真空断路器向高电压等级发展.doc

/html/47/13447-50.html 真空断路器向高电压等级发展上一篇 / 下一篇 2009-11-04 15:03:29王季梅 刘志远 余小玲(西安交通大学高电压真空断路器研究开发课题组 710049)0 前言高电压等级断路器在我国电力系统中可归纳为4个电压等级，126kV、252kV、550kV和1100kV。126kV和252kV称作高电压断路器，550kV称作超高压断路器和1100kV称作特高压断路器。由于SF6断路器具有特佳的开断性能，世界各国和我国均采用SF6断路器为主。自80年代以来，查明SF6气体的大量排放于大气中具有显著的温室效应，联合国京都会议已作出决定将于2030年起严禁使用，因此世界各国将采取其它措施解决，采用真空断路器为措施之一。我国西安高压电器研究所已开发研制真空断路器，此外，国内电器制造公司和我校等也积极展开这项研究工作。本文亦将介绍高压真空断路器方面的情况，供读者们参考。1 126kV真空断路器一、126kV真空断路器的基本结构126kV高压真空断路器的结构如图1所示。图中1为真空灭弧室，装在绝缘陶瓷套内，图中未能示出真空灭弧室的实体。2为绝缘陶瓷支柱，固定在钢质横担架3上，4为三个永磁操动机构，分别装在每个绝缘陶瓷支柱的下端，通过永磁操动机构的控制箱5内的电子线路组成的控制电路来操动永磁操动机构，可进行三相真空灭弧室的同步合闸和同步分闸。钢质支撑档6与钢质横担架3以及钢质底座7焊接在一起，并固定在水泥墩上，撑住整个三相真空断路器。三个真空灭弧室中心线间开距为1700mm。三相真空断路器的总高度约为5m。图1 126kV真空断路器的外形结构1在绝缘陶瓷套内有真空灭弧室; 2绝缘陶瓷支柱;3钢质横担架;4永磁操动机构;5永磁操动机构的控制箱;6钢质支撑挡;7钢质底座二、126kV真空灭弧室电极的综合设计分析(1)1/2匝线圈式纵向磁场电极结构的设计图2所示为1/2匝线圈式纵向磁场电极的结构，从这个展开图中可看到，电流由上导电杆1顺着上托盘形线圈2(见图3)经上支撑盘3流向上导电片4，进入上触头片5，通过上触头片5和下触头片6空隙间的电弧，由下触头片6至导电片7经下支撑盘8和托盘形线圈9流出到下导电杆10。上支撑盘3和下支撑盘8的加入是用来加强托盘形线圈共同产生的纵向磁场的分布，如图4所示。磁场中心的计算最大值为60mT。根据涡流电磁场通过有限元计算分析，取触头直径为100mm，在开距为60mm下的实验证实能满足40kA的电流开断要求。图2 1/2匝线圈式纵向磁场电极真空灭弧室的结构1上导电杆;2上托盘形线圈;3上支撑盘;4上导电片;5上触头;6下触头;7下导电片;8下支撑盘;9下托盘形线圈;10下导电杆图3 托盘形线圈1 底盘;2线圈;3槽;4焊点(2)单匝线圈式纵向磁场电极结构的综合设计分析图5所示为单匝线圈式纵向磁场电极的结构，从这个展开图中可以看到，电流由上导电杆1流入，进入上单匝线圈2(单匝线圈具体结构见图6)，然后达到上触头3，通过上触头片3和下触头片4空隙间的电弧后，从下触头片4接通下单匝线圈5到下导电杆6流出，由上所述的单匝线圈2和下单匝线圈5共同产生的纵向磁场的作用来满足开断电流的要求。所产生纵向磁场的磁通密度比1/2匝线圈式纵向磁场电极接近大一倍(最大值约为130mT)有利于增大开断电流值。单匝线圈式触头回路经过巧妙的设计电阻值为43，略大于1/2匝线圈式触头回路的电阻值(1/2匝线圈式触头回路电阻值为38)，在此情况下还进行三维涡流磁场的有限元的计算分析，总的情况优于1/2匝线圈式纵向磁场电极的设计。图4 纵向磁场计算分布图5 单匝线圈式纵向磁场1 上导电杆;2上单匝线圈;3上触头;4下触头;5下单匝线圈;6下导电杆图6 单匝线圈1线圈本体;2线圈上直臂;3线圈下直臂图7所示为触头片，触头片直径取100mm，触头片材料为CuCr25或CuCr30。