白剛 李琳 蒙國(guó)柱 宗世煜

（ABB 電網(wǎng)投資（中國(guó)）有限公司 福建省廈門市 361000）

由國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議(CIGRE)提出，經(jīng)國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)采納，目前現(xiàn)行的IEC62271-102-2018 標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)隔離開關(guān)開合母線轉(zhuǎn)移電流能力提出了更高的標(biāo)準(zhǔn)要求[1-2]。標(biāo)準(zhǔn)修改實(shí)施后，就要求對(duì)現(xiàn)有的隔離開關(guān)進(jìn)行增容改造設(shè)計(jì)。另一方面對(duì)HGIS 而言，涉及到用氣體絕緣的隔離開關(guān)開合空氣絕緣母線的轉(zhuǎn)換電流問題，其額定母線轉(zhuǎn)換電壓應(yīng)按照空氣絕緣的隔離開關(guān)額定母線轉(zhuǎn)換電壓執(zhí)行。希望實(shí)現(xiàn)GIS 用隔離開關(guān)與HGIS 用隔離開關(guān)模塊通用，就必須提高母線轉(zhuǎn)換電壓參數(shù)值。傳統(tǒng)的隔離開關(guān)分閘速度相對(duì)較低，在母線轉(zhuǎn)換電流和母線轉(zhuǎn)換電壓參數(shù)同時(shí)提高時(shí)，其平均燃弧時(shí)間必然增加[3-5]，產(chǎn)生的電弧燒損觸頭[6-7]，同時(shí)產(chǎn)生的金屬飛濺物覆蓋于絕緣子表面，直接影響隔離開關(guān)內(nèi)絕緣性能，造成切母線環(huán)流型式試驗(yàn)失敗。

本文通過對(duì)母線轉(zhuǎn)換過程進(jìn)行仿真計(jì)算，以預(yù)測(cè)在不同轉(zhuǎn)換電流與不同轉(zhuǎn)換電壓情況下隔離開關(guān)的極限開合能力。從而最大限度地減少了在變電站規(guī)劃或隔離開關(guān)開發(fā)期間進(jìn)行廣泛測(cè)試的需要。為產(chǎn)品改進(jìn)提供計(jì)算依據(jù)。

對(duì)于設(shè)備制造公司而言，能夠?qū)崿F(xiàn)GIS、HGIS 隔離開關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化模塊設(shè)計(jì)是提高經(jīng)濟(jì)效益的有效方式之一。

1 觸頭燒損質(zhì)量模型

由于弧觸頭之間的電弧受到熱應(yīng)力，特別是在電弧的根部。電弧傳輸?shù)交「哪芰恐饕呻姌O壓降乘以電流來提供。有效電極壓降Ueff是陽(yáng)極和陰極壓降的平均值，電極沉積在弧根上的能量為W=Ueff? Q[8]，Q 為絕對(duì)電流值在燃弧時(shí)間內(nèi)的積分。隨著這種能量傳到觸頭表面上，弧根位置處的溫度迅速達(dá)到金屬開始沸騰的溫度值（至少是銅部分）。由于金屬的沸騰表面，熱量被輸送到較冷的金屬中，即減少的凈功率，剩下的能量將使金屬蒸發(fā)為蒸氣。因此，汽化率由凈功率和金屬汽化焓hvap決定。根據(jù)具體情況，熱傳導(dǎo)造成的能量損失會(huì)相應(yīng)地降低蒸發(fā)率。因此，必須盡可能了解溫度場(chǎng)和相應(yīng)的熱傳導(dǎo)。在沸騰的金屬表面金屬是液態(tài)的，隨著溫度的降低進(jìn)入材料內(nèi)部，當(dāng)溫度下降到凝固點(diǎn)溫度值時(shí)，金屬變成固體，從而形成液體/固體界面。在固相中，熱導(dǎo)率保持相對(duì)恒定，但對(duì)于液體在相變時(shí)熱導(dǎo)率明顯下降，見圖1 和圖2。

基于熱導(dǎo)率這一近似的不連續(xù)性，進(jìn)一步假設(shè)單相內(nèi)導(dǎo)熱系數(shù)恒定，呈球?qū)ΨQ，熱傳導(dǎo)引起的能量損失可以通過求解相應(yīng)的熱方程來描述。

1.1 球坐標(biāo)系下熱傳導(dǎo)方程的求解

球坐標(biāo)系下一維徑向?qū)ΨQ導(dǎo)熱方程的求解：

圖1：弧根熱應(yīng)力金屬電極示意圖

1.2 觸頭燒蝕計(jì)算

確定描述液化相范圍的半徑rliq是很重要的。為此，如前所述，進(jìn)行了以下假設(shè)和近似：

（1）熱傳導(dǎo)系數(shù)近似為銅液化前后的常數(shù)；

（2）熱傳輸近似為球?qū)ΨQ。

因此，熱傳輸用（2）描述。液化半球的能量通量為：

與熱損失相結(jié)合直到時(shí)間t 保持不變，λs是銅的熱傳導(dǎo)率取397W/m·K

開關(guān)分閘操作一次弧根點(diǎn)處損失的質(zhì)量△m，近似相當(dāng)于由從20℃加熱到相應(yīng)金屬蒸發(fā)的焓hvap（對(duì)于CuW80 觸頭，比焓約為4.6×106J/kg）。將有效電極下降Ueff（是陽(yáng)極和陰極下降的平均值，CuW 電極通常約為9V）和電荷Q（為絕對(duì)電流值在燃弧時(shí)間內(nèi)的積分）代入方程：

