（电机与电器专业论文）新型大电流开关的设计理论与应用研究.pdf

新型大电流开关的设计理论与应用研究 i n v e s t i g a t i o n so nd e s i g n t h e o r ya n da p p l i c a t i o no f n o v e l h i 曲c u r r e n ts w i t c h e s a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s eo fe l e c t r i c a le n e r g yc o n s u m p t i o na n dh i g hp o w e re n e r g yu s a g e ，h i g h c u r r e n tt e c h n o l o g yb e c o m e so n eo ft h ef a s td e v e l o p i n gf i e l d si nt h ee n e r g y p r o d u c t i o n ， t r a n s m i s s i o n ，c o n v e r s i o n ，c o n t r o l ，e t c b a s e do nt w op r o j e c t so f h i g hc u r r e n te l e c t r i c a ls w i t c h e s ， ad e s i g nt h e o r ya n di t sa p p l i c a t i o na b o u tv a c u u mg e n e r a t o rc i r c u i tb r e a k e r ( v g c b ) w i t ht w o b r e a k si np a r a l l e la n ds p e c i a ls w i t c hi na l u m i n u me l e c t r o b a t hi sp r o p o s e di nt h i sp a p e r a c c o r d i n gt ot h ec u r r e n tt r a n s f e rt h e o r ya n dp h a s ec o n t r o lt e c h n i q u e ，an o v e lv g c bw i t h t w ob r e a k si np a r a l l e li sd e s i g n e di nt h i sp a p e r d i f f e r e n c et ot h et r a d i t i o n a ld e s i g nm o d e ，i t a d o p t sam e t h o do fa s y n c h r o n o u so p e n i n gt w oi n t e r r u p t e r s ，w h i c hc a ns e l e c tt h ei n t e r r u p t e r w i t ha p p r o p r i a t ep a r a m e t e r st oc o n n e c ti np a r a l l e l m a i nv a c u u mi n t e r r u p t e r ( m v i ) u n d e r t a k e s t h er a t e dc u r r e n tm a i n l y ，w h i l ea u x i l i a r yv a c u u mi n t e r r u p t e r ( a v i ) b r e a k st h ef a u l tc u r r e n t t h ec u r r e n td i s t r i b u t i o ni nt w oi n t e r r u p t e r sc a nm e e tv g c bd e s i g nr e q u i r e m e n tb ys u i t a b l e c i r c u i ts t r u c t u r ea r r a n g e m e n t i ts t i p u l a t e sac o r r e s p o n d i n gw o r kf l o wi no r d e rt or e l e a s et h e c o n t a c ta b l a t i o n ，d u et ot h ed i f f e r e n c eo fb r o k e nc u r r e n tc h a r a c t e r s t h ec u r r e n td i s t r i b u t i o n u n d e rr a t e ds h o r t - t i m et o l e r a n tc u r r e n ti st e s t e d a n ds ot h a tt h ee l e c t r o d y n