图7 触头片1触头片槽;2触头片本体三、用硅油或-液作为真空灭弧室外绝缘的灌注技术目前国内外生产的高压真空断路器均用SF6气体灌注在陶瓷套与真空灭弧室之间作为真空灭弧室的外绝缘，在国外已使用多年，效果比较满意。由于SF6气体具有严重的温室效应，因此本断路器改用了硅油或液(本设计采用液)来代替SF6气体。硅油和液的物理性能大致分述如下：硅油和液外观为透明的液体，无悬浮物和沉淀物。粘度在25时为0.960.86kgfs/dm2，含水量为3010-4%，比热1.51kJ/(kGK)，热导率0.151W(mk)，击穿电压50kV(液)，体积电阻25时1.010-4cm，开杯闪点300，开杯着火点(液)370。灌注液的步骤是采用真空灌注技术，首先将陶瓷外套内腔用蒸馏水清洗，再用无水乙醇擦干。然后进行常规的装配，应达到可靠密封的要求。继之，对陶瓷外套内腔抽真空(见图8)，使内腔达到0.3Pa后，关闭真空阀门，开启液阀门，对已过滤的液通过阀门逐渐吸入陶瓷外套的内腔，至液面达到规定的高度后，封闭液的阀门和重新打开真空阀门，再继续对剩余空间抽真空度至0.5Pa，并关闭真空阀门，对剩余空间进行充N2气体至1Pa。最后将总阀门封闭，并记录室温和压力。24小时后，观察N2的气压，若保持正常位置，可以认为灌注液成功。图8 抽真空灌液和N2系统三、提高126kV真空断路器额定电流的研究(1)增设散热器来提高额定电流的措施经设计计算后，额定电流可提高到2000A，还有裕量。散热器设置如图9所示的部位(即在真空断路器的上进线端部位设置了一个散热器5和在真空断路器的中间出线端2部位设置了另一个散热器6)，经额定电流2000A时的实测上进线端子部位的温升为31K，下出线端子部位的温升为30K，完全满足了国家标准规定的要求。后又增加2000A1.2=2400A的温升试验，亦能满足标准要求。图9 126kV真空断路器的散热器布置图1进线端子;2出线端子;3永磁操动机构控制箱;4永磁操动机构;5进线端部位散热器;6中间出线端部位散热器(2)选用重力热管来进一步提高126kV高压真空断路器额定电流的措施为了能进一步提高到3150A和更高的额定电流的水平，本设计采用了加装重力热管的措施如下：重力热管的基本结构重力热管是安装在原126kV真空灭弧室原静导电杆部位，由重力热管来代替。重力热管的铜导电杆总长为560mm，外直径为50mm和不锈钢管外直径为28mm与衬在铜导电杆内壁上组成如图10所示的模样。重力热管的上端安装有铝制的散热器(即利用原散热器)。热管的壳体材料为纯铜，内层为不锈钢。图10 重力热管基本结构重力热管用的工质选择工质的选择与壳体材料的选择密切相关，两者必须相容，并且在长期运行中，工质与壳体不发生化学反应，不产生气体。还要考虑工作温度范围，稳定性等。采用纯铜时要求其温度不要超过软化点185。设计的热管工作温度应在0185范围内，其饱和蒸气压力线不低0.1个大气压力。现选用水为工作介质，汽化潜热值大，价格低廉，对环境无污染。热管总容积为526ml，充液量取总容积的15%18%，大约为8090ml。重力热管抽真空及充工质简介具体操作如下(见图11)：将经过除气处理的烧瓶装在滴定管上面，打开滴定管上面隔流阀和下隔流阀，使滴定管与热管一起抽真空。先检查充装系统是否漏气，如果不漏气，待真空度达到10-3P以上后，再对热管进行烘烤除气，烘烤后待热管冷却到常温。待真空度升到原来数值时，立即关闭下隔流阀，打开上隔流阀使滴定管装入比预定量(90ml)稍多的蒸馏水(95ml)。然后关闭高真空阀，并打开下隔流阀使蒸馏水注入热管中，从滴定管刻度可计量。充装后采用专门的钝口夹钳把铜排气管挤断，挤断处是完全真空密封的。图11 热管工质充装系统图重力热管传热性能分析试验(1)重力热管测试点的布置测试点布置在三个区域如图12所示。热端测试点(点1、点2和点3)，冷凝端测试点(点10、点11和点12)，绝热均匀端测试点(点4、点5、点6、点7、8点和点9)。接通电源，将电压调节到所需的功率，记录温度检测仪上所显的温度，当热管稳定后，再调功率，继续做另一个工况下的实验。