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紧凑型高压真空断路器可行性研究 作者：Hans Schellekens Schneider Electric, Grenoble, France and Georges Gaudart VATECH T&D, Siemens Group, Grenoble, France 摘要：这项研究集中在一个紧凑型真空断路器（CB），额定电压72.5千伏，额定电流为2000 A和31.5 kA的短路电流。基于多个浮动屏障配置，从而降低了总故障的风险由于接触和屏障之间形成部分击穿的真空灭弧室（VI）的介质。一个优化的接触表面上的电场分布的最大指向浮动屏障领域安排，从而减少击穿的每一个接触的有效面积。所有的测试都是一个专门设计的单相断路器配备极单位进行低能量的弹簧式机制。中断的性能被证实直接测试。断路器被证明是极重燃无电缆充电C2类。在新的条件和绝缘试验后中断测试证实公布的评级。这些试验证实，25以上的紧凑VI的基础上概述的介质概念的这个高压CB的可行性。真空击穿指数，绝缘击穿，真空灭弧室，高电压技术，断路器，SF6。1.引言自1970年的真空灭弧室（VI）已适用于72千伏电压等级和更高的单断点断路器1。这一主要突破已在日本的真空电介质取得更好的理解，我们这里指的“区域效应”2，其中涉及暴露的接触面积的真空间隙的绝缘强度，和垫款在真空灭弧室的“电压调节”3。最近已提议为145千伏的电压，真空技术4,5以上6。同时，该技术似乎蔓延到欧洲大陆7。更复杂的设计与VI的概念被提出7,8。最近的环境压力，放弃SF6电流作为现在开断和隔离介质，增加VI高电压（HV）的应用。这些最近的变阵一直是研究提出的主要动机。我们广泛的研究了所谓的“4陶瓷”六提供的介电能力设计7,8。我们将根据我们的“多个浮动屏障六”的概念介绍我们的两个主要结论。其后将讨论其他VI的电路设计和断路器（CB），最后我们提出我们的测试结果证明这种六紧凑型概念整体的可行性。图1：A：固定接触 B：移动接触 C：波纹管 D / G：中央屏障 E：防护物75 F：防护物25 D / G：防护物50 H：隔离器图1. A，B，C。三个可能的HV-VI屏蔽配置。从左至右（1A）单一浮动屏蔽.（1B）三个浮动屏障.“传统的”（1C）多个浮动屏障六。 2.真空灭弧室的概念 我们提出一个新的可实现更紧凑设计真空灭弧室的概念，。这个概念是基于以下两个独立的观察结果。首先，在2.1节，屏障物整理在VI中的分布处理的局部击穿电压的影响。其次，我们在2.2节显示，由多个屏障物的整理，不利用在部分放电的介电性能的优势提高触点上的最大电场我们可以实现更紧凑的VIs。2.1多重防护配置图1三种可能的屏障配置代表。VI的中等电压往往是一个单一的动屏蔽（图1a），虽然这配置已经提出了高电压应用4。最近提的VIs 7,8使用陶瓷4，从而导致（至少）两种可能配置的浮动屏（1和1c）。图1b中心防护物D面临两个触点A+ B，而在图1c中屏障物G是从两个触点A + B的中间屏蔽E+ F。我们期望这些高频率现象在不同情况下运转如同高频电击穿。因此，我们研究的屏蔽低压配电是一个非持续的介电放电（NSDD）或持续时间短的电击穿在这项研究中，这是两个数值（ATP计划）和实验，一个是模拟电源频率测试。一个变压器被用来作为电压源（包括杂散电容和电感）和现实的电容值（介于屏障和触体）基于（接近）最终几何的基础。此外，屏障的尺寸是同样的屏障和触体之间的共享电压。我们区分下列情况：主触点与接触和屏障之间局部击穿之间的全面故障。表1给出了计算高频电流流短持续故障后的触体或屏蔽的最大恢复电压。关于一个NSDD的持续通常小于7微秒概要，电流为零，当高频电流被中断恢复已建立。