a m i cf o r c eo fe a c h p a r ti nv g c bi sc a l c u l a t e d b ys y n t h e t i c a la n a l y s i so ft h ef o r c ee f f e c ta n dt h e r m a le f f e c t , t h e v g c bc a nw o r ks t e a d i l yf o ral o n g - t i m ei nt h ec l o s i n gs t a t e f r o mt h ec u r r e n tv a r i e t ya n a l y s i so fs y s t e ms o u r c e ，g e n e r a t o rs o u r c ea n dt h eo u to fs t e p f a u l tc u r r e n t , t o g e t h e rw i t ht h em a t h e m a t i cm o d e lo fc u r r e n tt r a n s f o r m a t i o n ，t r a n s f e rp r o c e s s e q u a t i o n so ft h r e ef a u l tc u r r e n ta r ed e d u c e d t h ec h a n g et r e n do fc u r r e n tt r a n s f e rp r o c e s sa n d i n f l u e n c i n gf a c t o r sa r eo b t a i n e dd u et ot h es i m u l a t i o nr e s u l t s ，a n ds o ，t h ec o o r d i n a t i o nm a n n e r s o f m v ia n da v ii sa s c e r t a i n e d f r o mt h es i m u l a t i o no f c u r r e n tt r a n s f e rp r o c e s s i ti sk n o w nt h a t t h ec u r r e n tt r a n s f e ro fv g c bi nr a t e ds h o r tc i r c u i tb r e a k i n gc u r r e n tc a nm a k et r u ea n dc u r r e n t t r a n s f e rp r o c e s si sr e l a t e dt of a u l tc u r r e n ts o u r c es t y l e ，i n i t i a lc u r r e n tp h a s ea n g l e ，s y s t e m e q u i p m e n tp a r a m e t e r s ，c o n t a c t o rs e p a r a t i o ni n s t a n to fm v i ，a n ds oo n i th a se x c e e d e dt h e r e s t r i c t i o no f c u r r e n tt r a n s f e ra n a l y s i si ns i n g l ec u r r e n ts t y l ea n df i x e dc o n t a c t s e p a r a t i o ni n s t a n t a tb e f o r e b a s e do nt h ea p p l i c a t i o nr e s e a r c h ，am o d e lo fv g c bw i t ht w ob r e a k si np a r a i l e li s m a n u f a c t u r e di n t h i sp a p e r b y m e a s u r i n gt h eo p e n i n gc o i l e x c i t i n gt i m eo fp e r m a n e n t m a g n e t i ca c t u a t o r ( p m a ) ，ar e q u i r e m e n to fs h o r t e n i n gt h ee x c i t i n gt i m ef u r t h e ri sp r o p o s e d 一i i 大连理工大学博士学位论文 b yc u r r e n td i s t r i b u t i o nt e s t , i ti sp r o v e dt h a tt h ec i r c u i ts t r u c t u r eo fv g c bc a l li m p l e m e n tt h e c u r r e n td i s t r i b u t i o