图12 热管测试点布置图(2)实验记录的数据和分析1)热管稳态下的温度分布 图13是工质为蒸馏水，充液量为90ml的重力在不同加热功率时，从散热器端测得的强迫对流冷却条件下，各测点的温度值。从图中可以看出，在一定功率下，温度从测试点1到测试点2之间有很大的下降趋势，测试点2到测试点3之间温度很接近，这主要是因为热量是从热管底端面传入的，测试点4到测试点9之间，考虑到饱和蒸气传热，所以他们温度几乎相等。测试点9到测试点12温度有所下降，因为测试点处于冷凝位置。图13 热管稳态时温度分布曲线2)热管加热端最高温度随加热功率的变化 图14是工作稳定后，热管加热端温度与加热功率的关系曲线，当加热功率达到300W时，热管最高温度尚低于185的范围，说明运行是可靠的。图14 热管加热端温度随功率变化的曲线采用重力热管提高工作电流的初步结论图15所示为实际重力热管装入126kV高压真空灭弧室部位的示意图。从目前装置的试品试验和分析结果可以完全满足提高额定电流的要求。图15 装入126kV真空灭弧室的重力热管布置图1散热器;2重力热管;3真空灭弧室玻璃外壳;4真空灭弧室的动静触头在闭合位置的状态经创新改革后的126kV单断口真空断路器单极结构如图16所示。真空断路器，由上瓷套、下支柱瓷套和图16 断路器单极结构图永磁操动机构串联组成，不包括钢质横担和钢底座。上瓷套内装有真空灭弧室、导电支架、下导电杯、上密封波纹套管动导电杆和超行程弹簧装置。真空灭弧室上端为静导电杆和上导电杯。上瓷套和真空灭弧室之间灌有-液。上瓷套上端为上接线端子，并安装有上散热器。上瓷套下端为下接线端子，并安装有下散热器。通过导电支架与下支柱瓷套相连。真空灭弧室内安装有重力热管。永磁操动机构安装在下支柱瓷套上与绝缘拉杆下端绞紧，以便操动真空灭弧室分闸和合闸。四、126kV高电压真空断路器采用选相投切的研究永磁操动机构结构简单、零部件仅为电动弹簧操动机构的35%40%。制成的产品具有可靠性高，操作可达到10万次以上的水平，非常适用于真空断路器的配套使用。但事实上，更重要的应用远超过以上所述的优点。它还可以发挥其固有的特点，用于选相投切，从而解决真空断路器，在操作过程中的过电压问题，涌流问题和提高固有的开断电流能力等。选相投切技术在电力系统中的应用已愈来愈趋向于重要的地位和必要性。例如，真空断路器在分闸时会经常产生涌流和过电压现象，从而引起其所并联的电容器组，架空输电线以及空载变压器等暂态波动。如果利用永磁操动机构与真空断路器配合，在电压或电流的特定相位角度完成合闸或分闸，可以实现无冲击的平滑过渡。据国际大电网会议(CIGRE)的报导，已于2000年在第十三工作组设立了一个研讨分组专门讨论有关选相控制断路器的问题。在此以前，(1998)Bernerd，(1998)Reid，(2000)Jones，(2002)Nordin和(2002)Femandez等人先后向CIGRE提交了选相控制断路器在丹麦、瑞典、英国、澳大利亚、新西兰和巴西等国家应用情况的调查报告。2005年CIGRE在日本东京召开了有关应用选相控制断路器的专题讲座会。曾对选相控制断路器应用的情况下作了一个调查，参加应用选相控制的总数为2500台断路器，其中应用于电容器组投切的数量占64%，电抗器组投切的数量占17%，变压器投切的数量占17%和空载架空线关合与自动重合器的数量占2%。根据上述情况选相投切以电容器组的应用为最多。目前在选相控制断路器相关产品的研发应用方面做得比较出色的国外公司主要有：瑞士的ABB公司，日本的Mitsubishi公司，已经开发出的有121kV、145kV、245kV、362kV与550kV电压等级的产品。美国有Joslyn公司，已开发有15230kV电压等级投切电容器组的产品和法国有Alstom公司等。最近以来，西安交通大学与沈阳工业大学合作，正在研究开发126kV真空断路器选相控制专用的永磁操动机构，行程80mm85mm，最高运动速度为3.54m/s，驱动合闸力为6000N/相。