主触点故障和随后的恢复后，由于接触电压的两倍（200）充电的电缆电容。屏蔽潜力相应增加电容耦合。对于这个条件下，图1b和1c的 VI运转相同。实际上，这意味着一个NSDD之间的接触将几乎可以肯定进步成一个完整的击穿而接触的差距未必可以抵制这个电压加倍。更有趣的是，虽然接触和屏蔽之间是在局部击穿的情况下。在图1b中央六屏蔽D屏蔽 E和F的局部屏蔽，不包括部分触体与这些击穿之间的故障。在图1c中央VI 屏蔽G是从接触部分屏蔽E和F局部击穿屏蔽的。不包括部分触体与这些击穿之间的故障。区别：部分故障的情况下，图1a或图1b类型相比中央的电压跳变屏蔽总电压可以达到约111。图1C型的种类只有76。电压跳变的减少降低了VI内部和外部的电应力，使局部进展细分为不太可能全面崩溃。因此，电介质承受VI的改善功能。电压跳变取决于（部分）发生故障和电压源的性质。如果电压所产生的雷电脉冲，击穿跨越接触将采用象征电流直到闪电电压消失; 在此条件下使电压跳变是不太可能的。然而，在部分情况下当前是最小的击穿，所有类型的外加电压下电压跳变是可能发生的。对于我们的“浮动多个VI屏蔽的最终几何，我们通过实验验证预测电压于表1中。测试是在一个真实大小的模型灭弧室，但在30 V使用快速开关晶体管至五降低电压模拟击穿。图2a所示的测试设置。在图2a中的接触截面和提出浮动屏蔽。脉冲形成网络模拟电源频率测试和包括：- 电压源：R1和C1- 变压器的短路阻抗：L1- 变压器杂散电容：C2- 变压器和测试对象之间的杂散电感，是VI ：L2- 地线电容分压器和相关测试对象（CB杆）地球：C3。- 继电器3封闭，履行所有的初始化测试地球的电容测试之前。在测试过程中继电器3触点保持开放。继电器1用于电容C1充电，这代表电压源。- 用于高速晶体管（触点间）创建短路和模拟故障。晶体管的关闭和开放，实现由触发脉冲。传导电流的持续时间取决于触发脉冲的持续时间；这里约1微秒。指示触发脉冲电压的最大在预图2b中的箭头。- 测量接触和屏蔽上的电压电容探头（未显示）。表1.前后完全和部分相对低压配电和从数值模拟得到的击穿。表1.从数值模拟取得相对完整的和局部的击穿电压之前和之后的分布。图2a，试验设置了实验验证击穿电压跳3浮动屏蔽设计。继电器是用来初始化实验。触发脉冲决定“崩溃”的即时和持续时间。线圈和电容表示电源频率测试电路条件。屏蔽被命名为B，C和D测试顺序如下：图2b显示了一个完整的故障（衰弱）之间的波形随后的电压恢复接触。四轨迹地球上的接触（迹线A）和代表的电压屏蔽曲线B，C和D为分别浮动屏蔽B，C和D的图2a）。注意到测量图2b中的电压跳外加电压的2.25倍；进行比较，数值的预期值的2倍表1。在一般情况下，我们在良好的相关性实验和数值计算结果之间找到了电压跳（差异小于20）。差异归因晶体管的运转。我们的实验数值结果令人满意。因此，我们得出结论，提出的几何图1C是有利的介质从一个角度来看。在局部故障一系列中，电压跳变减少，所以进展成一个完整的故障是不太可能的。图2b.波形之间的触点崩溃;四个走线代表的电压接地上的接触（A）和屏蔽（B，C和D）;零线（0）表示，关闭晶体管的时刻表示箭头。2.2电极防护结构高电压VI的发展是比线性，在电介质强度的增加与增加接触的差距中遇到的主要问题之一，最常见的是，耐压只增加作为一个接触距离的平方根。这通常是归因于两个互补的现象。表2.比较电场在所有不同的VI设计：接触直径为80毫米，触点间隙为40毫米。注：基于模拟1毫米四舍五入的平面接触。电场E之间的比率被定义为局部场增强电压U除以接触的距离d。首先，总电压效应，电压之间的接触有直接影响电子束的能量所产生的发射电流或微观粒子行为的障碍负责。其次，为几何在接触边缘的原因，当地的场E增强而增加接触的距离。