nr e a s o n a b l y b yt h ec o m p a r i s o no fc u r r e n tt r a n s f e rt e s ta n ds i m u l a t i o n a n a l y s i s ，t h er e a s o no fc u r r e n tt r a n s f e ra n dc h a n g et r e n da r ef o u n d t h ev g c bm o d e lc a n s a t i s f yt h ec o r r e s p o n d i n gp r e s c r i p t so fn m i o n a ls t a n d a r d so fc h i n a s o m em e t h o d so fh e a t d i s s i p a t i o ni m p r o v e m e n ta r ea l s oi n t r o d u c e d as e to f s p e c i f i ch i g hc u r r e n ts w i t c hi sd e s i g n e di nt h i sp a p e r i ti sm a d eu po f m a n ys m a l l c u r r e n ts w i t c h e si np a r a l l e lb ys y n c h r o n o u sc l o s i n ga n do p e n i n gt e c h n i q u e ，s oi tc a ns w i t c h o n - o f fe l e c t r o b a t hw i t hn o n - p o w e r c u t t h es w i t c h i n go n o f ff l o w sa r ei n t r o d u c e di nt h i sp a p e r b yc a l c u l a t i n ge l e c t r i c a lp a r a m e t e r sa n ds i m u l a t i n gt h es w i t c h i n gm o t i o np r o c e s s ，t h es w i t c h c a na c h i e v et h ec u r r e n tt r a n s f e ro fh u g ec u r r e n t t h r o u g ht h ed y n a m i ca n dt h e r m a ls t a b i l i t y a n a l y s i s ，t h es t r u c t u r eo fm a n yb r e a k si np a r a l l e lc a l ls a t i s f yt h es t a b l yr u n n i n gd e m a n di n c l o s i n gs t a t e k e yw o r d s ：v a c u u mg e n e r a t o rc i r c u i tb r e a k e r ；m a i nv a c u u mi n t e r r u p t e r ；a u x i l i a w v a c u u mi n t e r r u p t e r ；c u r r e n tt r a n s f e r ；p e r m a n e n tm a g n e t i ca c t u a t o r i i i 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目： 作者签名： 大连理工大学博士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目： 作者签+ 名： 导师签名： 大连理工大学博士学位论文 1 绪论 1 1 引言 电力工程的前沿课题正朝着高电压和大电流两个方向发展。大电流设备的相关理论 和应用研究是电气工程的主攻方向之一。电气工程的最大应用背景是电力工业，其发展 对推进国民经济发展和社会进步起着非常重要的作用。随着社会的发展和社会生活水平 的提高，人们对电力的需求也越来越多，促使电网的容量越来越大，而高安全性、高可 靠性的高电压、大电流设备成为电网的核心设备。其中用来关合、开断电网中的负载电 流、短路电流的电力开关是这些核心设备中技术含量最高、对于电网安全运行最为重要 的设备。因此，大电流电力开关的研究成为龟气工程中的重要的研究领域。大电流电力 开关的典型应用除了系统短路保护外，还包括发电机出口保护、电解电镀系统的投切、 冲击电流的投切等大电流的应用领域。大电流电力开关中的主要特点是其额定通流值 大，对于具有切断故障电流功能的断路器来说任务更艰巨的是巨大的故障电流的切除。 由于电流值较大，与小电流电力开关相比，其在热效应、力效应、磁效应、电化学效应 等方面的影响更为严重甚至能够决定开关能否正常运行。