duì)位置，使得滅弧室動(dòng)觸頭一側(cè)電場(chǎng)分布產(chǎn)生被靜弧觸頭吸引的趨勢(shì)，以此來(lái)改善斷口電場(chǎng)的均勻性。

(3)對(duì)噴口座端部R進(jìn)行調(diào)整，并增大噴口壁厚δ，進(jìn)一步降低噴口擊穿概率。

2.3 新結(jié)構(gòu)電場(chǎng)數(shù)值仿真

為使滅弧室斷口電場(chǎng)分布盡量均勻并降低觸頭最大場(chǎng)強(qiáng)。按照仿真結(jié)果的分析及改進(jìn)方案，在原結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，對(duì)電極距離和電極形狀進(jìn)行了相應(yīng)的調(diào)整(如圖3所示)。并對(duì)新結(jié)構(gòu)進(jìn)行了電場(chǎng)數(shù)值仿真。仿真結(jié)果如圖4所示。

圖3 斷口結(jié)構(gòu)調(diào)整方案

圖4 新結(jié)構(gòu)各觸頭表面電場(chǎng)強(qiáng)度最大值及場(chǎng)強(qiáng)最大位置云圖

通過(guò)對(duì)電場(chǎng)數(shù)值仿真結(jié)果對(duì)比分析，結(jié)構(gòu)調(diào)整后滅弧室斷口電場(chǎng)分布比較均勻，觸頭間電場(chǎng)分布未出現(xiàn)交錯(cuò)情況，并且觸頭和瓷套最大場(chǎng)強(qiáng)均得到顯著降低。同時(shí)，動(dòng)弧觸頭電場(chǎng)分布值與動(dòng)、靜主觸頭電場(chǎng)分布值差距拉大，這樣就可以防止弧觸頭電流開(kāi)斷后動(dòng)靜主觸頭間發(fā)生閃落,并確保開(kāi)斷過(guò)程中的電弧復(fù)燃和關(guān)合過(guò)程中的預(yù)擊穿均發(fā)生在弧觸頭間。從而顯著降低主觸頭擊穿概率。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

由于交流濾波器斷路器的絕緣影響因素繁多、復(fù)雜，有限元計(jì)算方法還不能完全和實(shí)際相符，因而需要試驗(yàn)驗(yàn)證其結(jié)構(gòu)優(yōu)化的可行性。而試驗(yàn)驗(yàn)證涉及到樣機(jī)成套、調(diào)試和型式試驗(yàn)等環(huán)節(jié)，試驗(yàn)周期長(zhǎng)、成本高、風(fēng)險(xiǎn)大。本文通過(guò)對(duì)局部零件改進(jìn)前后結(jié)構(gòu)進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比,以此間接驗(yàn)證仿真計(jì)算的可靠性。

對(duì)噴口改進(jìn)前后結(jié)構(gòu)進(jìn)行了電通量計(jì)算(如圖5所示)和試驗(yàn)驗(yàn)證。按照改進(jìn)前、改進(jìn)后各加工了三個(gè)噴口，分別進(jìn)行編號(hào)，原噴口編號(hào)為A1、A2、A3，改進(jìn)噴口編號(hào)為B1、B2、B3(如圖6所示)。

圖5 噴口改進(jìn)前后電通量對(duì)比

試驗(yàn)主要是為了驗(yàn)證噴口壁厚的耐壓程度，在噴口內(nèi)部放置圓形高壓電極，緊貼噴口內(nèi)壁，高壓電極和套管端子板相連接；外面放置環(huán)形接地金屬帶電極，緊貼噴口外壁。為了防止對(duì)地?fù)舸瑖娍诜胖迷诮^緣墊塊上，為了防止噴口表面閃絡(luò)，試驗(yàn)在密閉容器內(nèi)進(jìn)行，容器內(nèi)部抽真空充0.6MPa的SF6氣體，試驗(yàn)后0.6MPa氣體回收(如圖7所示)。

試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)變壓器通過(guò)套管加工頻高壓，逐漸升高電壓直到噴口壁擊穿，變壓器跳閘，記錄擊穿數(shù)據(jù)見(jiàn)表2，每次放置一個(gè)噴口，逐個(gè)進(jìn)行耐壓試驗(yàn)。

圖6 試驗(yàn)用噴口

圖7 試驗(yàn)工裝及設(shè)備

擊穿電壓(kV)平均值(kV)噴口A1:70A2:68A3:6969改進(jìn)噴口B1:78B2:81B3:7979.3

根據(jù)有限元計(jì)算及噴口試驗(yàn)驗(yàn)證表明，改進(jìn)后的噴口，噴口壁耐壓能力有顯著提高。試驗(yàn)也間接驗(yàn)證了理論和電場(chǎng)計(jì)算的正確性。

4 結(jié)論

本文依托某型斷路器，以絕緣設(shè)計(jì)理論為基礎(chǔ)，數(shù)值計(jì)算不同結(jié)構(gòu)下滅弧室的電場(chǎng)分布情況，并對(duì)改進(jìn)后的局部零件進(jìn)行了試驗(yàn)，間接驗(yàn)證了仿真計(jì)算的準(zhǔn)確性。使斷路器在設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有一定的參考依據(jù)，縮短試驗(yàn)周期，降低試驗(yàn)成本。

[1] 方冰，關(guān)永剛，申笑林.特高壓換流站交流濾波器斷路器恢復(fù)電壓特性研究[J].高壓電器，2015，51(8)：1-7.

[2] 宮瑞磊、趙江濤.基于Ansys靜電場(chǎng)的含并聯(lián)電容的超高壓斷路器電場(chǎng)分析及設(shè)計(jì)[J].高壓電器，2012，48(6)：44-47.

[3] 楊敬華、范承勇.40.5kV真空斷路器絕緣結(jié)構(gòu)電場(chǎng)分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].電網(wǎng)技術(shù)，2011，35(12)：146-152.

[4] 黎斌.SF6高壓電器設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2015.

AnalysisandStructureOptimizationofACFilterBreaker

CHENGao-xiang

(Xi′an XD High Voltage Apparatus Co.,Ltd.,Xi′an 710018,China)

Article takes the AC filter breaker for instance.Using numerical simulation method,We calculated static electric field of original structure.According to the interpretation of result,We analysed the structure of insulation,And presented an idea about structure optimization of insulation.And then,We calculated the static electric field of optimization structure,contrastive analysis between original and optimization structure.We indirect verified the validity of numerical simulation method by means of conduct a test for nozzle which between using original and optimization structure.

AC filter;circuit breaker;simulated analysis of insulation;electric flux

1004-289X(2017)03-0104-03

TM56

B

2017-02-08

陳高翔(1983-)，男，工程師，主要從事高壓開(kāi)關(guān)電氣的設(shè)計(jì)研發(fā)工作。