下面我们将展示我们如何有效地操纵与后者的“多个浮动屏蔽六“整理于图1c。表2.电场在不同的VI设计比较全：接触点直径为80毫米，触点间隙为40毫米。注：基于模拟1毫米四舍五入的平面触点。除以接触点距离d之间的电场E和电压U的比值定义为局部电场增强。图3a 单浮点屏蔽的布置 图3b.三浮点屏蔽的布置从第2A部分的研究结果中，我们知道这三个浮动VI是比较不敏感的部分，比单一浮动VI弱。因此，我们允许电场在接触边缘时指向最近的屏蔽。在这种情况下，我们可以减少VI的径向尺寸，以促进和提高电场，其增强值为2.8。一个电极屏蔽调解简化视图为一个单一的浮动屏蔽和三个浮动屏蔽分别鉴于图3a和3b。三种冲击屏蔽排列，同样是共享电位差的屏蔽。屏蔽1和3超出在这样一种方式接触潜在的轴向分布变为（更多）统一。对于这两种情况下，电场接触边缘将是最高的。对于在给定的条件表2和假设的屏蔽有没有显著厚度，我们发现一个典型的电场增强2.8标准型VI与一个浮动屏蔽图3a和三盾排列1.9电场增强，为VI浮动屏蔽。图3b，对第二几何降低磁场强度的一次注意，是有利的。这在最大磁场强度的减少是有益的，可以利用，例如减少接触冲击击穿。表2给出了最大的局部场增强接触从一接触到其他，这里被称为 “面对接触”。在很多场合，这是在场上接触边缘。然而，多个浮动屏蔽配置，在领域上的接触边缘点屏蔽，价值最高的领域增强的联系，指出对其他减少接触。虽然有趣的是能否利用，以减少接触行程，但是我们对这些没有任何进一步研究并探讨。应当明确的是，上述3浮动推理盾牌可以扩展到任何损害盾的数量。表3显示了最佳的中期屏蔽直径多盾配置浮动屏障1，3，5或7。在这里，我们模拟直径100毫米的接触和联系25，50和100毫米。对于每个表中的电场线接触的边缘有一个是相同的 漂浮屏蔽。值得注意的是，大幅减少径向尺寸，可实现多个浮动屏蔽配置。这个的减是逐步增加在接触冲击和应用浮动屏障数目。在实践中一个权衡数量的是是必要的屏障，即复杂的VI，其径向向外维度。在研究这一个72千伏断路器的研究相对短的接触行程（接触直径），我们限制自身3浮动屏障。对于更高额定电压5或甚至7浮动屏障。表3。接触点VI的中旬盾构直径为100毫米。比较不同数量的盾牌的概念。对于固定在联系中风的所有的解决方案1,3,5或7屏蔽有相同的电场接触角值屏蔽数联系行程。所有尺寸为毫米3断路器主要设计原理3.1外部绝缘断路器的主要组成部分应包含（机制和真空灭弧室）还应兼容气体绝缘开关（GIS）和空气绝缘开关等设备（AIS）的应用。由于隔离介质中含氮，我们建议干燥空气。由于其较低的电介质强度导致SF6方面的工作压力将会增加。由于认可机构在0.2兆帕充满气体绝缘;因此地理信息系统的气体压力约为0.7兆帕将是必要的。3.2机理断路器组成的描述：以前VI和一个弹簧机制广泛用于中等CB电压。所有的测试已经进行，单刀CB会使用三极的版本，大概三分之一的能源基于相同的弹簧机制;截止能量在140 J阶段。所有原型的测试已经运用了AIS设计。闭幕式和开幕式的速度可改变从1到3米/秒。小直径的VI允许使用一个标准的小瓷器或环氧树脂绝缘。图4显示了单刀CB测试单元。3.3接触力VI需要一个特殊的擦拭弹力作为接触力。这个弹力，有武力的平曲线并且相对较长图4。 ：单刀CB合成电容电流测试单元测试。IEEE电介质与电气绝缘体交换。 14日，第3号“，2007年6月617中风。这允许公差补偿部分接触，并考虑接触变形和热效应补偿的变形是由于机械试验和接触的侵蚀造成的。 这个弹力作为一种阻尼作用结束关闭操作，并加速移动接触以开始开幕操作。3.4第六波纹管波纹管已被选为允许长联系中风和高瓦斯压力。中风真空中的介电常数最低耐压决定，而高压GIS应用的需要。 “造成僵硬波纹管，支持开放和关闭的速度3米/秒。