因此大电流电力开关研究不仅 仅在于本体的结构设计，更重要的是其相关理论的研究和附加影响方面的研究。本文就 是以大电流设备结构设计为背景，分析研究解决发展应用中的一些“瓶颈”问题的，为 指导更深入的应用提供帮助。 1 2 大电流设备的相关理论与关键技术 1 2 1 大电流设备的热效应与力效应理论研究机理 由于电流的存在会产生多种效应，如热效应、力效应、磁效应、电化学效应等，设 计人员可以利用其中某方面的效应设计出某些功能的设备，但与此同时也需要考虑其它 效应对设备及环境的不利影响。在小电流的情况下，由于数值较小，这些不利影响并不 突出甚至可以忽略，但在大电流条件下，由于电流数值很大，这些不利影响也会随之增 大，它会降低设备的使用寿命，严重时会对设备及环境产生严重的破坏性。对于大电流 电气设备，能够经受大电流热效应和力效应的作用是其能够运行的基本条件，本文所研 究的大电流电气设备主要是按照电气设备能否经受大电流热效应和力效应为基础进行 研究。 大电流电气设备的发热的来源在于内部的能量损耗，而电气设备的能量损耗主要来 自于导体电阻发热做功的电阻损耗以及由于电气设备导体附近存在铁磁材料而产生的 新型大电流开关的设计理论与应用研究 铁磁损耗 1 】。大电流电气设备的热效应的研究主要包括电气设备的温升计算、电气设备 的散热系统设计以及降低电气设备能量损耗等方面。电气设备的温升计算主要采用工程 计算方式和软件仿真分析方式。工程计算方式主要是根据电气设备通电形式计算各部位 的温升，这种方式有其局限性，受材料热时间常数的影响较大，计算整体分布情况也较 为复杂。软件计算方式主要是通过a n s y s 、a n s o f t 、f o r t r a n 等软件编程建模仿真分析， 这种方式可以整体的反映出电气设备的发热情况并且能够反应出电气设备附近空气的 温升分布情况，误差相对较小。电气设备各部位的温度是否低于材料的最高允许温度是 决定大电流系统能否在长期可靠运行的一个重要因素。通常大电流的电气设备本身的散 热能力不足，需要配备辅助散热设备加速散热。这些散热设备主要有固体散热器、水冷 却系统、空气冷却系统，其核心是加大设备的散热面积和加强设备与空气的对流系数。 工程设计人员需要根据电气设备的运行条件为电气设备设计选择相应的散热方式【2 】，如 大电流开关通过固体散热器结合强迫风冷的方式，而封闭电源柜通常采用水冷却的方式 进行散热。对大电流的热效应分析除了要考虑到使用这些散热设备之后的设备温升情 况，还需要考虑到这些辅助散热设备因为故障等原因停止工作时的电气设备允许运行时 间及电气设备降低负荷运行时的电流值。这可以为操作人员在散热系统故障情况下合理 地安排电力系统的正常运行提供决策依据。对于电气设备能量损耗方面的研究，目前主 要是在改进导体回路结构和新材料的使用方面进行研究。优化回路结构，减少连接点， 可以有效地减小导体回路的阻抗，从而减少导体的发热量，而新材料的使用可以替代某 些铁磁材料，从而可以减小铁磁损耗。 由于通电导体周围会产生磁场，而磁场又会对通电导体有作用力，所以两个或两个 以上的导体将会互相产生作用力，此作用力即为“电动力”。电气设备的力效应研究主 要目的是分析出电气设备中导体的受力情况。科研人员根据洛伦兹定律和左手定则分析 出工程上常用的多种形状的两个导体在不同放置形势下的电动力计算公式及受力方阿。 由于每一台电气设备其内部导体具有多种布置形式，每部分导体多会受到其余导体的多 种电动力作用，所以对于大电流电气设备的力效应分析的主要工作是由设计人员计算出 设备各部位的总的电动力分布及其受力方向，找出设备的薄弱环节以及为各部位的连接 所需的施力提供依据。工程上目前主要采用的是将设备整体分散成多个受力导体，然后 根据导体位置形式的计算公式得到的电动力进行向量累加。这种方式有其局限性即所计 算出的力是某段导体的集中力，不能完全展示导体整体各部位的分布受力。一些公司和 研究人员通过a n s y s 、a n s o f t 、f o r t r a n 等软件编程仿真分析电气设备整体的受力分布 情况。这种方式可以充分显示出各部位导体受力的强度，与实际情况更为接近。 大连理工大学博士学位论文 1 2 2 大电流真空开关的关键技术 大电流电力开关，根据灭弧原理的不同可分为油开关、空气开关、真空开关以及 s f 6 开关。在中高压领域，目前主要使用s f 6 、真空断路器。s f 6 对地球大气臭氧层有很 强的破坏作用，国际上已决定对其使用和排放加以限制。由于真空断路器，具有开断能 力较强且无毒、无油、结构简单等优点，使得其在中压领域逐步得到广泛的应用，在世 界范围内得到了巨大的发展1 3 。现在美国、日本、英国、德国和俄罗斯等国家都已大量 生产不同规格的真空开关，其应用范围越来越广泛，据不完全统计，许多国家在3 5 k v 及以下电压等级的变电所所用的断路器中已有7 0 8 0 采用了真空断路器。大电流真 空开关的关键技术包括真空灭弧室技术、开关机械参数以及开关控制方法等。 ( 1 ) 真空灭弧室 真空灭弧室是真空开关的核心部件，其性能参数决定了真空的基本性能。随着真空 触头结构的改进、新的触头材料的应用以及先进的一次封排工艺的采用，真空灭弧室的 性能得到很大的提高。