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        環(huán)保氣體用于全封閉隔離開關(guān)試驗(yàn)研究

        2022-12-07 01:59:26國(guó)網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力有限公司赤峰供電公司王乾力楊香來國(guó)網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力有限公司王遠(yuǎn)東李海明
        電力設(shè)備管理 2022年22期
        關(guān)鍵詞:燃弧絕緣性樣機(jī)

        國(guó)網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力有限公司赤峰供電公司 王乾力 楊香來 國(guó)網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力有限公司 王遠(yuǎn)東 曹 陽 李海明

        國(guó)網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力有限公司通遼供電公司 劉 斌 西安西電伊頓電力科技有限公司 張肇雷 楊雪麗

        變電站在現(xiàn)代化發(fā)展過程中,為保證高壓輸電設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定,開始廣泛采用隔離開關(guān)實(shí)現(xiàn)電力隔離[1]。從實(shí)踐應(yīng)用效果來看,當(dāng)前戶外隔離開關(guān)存在設(shè)計(jì)工藝標(biāo)準(zhǔn)較低、絕緣介質(zhì)選取不合理等問題,極易引發(fā)隔離開關(guān)運(yùn)行故障[2]。以降低隔離開關(guān)故障發(fā)生頻率為目標(biāo),近年來提出選用環(huán)保氣體作為絕緣介質(zhì),再以此為核心設(shè)計(jì)全封閉隔離開關(guān)結(jié)構(gòu)。但是,目前全封閉隔離開關(guān)設(shè)計(jì)過程中,對(duì)環(huán)保氣體應(yīng)用效果的研究還不夠深入,阻礙了隔離開關(guān)的推廣應(yīng)用。因此,需要開展環(huán)保氣體用于全封閉隔離開關(guān)試驗(yàn)研究。

        文獻(xiàn)[3]深入分析電壓隔離開關(guān)的組成結(jié)構(gòu),運(yùn)用AnsysWorkbench仿真軟件建立有限元分析模型,并獲取隔離開關(guān)的物理場(chǎng)耦合特點(diǎn)。根據(jù)應(yīng)用環(huán)境溫度考和風(fēng)速,獲取全封閉隔離開關(guān)的應(yīng)用性能。但是,該方法研究結(jié)果誤差較大。文獻(xiàn)[4]從隔離開關(guān)分段速度等參數(shù)入手,建立開關(guān)性能分析模型。根據(jù)隔離開關(guān)的絕緣能力需求,設(shè)計(jì)多斷口結(jié)構(gòu)布局,形成以場(chǎng)路耦合為基礎(chǔ)的斷口均壓方案,將上述設(shè)計(jì)的超多斷口隔離開關(guān),應(yīng)用在選定回路上,獲取試驗(yàn)結(jié)果。但是,該試驗(yàn)結(jié)果存在片面性。文獻(xiàn)[5]依據(jù)隔離開關(guān)的組成結(jié)構(gòu),構(gòu)建氣體模型和磁流體動(dòng)力學(xué)模型,施加不同充氣壓力后,計(jì)算隔離開關(guān)應(yīng)用過程中的燃弧性能。但是,該試驗(yàn)方法耗時(shí)較長(zhǎng)。

        本文針對(duì)環(huán)保氣體用于全封閉隔離開關(guān)的效果,進(jìn)行試驗(yàn)研究。通過試驗(yàn)樣機(jī)制作、試驗(yàn)回路設(shè)計(jì)兩個(gè)步驟,完成本次試驗(yàn)研究的準(zhǔn)備工作。再從燃弧性能、絕緣性能、開斷性能、耐溫性能四方面分別進(jìn)行測(cè)試,獲取全面的研究結(jié)果。

        1 試驗(yàn)樣機(jī)制作

        參考門型全封閉隔離開關(guān),制作試驗(yàn)研究所需的樣機(jī)。其中,選用環(huán)保氣體作為主要絕緣介質(zhì),再應(yīng)用硅橡膠復(fù)合套管作為外部絕緣裝置,最終形成的全封閉隔離開關(guān)結(jié)構(gòu)如圖1所示。按照?qǐng)D1門型隔離開關(guān)結(jié)構(gòu)制作試驗(yàn)樣機(jī),該設(shè)備總高度為2500mm。制作過程中,采用高度為1200mm的錐形絕緣套管,并在其中添加接地?cái)嗫冢罱ㄖ谓^緣子結(jié)構(gòu),達(dá)到增強(qiáng)隔離開關(guān)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的目的。根據(jù)220kV變電站內(nèi)斷路器滅弧室所應(yīng)用的復(fù)合絕緣套管,制作高度為1000mm的同款隔離斷口套管。在絕緣套管內(nèi)部合理布置隔離斷口,形成三工位門型全封閉隔離開關(guān)。