图4.单极点CB测试单元合成电容性电流试验。图5。轴向磁场接触与槽接触盘逐渐消散液体接触材料在电弧放电。电弧区表示为被侵蚀的的中心区域。3.5第六触点 六是促进配备轴向磁场接触的弥漫弧。这个接触面已开槽促进液体接触材料的消耗，在短时间内短路电流会中断11。接触直径为80毫米。图5显示了短路电流接触促进中断系列4.2节的初步测试。图5：轴向开槽的接触磁盘的磁场接触消散液体接触材料在电弧。电弧区代表侵蚀的中心区域。4测试程序 在“多浮屏障六”的屏蔽（保护）定位非常接近的接触，通常在7毫米。为了检验这种密切的位置是否会影响VI的电气性能，我们进行测试程序，下面给出其中包括所有介质的关键测试。 4.1绝缘试验由真空灭弧室，经过特殊工艺制造过程得到的介电性能，称为电压调节。电压调节的类型，决定于等级和VI的建设。对于灭弧室在这里提出的电压调节由4个步骤组成： 电压应用程序之间的联系（1个步骤）电压应用程序之间的屏蔽（保护）（3个步骤）调节电压后的耐压电压按照IEC标准（见表4）。AIS CB 里的测量法。在短路电流（SCC）中断后的反复测试，我们发现电解质的抵抗有显著的提高并超出了我们的测试范围。表4，分配（指定）72.5千伏额定电压的测试结果；（*）根据标准ICE4.2短路电路中断短路电流中断性能的初步测试在Weil-Dopke的电路测试上的一个综合测试实验室进行。基本主频率电流约为42赫兹，它创建了一个半波的电流，代表一个不对称的主回路为50Hz系统。瞬态恢复电压（TRV）的条件以IEC标准的124千伏电压峰值和上升时间为165微秒为依据。特有的驱动器的打开速度约2米/秒，因此充分接触间隙20毫秒到达40毫米。为了测试灭弧室的运行，长期接触与电弧次关联杆超过12毫秒，小直流电流（1000A）注射前主电流。测试结果列表于图6。三个测试序列运行；第一，对称电流（31.5 kAac）燃弧时间增加从1到20毫秒，被断定为1.3倍，31.5 kAac和电弧放电时间增加，从1到20毫秒。最后实现1.6倍，31.5 kAac有一些中断。故障主要发生在第一次中断序列。这些故障被解释为一个部分 “电流调节”的过程。其他故障发生在短电弧倍，是由于没有足够的绝缘强度短期接触招。中断窗口包括电弧从5到20毫秒，电流高达1.3倍（31.5 kAac）。在图6为代表的所有测试已执行没有维持单一的VI。关于电气耐力，累计电流，20.5 KAS代表紧凑型高压真空断路器，可行性研究相当于38额定短路电流中断的31.5 kAac与平均燃弧时间的12毫秒。见图5由此产生的接触侵蚀。联系磨损是可以忽略不计的。最后的测试是在短路实验室新的VI条件都有电压和电流。这些单相直接测试证实14毫秒中断窗口与最大电弧时间为20毫秒，即为对称和非对称电流高达30的倍组件成分。图6. 综合测试的测试结果：每个点代表一个测试电弧放电时间（横轴）和峰值电流（垂直轴），有效的（圈）中断（平方米）或中断的故障。约45 kA的电流峰值代表额定短路电流等级为31.5 KA；超过56 kA的电流峰值代表31.5 KA + 30的直流额定电流不对称。4.3电容电流中断测试是根据IEC 62271-100 C2类电缆或线路切换到65额定电流。单相合成试验回路的特性，显示于表5。两个系列试验已经完成。 A）LC1/CC1：48开放测试 B）LC2/CC2：24开放式测试和24个关闭测试重新冲击已使设备符合类电缆C2充电至65 A的，我们始终要注意完全没有任何NSDD或重燃。根据IEC标准测试结果给出了一个 “通过测试”，这是从一个应用程序得到的可靠的观点，但不可以了解设计的边缘。为了解决这个问题，我们使用下面的办法：VI的介电强度是唯一由灭弧室或以上的冷电介质强度连接。在合闸操作第六表明一些震惊的预测：整个VI的电压打破了一定的接触距离。