国内真空灭弧室的发展近十几年发展十分迅速，但仍然与国外先 进企业的设计生产能力有很大差距。据2 0 0 6 年文献报导【4 】，采用特大直径铜棒，加上强 迫冷却措施，国外可以制成额定电流1 0 0 0 0 a 的真空灭弧室。现在国产1 2 k v 等级的大 容量真空灭弧室最高额定电流为5 k a ，开断短路电流最高为1 0 0 k a ，达不到发电机真空 断路器应用的参数要求。 ( 2 ) 开关机械参数 真空灭弧室额定的性能参数规定所配合的操动机构应达到规定的机械特性，随着开 断电流的增大对真空开关操动机构的机械参数提出了更高的要求。传统上真空断路器的 操动机构是以弹簧操动机构为主导，但由于弹簧机构零部件较多，在控制精度和动作稳 定性上具有_ 定的缺点。据大电网统计，绝大部分开关动作失败的原因是由于机构的问 题引起的，而零部件越多其可靠性也将相应的降低，故现在逐渐采用永磁操动机构代替 弹簧操动机构。永磁机构是基于“电磁操动、永磁保持”的原理设计研发的，它与传统 的弹簧操动机构相比，永磁机构采用全新的原理和结构，无需机械脱扣和锁扣装置。真 空断路器采用永磁机构后其零件与弹簧操动机构少8 0 以上，据统计a b b 的v m l 型真 空断路器配永磁机构后其机械寿命可达到1 0 万次以上。我国的v s m 型真空断路器配永 磁机构后机械寿命达到6 万次f 5 】，这在传统的操动机构上很难达到这一指标。永磁机构 的高可靠性，同时由于分合闸的速度和动作时间的稳定性，可以为实现相控开关控制提 供了机构保证，为开关实现智能化控制提供技术保证f 6 】。所以随着电力系统对真空开关 性能要求的不断提高以及真空开关进一步向高电压大电流方向发展，永磁机构这种优势 将进一步得到充分利用，采用永磁机构的真空断路器将进一步得到推广应用。 新型大电流开关的设计理论与应用研究 ( 3 ) 开关控制方法 传统的断路器在分合闸时根据继电保护的要求进行分合闸操作，并未考虑分合闸电 压或电流相位。这种方式虽然控制方法上较为简单，但是随着系统稳定性和可靠性要求 的提高此种控制方式的缺点逐渐体现出来，例如在关合电容器组和空载变压器出现较大 的涌流和操作过电压【_ 7 引，分断短路电流取决于灭弧室参数，无法提高原有灭弧室开断 能力等问题。为解决这些问题，开关设计人员提出采用“相控”的方式解决上述问题。 相控原理主要方面是在电压过零时刻开关触头关合，在电流过零时刻实现故障电流的开 断。目前已能够实现1 2 k v 的真空断路器的选相合闸，实现无合闸过电压和不出现涌流。 同时，采用同步分闸开断短路电流时，可提高一个电流等级的开断性能，根据一些学者 的研究实践经验，可增大额定开断电流值的2 5 左右【9 l 。随着控制技术的提高采用相控 方式的真空断路器会得到进一步广泛应用。 1 2 3 并联断口型真空断路器的研究进展 为解决单断口断路器额定通流和开断能力不足的弱点，特别是在发电机保护等要求 高载流及大电流开断的场合，学者们提出了利用并联开断的方式加以解决【1 叫。 由于真空电弧正的伏安特性，理想操作情况下同样型式的两只真空灭弧室电气上并 联连接可以分担额定电流，当短路故障发生时，两对触头同时分开，切断故障电流，可 达到开断大电流的目的。但实际上由于安装布置以及材料特性等原因，两灭弧室难以达 到均流效果：另外由于操动机构的动作分散性等原因，两灭弧室动作存在不同期性，即 两对触头不可能绝对同时分开，总是有先有后的。严格的讲，要求并联灭弧室同时打开 是不切实际的【l2 1 ，所以这种简单的并联方式还有一定的问题。有学者提出真空灭弧室串 联电感的并联方式，可提高均流效果。附加的电感会增加系统的阻抗和成本，影响系统 的输送能力，没有从根本上解决两灭弧室电流同时开断的问题。为保证同步开断，西门 子公司设计出将一台8 b k 4 0 型真空断路器的三相并联使用，组成真空发电机断路器 8 b k 4 1 型的一相，将这样的三相合成一个总体，共同承担大的额定电流和开断大的短路 电流的方法。为达到三相同步运行，采用同步控制装置和快速脱扣器完成。这种方法对 工艺要求很高，而且成本也较高，另外实现同步较复杂，未得到广泛使用。一些学者提 出采用真空隔离器和真空断路器并联的方式构成发电机断路器【l 川4 1 ，其中真空隔离器分 担大部分额定电流，故障开断由真空断路器负责。这种方式虽然提高了额定通流能力， 但开断仍采用传统操作方式仍然受制于真空灭弧室的开断能力。随着永磁操动机构和相 控技术理论在真空断路器上的发展和应用，可以实现真空开关的电子操动，从而使真空 断路器具有开断超过灭弧室标牌所规定的额定短路开断电流的可能性以及抑制投切电 4 大连理工大学博士学位论文 容器组或空载变压器的涌流和操作过电压【”1 。基于以上几点本文提出采用双灭弧室并联 结构，利用电流转移原理并利用相控方法实现短路电流的开断【l 叫刀。由于采用相控原理， 所需开断的短路电流可以超过后打开的灭弧室的额定短路开断电流。这种方式可以根据 不同的参数进行灭弧室的选择，不限于同型号灭弧室，也可以进一步级联实现某些特殊 场合的应用。这种方式是克服灭弧室部分限制，进一步提高真空断路器性能的一种方法。 