        圖1 門型隔離開關(guān)結(jié)構(gòu)圖

        此外,試驗(yàn)樣機(jī)制作過程中,由于開關(guān)隔離斷口處于復(fù)合絕緣套管內(nèi)部,接地開關(guān)位于兩側(cè)錐形絕緣套管內(nèi)部,所以設(shè)置左側(cè)接地開關(guān)和隔離斷口應(yīng)用相同的傳動(dòng)系統(tǒng)和接地開關(guān),而右側(cè)接地開關(guān)采用獨(dú)立的接地開關(guān)。由于本次試驗(yàn)研究制作的樣機(jī)是門型結(jié)構(gòu),屬于全封閉隔離開關(guān)的變種設(shè)計(jì),所以相比傳統(tǒng)隔離開關(guān)結(jié)構(gòu),需要經(jīng)歷兩個(gè)演變步驟。首先,從下接線端合適位置彎曲接地開關(guān),形成L形隔離接地開關(guān),再將其與單接地開關(guān)進(jìn)行組合處理,形成門型雙接地結(jié)構(gòu)。其中,隔離斷口的靜端、動(dòng)端結(jié)主要結(jié)構(gòu)如圖2所示。

        圖2 隔離斷口靜、動(dòng)端結(jié)構(gòu)圖示

        支架和表計(jì)氣路裝配,是全封閉隔離開關(guān)設(shè)計(jì)的兩項(xiàng)重要組成部分之一,本次試驗(yàn)設(shè)置支架裝配結(jié)構(gòu)尺寸為250mm×250mm×1150mm,支架主體和斜筋均采用∠80×80×10的角鋼。密度表的連接氣路如圖3所示。

        圖3 氣路示意圖

        通過上述設(shè)計(jì),完成以環(huán)保氣體為主絕緣的全封閉隔離開關(guān)樣機(jī),為了便于后續(xù)試驗(yàn)分析,設(shè)置全封閉隔離開關(guān)樣機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

        將開關(guān)樣機(jī)看作本次試驗(yàn)研究的主要對(duì)象,應(yīng)用在試驗(yàn)回路內(nèi),進(jìn)行全方位測(cè)試,獲取環(huán)保氣體用于全封閉隔離開關(guān)的應(yīng)用效果。

        2 試驗(yàn)回路設(shè)計(jì)

        為保證本次試驗(yàn)的順利進(jìn)行,按照全封閉隔離開關(guān)實(shí)際應(yīng)用環(huán)境,設(shè)計(jì)試驗(yàn)回路。其中,隔離開關(guān)母線轉(zhuǎn)換電流為1600A,而氣體絕緣母線、空氣絕緣母線的轉(zhuǎn)換電壓分別為50V、115V。設(shè)置瞬態(tài)恢復(fù)電壓的波形變化,呈現(xiàn)出振蕩衰減趨勢(shì),且振幅系數(shù)高于1.5,振幅頻率高于15kHz。同時(shí),為了確保設(shè)計(jì)的試驗(yàn)回路滿足環(huán)保氣體用于全封閉隔離開關(guān)試驗(yàn)研究需求,應(yīng)用小容量溫升變壓器充當(dāng)試驗(yàn)電源,得到圖4所示的最終開斷試驗(yàn)回路。

        圖4 試驗(yàn)回路

        圖4中,L表示用來試驗(yàn)電流的電感,T表示溫升變壓器,LT表示變壓器短路電感,R表示電阻,RT表示變壓器直流電阻,V表示TRV調(diào)節(jié)單元電壓有效值,U表示穩(wěn)態(tài)電壓,C表示調(diào)節(jié)單元參數(shù)。

