路繼偉　劉鋒　段阿利　李亞輝

摘 要：550 kV-63 kA（50 Hz）單斷口氣體斷路器是一種新研發(fā)的電氣設(shè)備，跟雙斷品相比，新研發(fā)的斷路器驅(qū)動能量少，結(jié)構(gòu)簡單且緊湊。其滅弧室采用復(fù)合壓氣原理，傳動系統(tǒng)無連桿傳遞，運(yùn)動系統(tǒng)簡單。另外，這種斷路器采用一體化的集成液壓機(jī)構(gòu)，整個(gè)集成液壓系統(tǒng)內(nèi)置油路，外部沒有油管。因此，本文主要分析了這種新型斷路器的結(jié)構(gòu)特征及其研發(fā)過程的技術(shù)運(yùn)用。

關(guān)鍵詞：GCB;單斷口;滅弧室;復(fù)合壓氣原理

中圖分類號：F127文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168（2021）06-0063-03

The Development of Compact 550 kV Single-break Gas

Circuit Breaker （GCB）

LU Jiwei1LIU Feng1DUAN Ali1LI Yahui2

（1. Henan Pingzhi High Voltage Switchgear Co.， Ltd.，Pingdingshan Henan 467013;

2. Pinggao Group Co.， Ltd.，Pingdingshan Henan 467000）

Abstract： The 550 kV-63 kA （50 Hz） single-break GCB is a newly developed electrical equipment， compared with double-break products， the newly developed circuit breaker has less driving energy， simple and compact structure. The arc extinguishing chamber adopts the principle of compound compression， the transmission system has no connecting rod transmission， and the movement system is simple. In addition， this circuit breaker adopts an integrated integrated hydraulic mechanism， the entire integrated hydraulic system has a built-in oil circuit， and there is no external oil pipe. Therefore， this paper mainly analyzed the structural characteristics of this new type of circuit breaker and its technical application in the development process.

Keywords： GCB;single fracture;arc extinguishing chamber;principle of compound compression

近年來，我國電力需求快速增長，電力系統(tǒng)隨之不斷擴(kuò)充和改造。在這種情況下，有必要研發(fā)更緊湊的開關(guān)設(shè)備。開關(guān)是變電站的核心設(shè)備之一，要求容量大、可靠性高、可維護(hù)性好[1-2]。從環(huán)保角度看，為了減少SF6氣體的消耗量，基本對策就是縮小電站設(shè)備的體積。為滿足不斷提出的新要求，筆者研發(fā)了一種新型的550 kV-63 kA（50 Hz）單斷口氣體斷路器（GCB）。同現(xiàn)有的雙斷口結(jié)構(gòu)相比，新研發(fā)的斷路器結(jié)構(gòu)更緊湊、更簡單，所需驅(qū)動能量也更少。

20多年來，復(fù)合壓氣原理廣泛應(yīng)用于72～1 100 kV的斷路器滅弧室結(jié)構(gòu)中。新研發(fā)的滅弧室是以復(fù)合壓氣原理為基礎(chǔ)改進(jìn)的。這種滅弧室采用了復(fù)合自熄弧技術(shù)：除了選擇合適的噴口尺寸和壓氣腔尺寸外，還吸收電弧能量來提高氣吹壓力。本文重點(diǎn)介紹緊湊型GCB結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和研發(fā)過程中的技術(shù)應(yīng)用。

1 新研發(fā)的單斷口氣體斷路器概述

基于國際電工委員會（IEC）標(biāo)準(zhǔn)及中國國家標(biāo)準(zhǔn)（GB）而新研發(fā)單斷口氣體斷路器（GCB）的額定參數(shù)如表1所示。

在用型號GCB（雙斷口GCB和單斷口GCB）與新型單斷口GCB的性能比較如表2所示。新型GCB采用單向傳動機(jī)構(gòu)，可動側(cè)觸頭直接與操作機(jī)構(gòu)相連，因此操作機(jī)構(gòu)的速度必然要大于在用型號的單斷口GCB（雙向運(yùn)動傳動機(jī)構(gòu)），所需驅(qū)動能量卻大幅度減少。

2 新型滅弧室

就滅弧室而言，小電容電流的開斷能力、近區(qū)故障及端子短路故障（強(qiáng)電流）的開斷能力是考慮的重點(diǎn)。小電容電流的開斷能力基本上取決于斷口間的絕緣性能;而對于強(qiáng)電流開斷，SF6氣流對電弧的有效冷卻是重要影響因素。在確保兩者保持良好平衡的情況下，有必要使其能力都達(dá)到最佳狀態(tài)。

2.1 小電容電流開斷能力

決定絕緣性能的關(guān)鍵因素是電場及弧觸頭頂端的壓力?；∮|頭頂端需要較低的電場強(qiáng)度，但是也需要與主觸頭電場保持協(xié)調(diào)。弧觸頭頂端的電場值是有限制的，必須大于主觸頭的電場值，使得任何場合開斷過程中主觸頭側(cè)都不發(fā)生重燃電弧現(xiàn)象。另外，氣流會引起靜觸頭頂端區(qū)域的壓力降低，要防止這種現(xiàn)象的發(fā)生。如果壓力下降嚴(yán)重，就會發(fā)生電弧重燃現(xiàn)象，其沿著噴口表面從靜弧觸頭頂端開始延伸，直到遭遇高電壓（小電容電流開斷）。因?yàn)閲娍谛螤顩Q定了氣流條件，所以選擇合適的噴口輪廓很重要。