1 2 4 电解槽开关的应用研究现状 电解槽开关也称有载投切开关，适用于并联短接电解槽实现不停电投切电解槽。目 前大型金属电解企业采用将系统停电后采用人工的方式利用短路1 ：2 进行短接方式，这种 方式会造成产量降低、生产效率下降和设备寿命降低等问题。采用此种开关进行投切可 以避免系统停电，对电解企业节能增效、保证产品质量具有很大好处。 由于大型金属电解系统的额定电流值极大，目前采用开关进行投切的主要技术难题 是线路用断路器由于额定电流小无法满足特大电流的需要，而采用设计专用开关的方式 需要克服多个开关同步投切的问题。另外由于系统中每年检修多台电解槽，开关应能方 便拆卸移动且工作寿命较长。多年来，国际铝业巨头美铝、法铝和许多专业短路开关制 造商( 如德国r i t t e r 公司、法国菲拉斯公司) 等也都一直在积极开发这一关键技术【l 引。 国内，中孚铝业与华中科技大学曾合作研制专用开关设备试验对电解槽不停电投切。到 目前为止中国的特大电流有载投切开关仍处于试验研究阶段，并未在电解系统中推广应 用。 1 3 发电机断路器的特殊性能要求及“瓶颈”问题 1 3 1 发电机出口断路器的发展与应用 大电流开关的一个主要应用场合是作为发电机出口保护断路器，也称作发电机断路 器( g e n e r a t o rc i r c u i tb r e a k e r ，简称g c b ) ，其位于发电机与升压变压器之间，是直接 连接在发电机主回路中的断路器【l9 1 。发电机断路器可用于保护和控制火电、核电和水电 电站的发电机与同步调相机，由于其对发电机和变压器具有良好的保护性能及优越的经 济性，现今在国外广泛的应用于1 0 0 m v a 以上的发电机出口保护中。发电机出口保护 系统曾采用限流电抗器配合小容量断路器或电压应变器( 避雷器) 的方式对发电机的出 口进行短路故障保护【2 0 】，但由于电抗器串联在变压器主回路，产生了大量的电能损耗以 及影响了电气系统的性能参数等负面影响，这种方式并未得到广泛的应用。对于发电企 业更加需要采用仅靠开关投切的方式对发电机和变压器进行有效保护的电力开关即发 电机断路器【2 。 新型大电流开关的设计理论与应用研究 对于发展更高电流等级的真空开关主要有两种途径：继续发展单断口型真空开 关；发展并联双断口或多断口的真空开关。在2 0 0 0 年日本研制出用于核聚变实验装 置上的1 0 k a 专用真空开判2 2 】，日本单断1 3 纵磁场结构真空灭弧室的研制已突破1 2 k v 下分断2 0 0 k a e 2 3 1 。现在国内的大电流单断口真空断路器主要有应用于i o o m w 的小型发 电机系统v d 4 g 型真空断路器( 1 7 5 5 0 0 0 4 0 ) 【2 引，以及北京北开电气股份有限公司开 发研制了z n 口1 2 t 6 3 0 0 8 0 型真空发电机断路器，这是现今国产1 2 k v 等级最高容量的 真空断路器【2 5 1 。并联断口型真空开关主要是采用将同型号的真空断路器并联成为更高电 流等级真空断路器一相的方式提高断路器的开额定通流和开断短路电流的能力，比较典 型的是西门子公司生产的8 b k 4 1 型真空断路器。 现在国内6 0 0 m w 及以上的大型发电厂所应用的发电机断路器大部分为国外品牌， 主要有a b b 、g e c a l s t h o m 、m i t s u b i s h i 、b b c 等公司生产的s f 6 发电机断路器， 国内是从5 0 年代开始发展，当时的发电机断路器有压缩空气断路器和少油式断路器两 种。现在大容量的发电机断路器主要是沈阳新东北电气( 原沈阳高压开关厂) 生产的 l n 6 1 8 型s f 6 发电机断路器。随着1 0 0 m w - - 4 0 0 m w 发电站的增多以及对电站无油化要 求的日益提高，以s f 6 型和真空型断路器成为发展的主力 2 6 】，但国外品牌价格昂贵，昂 贵的投资迫使建设单位不得不重新考虑采用发电机断路器的方案【27 1 。近十几年来，3 5 k v 以下的真空断路器越来越多的用作中小型发电机的出1 3 断路器1 2 引。随着真空灭弧室和制 造技术的提高，国内进一步的向更大容量的真空发电机断路器发展，北京北开电气有限 公司与锦州华光电力电子集团公司联合开发设计的z n 口1 2 t 6 3 0 0 8 0 型真空发电机断 路器已于2 0 0 3 年通过型试试验投入生产【2 引。 1 3 2 发电机断路器的特殊性能要求 发电机断路器与一般的输配电高压断路器相比，由于其在电网中所处位置的不同， 保护的对象也不一样，在许多方面要满足特殊的一些要求。主要分以下三方面【3 0 】： 一、额定值。发电机断路器由于位于发电机的出口端与高压系统侧相比，其要求承 载的额定电流特别高，所要开断的短路电流也特别大，远远超出同等级输配电断路器。 二、开断性能。发电机断路器需要具有开断非对称短路电流的能力，其直流分量衰 减时间可达1 3 3 m s ；还应具备关合额定短路关合电流的能力，该电流峰值为额定短路开 断电流的2 7 4 倍；还要具有开断失步电流等能力 3 1 - 3 2 1 。