        圖4所示的試驗(yàn)回路應(yīng)用時(shí),當(dāng)開關(guān)拉弧處于開斷狀態(tài),試驗(yàn)回路內(nèi)剩余能量會(huì)外泄處理,生成TRV調(diào)節(jié)單元。為了避免試驗(yàn)回路出現(xiàn)故障影響研究結(jié)果出現(xiàn)偏差,在正式試驗(yàn)研究之前,測(cè)量試驗(yàn)回路正常狀態(tài)下的試驗(yàn)電流和電壓波形穩(wěn)態(tài)值。利用泰克P2220探頭和工頻電流互感器進(jìn)行測(cè)量,得到回路的最大電壓值為350V,最大電流值為10kA。

        試驗(yàn)回路內(nèi)溫升變壓器是核心組成部分,由4個(gè)繞組串聯(lián)組成,且每個(gè)繞組的最高輸出電壓值為35V,試驗(yàn)研究過程中,通過單個(gè)繞組獲取溫升變壓器輸出值,設(shè)置溫升變壓器短路阻抗計(jì)算公式為:

        式中,ZT表示溫升變壓器短路阻抗。

        利用公式(1)進(jìn)行計(jì)算可知,試驗(yàn)回路的變壓器短路阻抗值為0.50mΩ,變壓器直流電阻值為0.37mΩ,在此基礎(chǔ)上,進(jìn)行試驗(yàn)回路總阻抗計(jì)算公式:

        式中,Z表示試驗(yàn)回路總阻抗。

        根據(jù)上述計(jì)算得出的回路電流值、電壓值、阻抗值等信息,運(yùn)用ATP-EMTP軟件建立仿真模擬回路,得到開斷前后隔離開關(guān)電流、電壓波形變化情況,如圖5所示。以圖5中電流和電壓波形圖為參考,確保試驗(yàn)研究過程中試驗(yàn)回路保持正常狀態(tài),將試驗(yàn)回路與全封閉隔離開關(guān)樣機(jī)相連接,明確環(huán)保氣體作為主要絕緣體后,隔離開關(guān)的應(yīng)用性能。

        圖5 開斷前后隔離開關(guān)電流、電壓波形圖

        3 試驗(yàn)結(jié)果分析

        3.1 燃弧性能分析

        全封閉隔離開關(guān)工作時(shí),通過燃弧作用產(chǎn)生高頻率的操作過電壓,從而實(shí)現(xiàn)電力隔離。以環(huán)保氣體為核心的全封閉隔離開關(guān)的應(yīng)用效果研究過程中,燃弧性能分析是主要方向之一。驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)電路和試驗(yàn)樣機(jī),觀察電弧燃燒時(shí)形態(tài)變化。本次試驗(yàn)向全封閉隔離開關(guān)分別施加0.6MPa、0.8MPa充氣壓力,選定2ms、4ms、6ms、8ms四個(gè)時(shí)刻,獲取圖6所示的隔離開關(guān)內(nèi)環(huán)保氣體氣室內(nèi)部溫度分布云圖,明確電弧形態(tài)特征。

        根據(jù)圖6可知,從整體來看隨著全封閉隔離開關(guān)工作時(shí)間的延長(zhǎng),環(huán)保氣體電弧溫度擴(kuò)展范圍不斷增大。當(dāng)隔離開關(guān)的燃弧時(shí)刻為2ms時(shí),觸頭呈現(xiàn)出拉開狀態(tài),兩種充氣壓力條件下電弧都表現(xiàn)出膨脹趨勢(shì),如圖6(a1)和圖6(b1)所示。電弧膨脹半徑的擴(kuò)張,使得隔離開關(guān)內(nèi)環(huán)保氣體轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷貧怏w,并聚集在動(dòng)靜觸頭之間的區(qū)域,而觸頭空心區(qū)域是高溫環(huán)保氣體的主要流向方向。但是,0.6MPa充氣壓力下電弧最高溫度為16500K,而0.8MPa充氣壓力下電弧最高溫度僅為10500K。

        圖6 不同氣壓下環(huán)保氣體電弧溫度分布云圖

        當(dāng)燃弧時(shí)間為4ms和6ms時(shí),短路電流表現(xiàn)出持續(xù)擴(kuò)展特點(diǎn),引起電弧能量注入量的增長(zhǎng),作為主絕緣體的環(huán)保氣體受熱膨脹,使得高溫氣體進(jìn)一步擴(kuò)散。但是,由于觸頭間距變大能量耗散強(qiáng)度較高,電弧高溫區(qū)域增長(zhǎng)并不明顯。