圖2：不同金屬的導(dǎo)熱系數(shù)，來自[美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院NIST]

圖3：測(cè)試樣品試驗(yàn)效果圖

以tstart和tend作為積分邊界。可以評(píng)估一次分閘操作觸頭的燒損，tend是電弧熄滅的時(shí)間，而tstart是開始燒損的時(shí)間。選擇tstart作為開始時(shí)間時(shí)刻，此時(shí)被積函數(shù)為正，即（對(duì)于恒定電流i）

在燒蝕計(jì)算中，燃弧時(shí)間模擬整合的電荷被用作估算平均電流的基礎(chǔ)，作為燒蝕計(jì)算的輸入。因此，計(jì)算中使用的電流是恒定的。

1.3 熔融液態(tài)金屬半徑計(jì)算rliq

在1.2 節(jié)假設(shè)的基礎(chǔ)上，將液/固界面和液/汽界面之間的溫度場(chǎng)近似為球?qū)ΨQ，液態(tài)銅恒定熱傳導(dǎo)率λliq取160W/m·K，得到固液界面溫度梯度不連續(xù)性為：

對(duì)于兩相（液體和固體）的溫度差，可以得出：

通過消除c 并求解rliq得到：

球坐標(biāo)下表面區(qū)域半徑rvap與弧根半徑rroot在預(yù)計(jì)金屬的沸騰溫度下為，因此，

弧根由電弧電流Irms確定，弧根電流密度jroot通常為108A/m2。因此

圖4：燃弧時(shí)間和母轉(zhuǎn)電流對(duì)觸頭燒蝕的影響

圖5：模擬數(shù)值和試驗(yàn)電弧電壓的比較

1.4 計(jì)算值與試驗(yàn)值對(duì)比

選用TK3 型號(hào)隔離開關(guān)作為測(cè)試樣機(jī)，該隔離開關(guān)的觸頭分離速度為0.1m/s，對(duì)試品加載1000A 電流和60V 電壓進(jìn)行母線轉(zhuǎn)換電流開合試驗(yàn)，試驗(yàn)效果見圖3。測(cè)量圖3 中所示的電弧根部直徑約5mm。根據(jù)方程（12）計(jì)算弧根半徑得到rroot=1.8 mm，熔融區(qū)域計(jì)算為rliq=2.0 mm。方程式似乎低估了液化金屬的真實(shí)面積，然而當(dāng)考慮到弧根運(yùn)動(dòng)特性時(shí)，便可得出計(jì)算值與試驗(yàn)值有較好的擬合程度。

1.5 質(zhì)量損失與額定電流和燃弧時(shí)間

隔離開關(guān)在開合母線轉(zhuǎn)移電流試驗(yàn)中，需要完成100 次分合操作。根據(jù)方程（5）的計(jì)算結(jié)果得出單次燒蝕質(zhì)量損失與額定電流和燃弧時(shí)間關(guān)系曲線，見圖4。隔離開關(guān)100 次分合操作將導(dǎo)致100 倍燒蝕。

不同的隔離開關(guān)在開合母線轉(zhuǎn)換電流試驗(yàn)時(shí)允許電弧的燒損的質(zhì)量不一定相同，觸頭許用燒損質(zhì)量是由開關(guān)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、機(jī)械特性、以及觸頭材料決定的。開關(guān)設(shè)計(jì)時(shí)，觸頭許用燒損質(zhì)量必須大于計(jì)算的觸頭燒損質(zhì)量。根據(jù)大量的試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，推薦觸頭許用燒損質(zhì)量≤20g。

2 燃弧時(shí)間計(jì)算模型

根據(jù)Ritter 論文中提供的實(shí)驗(yàn)方法，設(shè)計(jì)LC 振蕩交流電流源和一個(gè)非標(biāo)準(zhǔn)化的全母線傳輸回路。采集電弧熄滅時(shí)電弧電壓Uarc的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，研究了隔離開關(guān)在電流為零時(shí)的電弧電壓特性，見圖5。其中的數(shù)據(jù)是用TK3 隔離開關(guān)在廣泛的母線轉(zhuǎn)換電流和母線轉(zhuǎn)換電壓范圍內(nèi)采集的，開關(guān)的動(dòng)觸頭行程速度為0.1 m/s。因此，圖5 中的x 軸也可以通過相應(yīng)的轉(zhuǎn)換顯示為行程（0.1 毫米/毫秒）。