这些要求都高于一般的线路用断 路器的性能要求。 大连理工大学博士学位论文 三、固有恢复电压。因为发电机的瞬态恢复电压是由发电机和升压变压器的参数决 定的，而不是由系统决定的，所以其瞬态恢复电压上升率取决于发电机和变压器的容量 等级。等级越高，瞬态恢复电压上升的越快，其数量级为k v 岭。 1 3 3g c b 发展的“瓶颈”问题 对于发电机出口端的真空发电机断路器来说，由于发电机断路器的开断条件比普通 配电型断路器的开断条件要苛刻很多，i e c 、i e e e 及我国国标都为发电机断路器制定了 相应的标准和技术条件。从技术性能上分析，真空断路器用做发电机断路器主要存在以 下几方面问题【3 引。 ( 1 ) 操作过电压 其主要形式是重燃过电压p 4 1 。由于断路器多次开合操作，存在能量重新分配而导致 的可能在某些设备上出现过电压。过电压的高低与电弧重燃和熄灭的时刻有着密切的关 系。真空断胳器触头刚分开的瞬间，若电弧电流恰好在过零点，则电弧熄灭，但此时触 头开距小，故上升较快的恢复电压将使间隙击穿而重燃，产生高频电流，如果高频电流 幅值大于工频电流瞬时值，又会出现高频电流过零点，而真空断路器具有切断高频电流 的能力，于是真空断路器再次灭弧。如此反复，在多次电弧重燃过程中断路器触头间的 恢复强度在增长，同时，重燃过电压的幅值也存增长，产生4 倍以上的过电压，最终对 发电机主绝缘和匝间绝缘产生较严重的危害。 ( 2 ) 直流分量开断能力问题 发电机提供的短路电流具有较高的直流分量，可能产生较长的延时电流零点，这就 要求发电机断路器具有强迫短路电流尽快过零的技术性斛3 5 】。直流分量的衰减取决于非 周期分量时间常数。通常情况下，发电机短路电流的直流分量比交流分量衰减的慢，因 此可能出现延时电流零点。如果断路器不具备强迫短路电流尽快过零的技术性能，则在 断路器的固有分闸时间内，短路电流仍未过零，也就是说，在触头完全分离的一个周波 内电弧电流仍然未过零，电弧不熄灭，这将会对发电机、变压器以及线路上的其它电气 设备受到损伤。 ( 3 ) 暂态恢复电压上升率问题 作为发电机出口保护的发电机断路器另一个主要性能指标是要能够承受较高的瞬 态恢复电压的能力。该恢复电压由工频分量和瞬态分量叠加而成，其变化特性取决于系 统回路和断路器本体的特性。从一些学者的研究成果可知，真空断路器开断发电机出口 处短路的短路电流时，断路器的瞬态恢复电压最为严重，而开断其他位置的短路故障电 流时，瞬态恢复电压相对较轻。严重的情况将会出现断路器的瞬态恢复电压上升率超出 新型大电流开关的设计理论与应用研究 发电机断路器通用技术条件所规定的开断端部短路时的系统源预期恢复电压上升率 3 q 。如果不加以控制，将会对给发电机断路器的短路电流开断造成困难，甚至开断失败 危及其他设备的安全运行。 解决上述几方面问题已成为真空发电机断路器已成为能否顺利发展的关键。 1 4 电解系统特大电流有载投切开关 电解系统大都由整流变压器、整流装置、母线以及电解槽四大部分组成【3 6 1 。电解行 业基本上采用的是低压直流大电流的电解方式，其负载即电解槽具有低电压大电流、长 期运行的性质，通过电解槽的工作电流应该保持在某一最佳的数值，才能使电解生产获 得优质高产。 随着经济的发展，电解企业特别是电解铝企业原有的停电检修电解槽的方式越来越 不适应节能降损的企业需求。电解铝工业是高能耗行业，能量效率至今不及5 0 ，其能 源损失主要集中在频繁的电解槽检修环节，通常一个电解铝生产线每年需要计划检修几 十次左右。由于电解铝生产需要巨大的用电负荷，其用电负荷的非正常波动极易对电网 以及电解铝的产皮质量造成危害。受传统检修技术体系的制约，单台电解槽检修时必须 按照严格的操作规程对全系列停电两次以上，每次持续2 0 分钟左右。虽然在一定程度 上保证电网的安全运行，但严重破坏了正常的生产技术条件，大大降低了电解铝系列的 能源效率，严重制约电解槽寿命的提高，使系列电解槽年检修量逐年加大，形成恶性循 环。因此，长期以来实现电解槽的不停电检修成为世界电解铝工业必须尽快攻克的重大 技术难题。不停电检修电解槽的方式目前主要有降压人工连接短路口的方式以及采用专 用开关并联在电解槽两侧进行投切的两种方式可供选择。由于降压人工短接的方式需要 降低整个电解系统的电压，也会影响电解系统的生产和效率，故此种方式并未推广使用； 采用开关进行投切，完全可以避免系统停电或系统电压降低，称为电解企业首选的一种 方式。 投切电解槽所用的开关其需满足额定通流值极大、开关回路电阻极小、寿命长、安 装拆卸方便以及符合现场工作条件等要求。由于线路用断路器的额定通流能力有限，并 且接触电阻值较高，另外线路用大电流的断路器的短路开断电流次数有限，到目前为止 没有线路用断路器应用于投切电解槽的报道。现在一些研究单位在研究采用专用的投切 开关进行投切，如宝川铝厂曾在7 5 k a 系统上采用专门短路片进行全电流短接电解槽p 7 1 ， 但其并没有考虑到多根母线并联的同步问题，所以不能适用于多母线送电结构的大型电 解系统。中孚实业与中南大学合作研究3 0 0 k a 全电流条件下停开槽技术，设计了一套机 大连理工大学博士学位论文 械设备进行了试验，并申报专利【3 扪。