        最后,燃弧8ms時(shí)試驗(yàn)回路內(nèi)電流減弱到0.58kA,僅存在極少的電弧輸入能量。0.6MPa和0.8MPa條件下,環(huán)保氣體電弧高溫區(qū)域依舊在擴(kuò)散,整體來看0.8MPa時(shí)高溫區(qū)域明顯要低于0.6MPa。因此,壓強(qiáng)的增加可以有效抑制電弧燃燒,調(diào)整開關(guān)的燃弧性能。

        3.2 開斷性能分析

        由于本次試驗(yàn)研究的樣機(jī)是以環(huán)保氣體作為主絕緣體,為了更好地體現(xiàn)全封閉隔離開關(guān)的開斷性能,設(shè)置不同的環(huán)保氣體混合比,形成表2所示的4組試驗(yàn)對(duì)比組,并在160V、2200A條件下,展開100次開斷試驗(yàn)。

        表2 開斷性能試驗(yàn)相關(guān)方案

        針對(duì)表2所示的多個(gè)試驗(yàn)方案,進(jìn)行全封閉隔離開關(guān)開斷性能測(cè)試,記錄每個(gè)試驗(yàn)方案下對(duì)應(yīng)燃弧時(shí)間,形成圖7所示的燃弧時(shí)間對(duì)比結(jié)果。根據(jù)圖7可知,所有環(huán)保氣體混合比條件下,燃弧時(shí)間主要集中在10~29ms,且應(yīng)用環(huán)保氣體設(shè)計(jì)的全封閉隔離開關(guān),相比10%SF6氣體、20%SF6氣體和30%SF6氣體,總體燃弧時(shí)間提升了35%、27%與25%,表明環(huán)保氣體應(yīng)用于全封閉隔離開關(guān),有效提升了開關(guān)的開斷性能。

        圖7 不同氣體的燃弧時(shí)間對(duì)比

        3.3 絕緣性能分析

        針對(duì)全封閉隔離開關(guān),進(jìn)行絕緣性分析,是驗(yàn)證開關(guān)性能的關(guān)鍵內(nèi)容。本次試驗(yàn)選用環(huán)保氣體充當(dāng)絕緣氣體,作為隔離開關(guān)的開斷介質(zhì)。因此,本文從環(huán)??諝庵羞x擇干燥空氣、氮?dú)夂投趸N氣體,分別充當(dāng)絕緣介質(zhì),應(yīng)用在試驗(yàn)樣機(jī)中,分別在50Hz工頻環(huán)境下,和雷電沖擊環(huán)境下進(jìn)行耐壓試驗(yàn),最終得到圖8所示的電壓變化結(jié)果。根據(jù)圖8可知,環(huán)保氣體用于全封閉隔離開關(guān)后,無論是在工頻擊穿電壓條件下,還是在雷電沖擊擊穿電壓條件下,絕緣性能均會(huì)隨電壓的升高而提升。工頻擊穿電壓測(cè)試結(jié)果顯示,干燥空氣的絕緣性能最高達(dá)到0.5MPa,而氮?dú)夂投趸淖罡呓^緣性能分別為0.47MPa、0.34MPa。雷電沖擊擊穿電壓測(cè)試環(huán)境下,干燥空氣的絕緣性能也要高于其他兩種氣體。因此,全封閉隔離開關(guān)設(shè)計(jì)時(shí),選用干燥空氣作為絕緣介質(zhì),既符合環(huán)保要求又可以滿足開關(guān)設(shè)備絕緣需求。

        圖8 工頻和雷電沖擊擊穿電壓結(jié)果

        3.4 耐溫性能分析

        高壓隔離開關(guān)工作時(shí),觸頭接觸壓力是關(guān)鍵參數(shù)之一,也是保證隔離電路不放電的依據(jù)。本次實(shí)驗(yàn)根據(jù)觸頭接觸壓力,分析以環(huán)保氣體為基礎(chǔ)的全封閉隔離開關(guān)后的耐溫性。在試驗(yàn)樣機(jī)的靜觸桿內(nèi)附近,安裝壓力傳感器。通過測(cè)試可知,試驗(yàn)環(huán)境內(nèi)自然溫度為16℃,全封閉隔離開關(guān)的額定接觸壓力為4535kg,且接觸壓力范圍為420.5~475.5N。在上述試驗(yàn)環(huán)境中,設(shè)置4個(gè)溫度點(diǎn),分別為-40℃、0℃、20℃與60℃,針對(duì)每個(gè)溫度點(diǎn)重復(fù)展開壓力檢測(cè),最終得到表3所示的接觸壓力測(cè)試結(jié)果。