第二部分 252kV真空断路器一、发展252kV真空断路器的探讨性分析1.概述首先让我们再提一下，为什么要探讨把真空断路器推向更高电压等级呢?根据联合国京都议定书的决定，要在2030年全面禁止使用SF6气体。而当今除尽快研究更高电压等级真空断路器外，目前可能很难找到另一种可代替的断路器。SF6断路器的优异特性人皆所知，因此当今还有不少开关专家还不愿意尽快放弃。为此，我们企图先从真空断路器着手向高压等级发展，现作如下介绍，以供参考。2.探讨高电压等级下真空灭弧室的触头材料与大开距下触头的选用参照日本早期所作的研究工作，在真空中长间隙下的击穿电压的关系如图17所示，当间隙进入长间隙区域后，其击穿电压并非呈线性增长，但对研制252kV级电压的真空灭弧室从曲线上的粗略估算仍具有一定的参考价值。图17 长间隙与击穿电压之间的关系曲线从图18所示为击穿电压与阳极材料特性的关系。从图中可以看出，在原有触头材料中，添加Cr、W、Mo、Ta等材料后(在其它文献中也有推荐添加Nb、Co等材料)，它们都有增加绝缘性能的作用。有待于作进一步理论分析和实际试验等工作来探索。总之，都有可能提高耐压的趋势。图18 击穿电压与阳极材料特性的关系3.关于252kV真空灭弧室触头直径大小的确定经综合对比分析，252kV真空灭弧室的额定电流和开断能力应大于126kV真空灭弧室的参数。初步确定为140，采用单匝式纵向磁场结构以解决开断电流问题，并着重考虑到整个触头的电场影响，尤其触头背面部分电场的影响和触头面积效应等。从整个真空灭弧室的布置，还应考虑到主屏蔽罩的合理布置和采用多级式的均压屏蔽罩布置的方案。现已制造出触头包括导电杆的试验模型如图19所示。关于252kV模型带有多级式均压屏蔽罩的玻璃罩的玻璃结构的真空灭弧室并已初步作了面积效应和均压的设计分析和测试。图19 252kV真空灭弧室触头部分的研究模型4.252kV真空灭弧室在制造过程中的老炼技术老炼是高电压等级真空灭弧室能否可靠正常长期工作的主要保证之一。尤其电流老炼是在排气台上进行的，在进行前必须更加细致地做好对特大另部件的清洁处理，在电流老炼过程中必须严格按照已研究制定的电流大小、次数和实施步骤等进行。高压老练和电流老练是对触头去气的有效方法。(1)高压老练高压老练是在一次烘烤结束后进行的。其机理在于电子和离子轰击固体表面导致气体脱附，在电子轰击下触头表面氧化膜被迅速破坏，并清除触头表面的微突起(尖端)，改善真空灭弧室断口间的耐压特性。其目的在于使触头获得具有高吸附活化能的清洁表面，并清除触头表面微小的不均匀性。(2)电流老练电流老练对触头具有非常好的去气效果。在触头之间施加200A或更大一些的电流，在触头间形成扩散型电弧，电弧在触头间燃烧使触头受到阴极斑点的作用，将触头表面一薄层金属剩除覆盖在这层金属上少量的氧化物、污物也随之除去，使触头表面为一完全新鲜的活性表面。真空灭弧室排气过程中，真空度和时间关系如图20所示。图20 排气时真空度与时间的关系曲线区域预抽;区域一次烘烤去气;区域老炼去气;区域二次烘烤去气第三部分 550kV真空断路器1.550kV及更高电压等级的真空断路器的结构在完成252kV真空灭弧室的基础上，可以根据电力系统不同电压等级的需要，可方便地进行串联的方式来满足运行的电压等级。例如：额定电压为550kV的电力系统，可以采用2个252kV的真空灭弧室进行串联组成。额定电压为750800kV的 电力系统可以采用3个252kV的真空灭弧室进行串联组成。额定电压为1100kV的电力系统可以采用4个252kV的真空灭弧室进行串联组成。2个252kV真空灭弧室串联组成的真空断路器如图21a所示，4个252kV真空灭弧室组成的真空断路器如图21b所示，并且在每台真空灭弧室的下端均装有能选相控制的有双稳态永磁操动机构，利用这个特点，可方便地同通过光电控制的方式向所有的永磁操动机构进行同步分合闸操作来完成选相分合闸动作，这是一个其他断路器难以实现的方案。图21 252kV和1100kV两种串联组成的超高电压和特高电