由此，我们计算每个结束测试“电击穿场“。“电击穿场”，从一个到另一个测试的统计方式的改变因素。这个因素的分布的概率从所有合闸的测试中计算出来。 现在我们有一个统计变化的估计，在 “电击穿场”的接触9。此值不依赖于接触距离（至少我们想是这样这些大尺寸连接相对较小的接触敲击）。因此，接触的电介质强度差距在统计的方式可以解决所有联系人距离。 的电容电流中断后，电场在VI的压力组成： 恢复电压的展品通过接触1-cosinus的行为， 通电后增加接触敲击。 从这个瞬间计算击穿概率。容性电流中断，这等于重燃的概率。表5：测试电路的特点Un72.5KvCable charging current65AKc1.4Peak inrush current2100AFrequency inrush current1100 HzRecovery voltage across CB170 kVDuration of applied recovery voltage400 ms 在图7的瞬间重燃的概率为表5的试验条件下，最低电弧时间0毫秒。首先20毫秒重燃的概率是由恢复电压上升和绝缘强度增加接触之间的竞争获得的差距值高达0.3在稍后的时间和充分接触敲击的瞬间重燃概率唯一10-6。瞬间重燃概率将提高最低电弧较长时间和较高的开放的速度。 短暂的再次起动可能性。 图7.电容器组切换；估计瞬间170千伏恢复中断后重燃的概率电压；开放速度2米/秒；充分接触 开放速度取得假设20毫秒； 0 毫秒的最小电弧时间。4.4额定电流在干燥的工期中，使用SF6使用温升检测测试。SF6在0.15 MPa的压力在0.7兆帕的压力和干燥的空气中获得类似的结果。在事实上按照标准的条件获得约1800 A。热流计算结果表明2000 A可以通过适当的塑造移动支持达成目标改善热传导和辐射。5讨论 单相突破高压真空断路器，市场上早已有30年历史。替代屏障是在这项研究中提出的主要创新。“多个浮动屏障六”的概念，这里可以扩展到任何损害屏障以上的数量。它意味着不再是VI的径向尺寸长期接触冲程的破坏，这是特别更高的系统电压的优势。它允许建设更紧凑的VI结构，这可带来了成本优势。额定电流的性能更加难以比用SF6真空获得，但最终这只是工程或费用问题。成本不为广泛接受的唯一障碍是在高压系统的真空开关技术。真空开关特性带来优点和缺点，而中断后不同瞬间重燃概率。从那些SF6的。真空一定的优势，比如在短线路故障切换和电气寿命。然而，控制开关即使提供了一个优雅的解决方案电容开关税仍然比较困难。目前SF6气体的绝缘和弧淬火工艺的50千伏以上的电压。这样做是它允许安装非常紧凑。在同一时间竞争SF6技术，并受到越来越多的生态影响，因此，会带来经济压力。在AIS的情况下，真空中断技术已经为SF6可行的替代方案，因为它SF6完全可以自由开关。它的市场渗透率只取决于处方药和可用性。在地理信息系统的情况下，隔离的SF6替代媒介是主要问题。许多提案存在像加压空气，硅油或固体绝缘。在未来这些市场上的真空取决于一个令人信服的整体的概念。6. 结论一种新型的“多个浮动屏障六”的概念，既可以减少对过电压平脏的局部击穿，这使得一个升级全面崩溃的可能性较小，和部分细分为适当的设计，又可以减少对面临的电场接触。在测试产生更紧凑的VI专门设计会CB。积极交换结果证明了这一概念的可行性。致谢:我们真诚地感谢我们的技术董事（领导），让我们继续并完成本研究在千变万化的商业环境（在研究高压部门改变雇主从Schneider-Electric到Vatech。），我们也非常感谢学生杰罗姆和塞巴斯蒂安的数值分析和实验工作的贡献。参考文献：1：H. 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