其采用同轴机械同步联动的开关方式进行电解槽的 阴阳极母线短接。由于现有电解槽之间的空间较小，这种型式受现有系统空间的限制， 安装和拆卸不便，不能够达到所有电解系统通用。另外对机械和设备的加工精度要求较 高，机械传动零件较多，同步性控制较困难。2 0 0 6 年以来大连理工大学与抚顺铝厂合作 研究特大电流有载投切开关在电解铝工业上的应用，主要方法是采用多断口并联同步投 切的方式将电解槽中的电流转移到开关回路中。到目前为止电解槽专用投切开关仍处于 试验研究阶段。 1 5 本文的主要研究内容和章节安排 本文的研究以大电流开关装置的应用为主线，着重研究电力系统最重要的大电流开 关一真空发电机断路器，并综合大电流技术，设计电解系统特大电流有载投切开关。 本文的具体章节安排如下： 第_ 章综述了大电流电力开关的发展方向。介绍了国内外大电流真空发电机断路器 的发展应用现状以及所需要满足的特殊性能要求并对特大电流有载转移开关的发展应 用情况进行了概述。 第二章分析了新型真空发电机断路器的结构和需要满足的各项性能参数并介绍了 开关的工作过程。通过分析断路器的回路阻抗，确定断路器的两灭弧室支路的电流分配， 并以此为基础对断路器进行力效应和热效应分析，确定其能否承受短路电流的冲击作用 以及能否长期可靠工作。 第三章分析了不同故障类型下的故障电流变化情况，并对不同故障电流情况下的电 流转移过程进行动态分析，确定三种故障电流源的电流转移方程及影响因素，并通过算 例证明在额定短路开断电流条件下可以实现电流转移以及对两灭弧室的配合方式进行 说明。同时根据相控开断的要求对开断故障电流过程中各部分所需时间提出要求。 第四章对发电机断路器样机进行实验分析，测定分合闸的特性参数和电流分配比例 关系。通过电流转移实验，确定电流转移的变化情况和规律，并和理论计算结果进行校 对分析出误差的原因。通过温升实验验证开关能否可靠运行，分析出现有散热系统的不 足。 第五章分析了电解铝行业停电停电投切电解槽的问题和影响，结合些学者的研究 方案，根据现场情况，提出电解铝有载专用投切开关的设计方式以及控制方案，并仿真 分析了开关投切过程的电流转移变化情况，对动热稳定性进行了分析计算验证开关能否 可靠关合。 最后是结论和本课题方向进一步研究的展望。 新型大电流开关的设计理论与应用研究 2 新型真空发电机断路器的结构设计及其动热稳定性分析 新型真空发电机断路器的设计需要涉及多方面的内容，其主要集中在结构设计、控 制方式、电气参数以及力效应和热效应分析等方面。结构设计涉及到双灭弧室的选择及 断路器的装配布置问题；控制方法上主要考虑双灭弧室的工作流程；电气参数方面需要 确定各灭弧室支路的阻抗参数和电流分配；在力效应影响方面需要分析计算出在最大故 障电流下的断路器各部位的受力情况及额定压力下的触头斥力，判断灭弧室能否可靠关 合；在热效应方面仿真分析额定电流下的温升分布以及大电流条件下的触头熔焊问题及 辅助散热系统对断路器运行的影响。本章针对以上这些问题进行分析，确定新型真空发 电机断路器的结构设计及其可行性。 2 1 新型发电机断路器的结构参数 发电机断路器现今主要以s f 6 断路器为主，受设计和生产能力的限制，真空发电机 断路器发展较慢，仅少数厂家进行生产。目前国内1 2 k v 等级最高性能参数的单断口真 空发电机断路器的是由北京北开电气股份有限公司生产的z n 口1 2 6 3 0 0 8 0 型真空发电 机断路器，其额定通流达到6 3 0 0 k a ，开断能力达到8 0 k a 。而并联断1 3 型的真空断路器 主要有两家公司生产，分别是西门子公司生产的8 b k 4 1 型断路器，其额定电流最高可 达到1 2 0 0 0 a ，最大开断电流为8 0 k a t 3 9 1 ；另一家是常州伊顿森源开关有限公司生产的 v c p - - w g 型发电机出口专用断路器，其并联使用后的参数可达到额定通流8 k a ，开断 电流达到7 5 k a 4 0 1 。本文所设计的真空发电机断路器目标是达到目前国内1 7 5 k v 电压下 额定通流和开断电流最高参数等级的真空型发电机断路器，并且每一相采用双灭弧室并 联结构，其额定电流和额定短路开断电流的设计参数分别达到8 k a 和1 0 0 k a ，开关型号 定为z n 口1 7 5 8 0 0 0 1 0 0 。 2 1 1 整机结构 根据设计目标的额定电流和额定短路开断电流的要求，并考虑到真空灭弧室性能参 数和对操动机构的要求，选择了t d 18 5 0 0 0 6 3 型和t d 1 2 4 0 0 0 4 0 型两种型号参数不 同的真空灭弧室，完成不同的性能需求。两灭弧室特性参数见附录a 。开关一相的结构 如图2 1 所示。 图中将导通额定电流为主要功能的t d 1 8 5 0 0 0 6 3 型真空灭弧室命名为主灭弧室 ( 简称m v i ) ，而将负责短路电流开断的t d 1 2 4 0 0 0 4 0 型真空灭弧室命名为辅助灭弧 室( 简称a v i ) 。两灭弧室垂直并排布置，中间通过铜连接母排和导电杆并联连接。由 大连理工大学博士学位论文 于两真空灭弧室结构尺寸不同，考虑到制作和装配上的方便，在设计对上部的两灭弧室