為了給550 kV滅弧室選擇合適的噴口形狀，筆者針對預(yù)先備好的幾個(gè)噴口方案，在觸頭分閘運(yùn)動過程中測量了靜弧觸頭頂端的壓力。滅弧室結(jié)構(gòu)如圖1所示，壓力測量點(diǎn)緊靠電場強(qiáng)度最強(qiáng)處。下面結(jié)合測量實(shí)例進(jìn)行分析，其靜弧觸頭頂端的壓力測量曲線如圖2所示，圖2同時(shí)顯示了壓氣缸內(nèi)部壓力和觸頭開斷行程等參數(shù)。

圖2中，觸頭開斷行程初期，靜弧觸頭頂端壓力（[Pfc]）持續(xù)增加，類似于壓氣缸內(nèi)部壓力（[Pcy1]）的增加趨勢。隨著觸頭分離運(yùn)動行程的增加和噴口內(nèi)部氣流速度的加快，壓力開始從[Pm1]降至第一個(gè)最低值[P11]。然后，如果噴口內(nèi)壁與靜弧觸頭之間空間變得更大，壓力測量點(diǎn)的氣流將達(dá)到超音速，使得壓力降至第二個(gè)最低值[P12]。接下來，受靜弧觸頭前端產(chǎn)生的沖擊波影響，壓力又升至[Pm3]。靜弧觸頭頂端壓力（[Pfc]）達(dá)到[P11]所需的時(shí)間是：觸頭分開后大約10 ms。當(dāng)[Pfc]對小電容電流開斷產(chǎn)生影響時(shí)，[P11]將達(dá)到GCB充氣壓力的1.34倍，這表明GCB的特性正是所期望的。

小電容電流開斷不僅僅發(fā)生在新觸頭（滅弧腔內(nèi)）的場合，也會發(fā)生在GCB觸頭因開斷故障電流而不斷燒損的階段。在60%額定開斷電流條件下，依照《高壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)的共用技術(shù)要求》（GB/T 11022—2010），本研究在規(guī)定的電壓下進(jìn)行了三個(gè)燃弧時(shí)間的開斷試驗(yàn)（短燃弧、長燃弧和中燃?。?。為了保證不重?fù)舸?，不僅要控制電場及壓力，還要把噴口（燃弧導(dǎo)致）碳化程度降至最低。新開發(fā)的滅弧室添加一定比例填料的聚四氟乙烯（PTFE）作為噴口材料，完成了規(guī)定次數(shù)的550 kV線路充電電流開斷試驗(yàn)。試驗(yàn)表明，本研究實(shí)現(xiàn)了所有燃弧區(qū)間內(nèi)的無重?fù)舸?，最短的燃弧區(qū)間（0.3 ms）也是如此。

2.2 SLF（近區(qū)故障）開斷能力

在電流過零時(shí)，電弧的氣吹壓力嚴(yán)重影響近區(qū)故障的開斷能力。按照63 kA-50 Hz 90% SLF條件，對壓氣缸噴嘴部分的壓力上升進(jìn)行計(jì)算，并對壓氣缸的局部計(jì)算區(qū)域稍做調(diào)整。經(jīng)過反復(fù)計(jì)算，本文得到電流過零時(shí)的壓力升高值，如圖3所示，壓力增量用[ΔP]表示，基于空載開斷，經(jīng)驗(yàn)證，計(jì)算結(jié)果和實(shí)際測量結(jié)果是吻合的[3]。

SLF（近區(qū)故障）開斷所必需的壓力升高也在圖3中表示出來，是從50 Hz GIS用的550 kV-63 kA型GCB得到的。本研究使用新研發(fā)的GCB，在11.4～20.9 ms燃弧區(qū)間證實(shí)了同樣成功的試驗(yàn)結(jié)果。

2.3 BTF（端子短路）開斷能力

為了使靜弧觸頭的壓力盡量不要降低，要稍微延遲打開噴口的時(shí)間。不過，延遲打開噴口有可能會延長最短燃弧時(shí)間，所以人們應(yīng)該高度關(guān)注噴口尺寸，不能讓最短燃弧時(shí)間變得太長。根據(jù)100%對稱電流（T100s）開斷試驗(yàn)結(jié)果和100%非對稱電流（T100a）開斷試驗(yàn)結(jié)果，新研發(fā)GCB的最短開斷燃弧時(shí)間并不比550 kV-GCB長。

2.4 減少驅(qū)動能量

GCB驅(qū)動能量包括運(yùn)動部件動能的總和、壓氣腔氣體的壓縮能量以及諸如摩擦等引起的能量損耗[4-5]。新舊兩款單斷口斷路器驅(qū)動能量的比較結(jié)果如圖4所示。壓氣缸直徑被減小，這是因?yàn)殡娀∧芰课沼行У靥岣吡藟簹馇粌?nèi)的壓力，同時(shí)減少了用來壓縮氣體的能量。另外，壓氣缸直徑的減小有助于運(yùn)動部件輕量化，從而減小其動能。

3 結(jié)論

本研究已經(jīng)成功開發(fā)了結(jié)構(gòu)簡單而又緊湊的550 kV-63 kA單斷口GCB。滅弧室是在現(xiàn)有復(fù)合壓氣原理基礎(chǔ)上進(jìn)一步改進(jìn)而得的。其降低了驅(qū)動能量需求，使得采用簡單的單向運(yùn)動機(jī)構(gòu)成為可能。另外，這種新型斷路器采用一體化的液壓操作機(jī)構(gòu)，模塊化的組件單元被集成在一起，外部無配管。

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