模擬中使用的電弧電壓擬合（圖5 中的曲線）是冪律，該曲線方程通過Matlab 獲得：

Vd為觸頭分離速度，Uarc0=14.3V（觸頭材料為CuW80），a=235.1V，V0=0.1m/s，b=0.6441。

瞬態(tài)恢復(fù)電壓峰值：

式中，k 值為振幅系數(shù)取1.5，Vr為恢復(fù)電壓（V）。

電弧電壓取決于被測(cè)隔離開關(guān)的特性，瞬時(shí)恢復(fù)電壓Uc僅由電路參數(shù)決定。根據(jù)大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)獲得電流零點(diǎn)后隔離開關(guān)電流復(fù)燃的判據(jù)：

當(dāng)燃弧時(shí)間小于1ms 時(shí)，判據(jù)（13）不在適用范圍。這是因?yàn)樵陔妷狠^小、燃弧時(shí)間較短時(shí)，電弧極不穩(wěn)定，表現(xiàn)出更大的隨機(jī)性，電弧電壓與瞬態(tài)恢復(fù)電壓還不能建立相關(guān)性。

3 提高觸頭速度的方法

根據(jù)方程（12）、（13）可以了解到，提高觸頭的分離速度是降低燃弧時(shí)間減少電弧燒蝕的有效方法。如果采用電動(dòng)彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)，來帶動(dòng)觸頭運(yùn)動(dòng)，對(duì)機(jī)構(gòu)的操作功要求高，成本相對(duì)較高。目前普遍使用的高壓開關(guān)，因受空間結(jié)構(gòu)的限制以及經(jīng)濟(jì)性的考慮沒有使用電動(dòng)彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)，觸頭不具備快速分離的能力。當(dāng)母線轉(zhuǎn)換電流和母線轉(zhuǎn)換電壓提高要求后，電弧重燃次數(shù)增多，開關(guān)燒損嚴(yán)重，導(dǎo)致型式試驗(yàn)失敗。

動(dòng)弧觸頭的快速分離設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)[9]，已經(jīng)開始在新一代的隔離開關(guān)中應(yīng)用，并顯示出較強(qiáng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。開合母線轉(zhuǎn)換電流的時(shí)候，快分觸頭可以減少燃弧時(shí)間和電弧重燃次數(shù)，減少電弧引起的導(dǎo)電粒子數(shù)量，降低觸頭的燒損，大幅度提高了高壓開關(guān)的開合母轉(zhuǎn)電流的能力。

靜弧觸頭具有內(nèi)凸起鎖扣，動(dòng)弧觸頭具有外凸起鎖扣，動(dòng)主觸頭具有脫扣凸臺(tái)和推進(jìn)凸臺(tái)，導(dǎo)向桿具有脫扣凸臺(tái)。在開關(guān)合閘過程中，合閘力遠(yuǎn)大于鎖扣力，動(dòng)弧觸頭在動(dòng)主觸頭推進(jìn)凸臺(tái)的推動(dòng)下可以順利通過鎖扣完成合閘。

開關(guān)分閘過程中，當(dāng)靜弧觸頭凸起鎖扣和動(dòng)弧觸頭凸起鎖扣鎖在一起時(shí)，動(dòng)弧觸頭被鎖住處于靜止?fàn)顟B(tài)，動(dòng)主觸頭在操動(dòng)機(jī)構(gòu)的帶動(dòng)下繼續(xù)分閘運(yùn)動(dòng)，彈簧在此時(shí)開始被壓縮儲(chǔ)能，當(dāng)動(dòng)主觸頭上的脫扣凸臺(tái)和導(dǎo)向桿上的脫扣凸臺(tái)相碰時(shí)，因分閘力遠(yuǎn)大于鎖扣力，鎖扣脫開，彈簧能量釋放，使動(dòng)弧觸頭和導(dǎo)向桿快速向分閘方向運(yùn)動(dòng)。

3.1 觸頭分離速度范圍

在IEC62271-102-2018 與GB1985-2014 標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)隔離開關(guān)觸頭分離速度有明確的劃分，當(dāng)觸頭分離速度Vd≥1m/s，被定義為快速隔離開關(guān)?？焖俑綦x開關(guān)開合母線充電電流時(shí)，試驗(yàn)方式1 與試驗(yàn)方式2 均要求將操作次數(shù)由50 次提高到200 次，這無(wú)疑增加了試驗(yàn)難度。所以快分觸頭速度不宜超過1m/s。

4 結(jié)論

通過采用理論計(jì)算與試驗(yàn)測(cè)試相結(jié)合的方式對(duì)隔離開關(guān)開合母線轉(zhuǎn)移電流做準(zhǔn)確的預(yù)判，為提升隔離開關(guān)開合母線轉(zhuǎn)換電流能力提供理論依據(jù)。文中的研究結(jié)果有：

（1）提供了觸頭燒損質(zhì)量計(jì)算方法：

（2）建立了電弧電壓數(shù)學(xué)模型：

（3）提供了電流復(fù)燃的判據(jù)：

（4）給出了提高觸頭速度的設(shè)計(jì)方向以及合理的速度范圍。

（5）后續(xù)將用新標(biāo)準(zhǔn)對(duì)各個(gè)電壓等級(jí)隔離開關(guān)通用模塊進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。