        根據(jù)表3壓力測(cè)試結(jié)果可知,全封閉隔離開關(guān)的接觸壓力,會(huì)隨著環(huán)境溫度的增長(zhǎng)而減小。60℃時(shí)全封閉隔離開關(guān)的平均接觸壓力為297.3N,在-40℃時(shí)動(dòng)觸頭、靜觸頭之間的接觸壓力值最高,平均接觸壓力為369.2N。相比環(huán)境溫度為60℃時(shí),接觸壓力增加了18.15%,這表明全封閉隔離開關(guān)的接觸壓力會(huì)受到外界因素影響。結(jié)合隔離開關(guān)的工作要求可知,環(huán)保氣體用于全封閉隔離開關(guān)后,隔離開關(guān)的合理工作溫度范圍在-40~40℃,超過這一范圍后,開關(guān)難以發(fā)揮良好的電力隔離效果。

        表3 不同溫度下環(huán)保氣體全封閉隔離開關(guān)的接觸壓力

        3.5 試驗(yàn)結(jié)果討論

        將環(huán)保氣體應(yīng)用在全封閉隔離開關(guān)中,利用試驗(yàn)樣機(jī)和試驗(yàn)回路,分析氣體電弧燃燒過程。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出,隔離開關(guān)工作過程中,隨著時(shí)間的增長(zhǎng)環(huán)保氣體內(nèi)電弧燃燒范圍不斷擴(kuò)散。同時(shí),壓強(qiáng)對(duì)電弧燃燒具有重要影響,與0.6MPa相比,0.8MPa條件下電弧燃燒范圍更大,但是高溫氣體分布范圍更小。綜上所述,通過向隔離開關(guān)增大壓強(qiáng),可以促進(jìn)電弧能量耗散并控制電弧燃燒溫度,發(fā)揮更好的電力隔離效果。

        在同等試驗(yàn)環(huán)境下,環(huán)保氣體的燃弧時(shí)間,相比10%SF6、20%SF6、30%SF6混合氣體,增長(zhǎng)了35%、27%與25%,表明環(huán)保氣體的開斷能力低于不同混合比的SF6氣體,與已知的研究結(jié)果相一致。

        以干燥空氣為基礎(chǔ),建立的全封閉隔離開關(guān),其絕緣性能會(huì)隨著電壓的增長(zhǎng)不斷提升,最高達(dá)到了0.5MPa,符合隔離開關(guān)設(shè)計(jì)的絕緣要求。并且,與其他氣體相比,具有更好的絕緣性能。

        伴隨著環(huán)境溫度的減小,全封閉隔離開關(guān)的接觸壓力呈現(xiàn)出增加狀態(tài)。參考開關(guān)標(biāo)準(zhǔn)工作要求可知,隔離開關(guān)的最佳工作溫度范圍在-40~40℃,實(shí)際應(yīng)用時(shí)需要考慮這一條件。

        4 結(jié)語

        為了實(shí)現(xiàn)良好的電力隔離,近年來涌現(xiàn)出多種全封閉隔離開關(guān),以環(huán)保氣體為核心的隔離開關(guān)逐漸投入應(yīng)用。文中為了了解全封閉隔離開關(guān)的實(shí)際應(yīng)用效果,特展開試驗(yàn)研究。制作試驗(yàn)樣機(jī)和試驗(yàn)回路,搭建試驗(yàn)研究環(huán)境,并從燃弧性能、開斷性能、絕緣性能和耐溫性能四個(gè)方面進(jìn)行分析,全方位了解全封閉隔離開關(guān)的工作性能。在本次試驗(yàn)研究過程中,也遇到了部分難以理解的問題,這些問題會(huì)對(duì)隔離開關(guān)的運(yùn)行穩(wěn)定產(chǎn)生一定影響,未來需要對(duì)真空斷路器領(lǐng)域知識(shí)深入研究,開展進(jìn)一步試驗(yàn)。

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