电弧电接触理论.doc

SF6断路器灭弧室设计姓 名： 叶 玮 学 号： 2010255 专 业： 电机与电器 指导教师： 曹 云 东 论文提交日期： 年 月 日电弧电接触理论目 录1 灭弧室简介12 平均分闸速度的设计13 触头开距及全行程设计34 喷嘴设计34.1 上游区设计34.2 喉颈部设计54.3 下游区设计75 总结8I1 灭弧室简介断路器的主要功能是安全可靠地开断与关合。目前高压SF6断路器的发展方向是单断口开断容量增大，而产品整体体积逐渐缩小，这就要求断路器开断过程中吹弧气体流动必须合理。SF6断路器是靠气吹来熄弧的，因此在开断过程中灭弧室内气流场的分布状况就成为研究高压SF6断路器开断特性非常重要的组成部分。GCB灭弧室带负荷开断过程，是一个涉及热力学、气体动力学、电磁学及高压绝缘等专业的极其复杂的物理过程，电弧的燃烧与熄灭特性与灭弧室结构息息相关。以往的灭弧室设计是以理论定性分析为基础结合研究试验的经验设计，设计可靠性小、盲目性大、成功率低。近年来，灭弧室开断特性的数学模拟计算软件包已做了许多研究，有成果但不能满足工程设计计算需要，还应继续研究。一个新的GCB灭弧室数学计算模型(或新型灭弧室研究试品)设计的好坏，对计算机计算结果的可适用性及反复修改设计、重复计算的次数都有直接的影响。SF6断路器灭弧室的喷口，对开断过程中吹弧气体的流动起着控制作用，它直接影响着开断过程中喷口内SF6气体的介质强度的恢复特性。从而对灭弧室喷口的设计成为SF6断路器整体设计中的核心内容之一。断路器喷口结构对开断性能的影响很大，喷口是决定特高压断路器开断性能的最关键部件，也是特高压断路器设计的核心。为此，世界上各大SF6断路器制造厂家研发出各具特色、具有独立知识产权的喷口结构。但是，各公司的喷口的设计技术都是核心的机密。目前为止，研究喷口结构和气流控制的国内外报道极少。影响灭弧室工作特性的主要元件和特性参数是：分闸速度；行程、超程和开距；压气缸直径与容积；喷嘴尺寸与形状；触头形状与尺寸。2 平均分闸速度的设计确定主要考虑两个因素，一是开断小电容电流(相当于冷态开断)时要保证断口有足够的介质恢复强度；二是近区故障(SFL)开断时，对应短燃弧时间td，要保证断口有足够快的介质热恢复速度。切空载长线GCB开断小电容电流(31.5500A)时，对应于最短燃弧时间的断口电强度可由下式计算 式 1式中 设计裕度，=1.15； U恢复电压峰值（KV） 按JBT 5871199l交流高压断路器线路充电电流开合试验表4及第11.2.2条，单相试验时恢复电压峰值为11 其中系数x1.21.7，它与系统中性点是否接地、是否发生单相(或两相)短路有关，计算时取最大值1.7。U(KV)为系统额定工作电压。 t（ms）是从起弧瞬时到恢复电压上升到峰值所需的最短时间：tsk=td+t2td为切小电容电流时可能的最短燃弧时间， t28.7ms。E1(KVmm)为GCB在SF6操作闭锁气压时允许的雷电冲击场强。考虑开断小电容电流时少量电弧分解物对绝缘的影响，计算时灭弧室断口间允许场强取0.9E1。K7为断口电场分布不均匀系数，与触头结构和开距有关，在切小电容电流开距较小时，K7值较大。表一 切长线时可能的最短熄弧时间td 表二 灭弧室断口电场不均匀系数K7 切小电容电流时短燃弧时间对应的断口间SF6平均密度与GCB额定SF6密度0的比值。不同的灭弧室，值不尽相同，根据部分灭弧室冷态气流场计算的经验数据，初步设计时可取， 。由式(1)可得： 式 2式中 tks按表一取值(ms)； K7按表二取值； U额定电压(KV)； ElE1=24kvmm(SF6为0.4MPa时)，E129kVmm(SF6为0.5MPa时)。 按式(2)，126kV GCB，取K73.2，U126kV， tk=9.7ms， El24kVmm， 算出4.6m/s。同样可算出252kV、363kV及550kV单断口灭弧室对应的平均分闸速度为7.6m/s、9.2m/s及11.6m/s。对于压气式灭弧室，当机构操作功充足时，值可比式(2)计算值稍高。对自能式灭弧室可稍取低一点。在初步确定值后，应对分闸速度特性作必要的限定。从刚分点t开始至短燃弧时间小时段内，要求平均速度数值大一些，以压缩短燃弧时间；在长燃弧时间开断时，过大的可能导致动触头提前达到分闸终点，使零后的吹弧能力太弱或者丧失，因此从td时刻应投入分闸缓冲，压缩，并要求在tc时刻，气缸内要维持足够的SF6气体，为此要设定从tc到分闸终点tf时段应大于3ms。速度特性设计好之后，为后面的其他灭弧室元件设计提供了依据。初设值是否合理，最终还需要经灭弧室SLF开断特性的数学模拟计算来确认。必要时可作少量调整。3 触头开距及全行程设计触头开距与分闸位置时断口间的静态耐受电压的能力有关，也与各种开断时必需的熄弧距离有关。初步设计时，重点考虑由及各种开断时预期的最长燃弧时间tc所决定的最长熄弧距离tc的需要，开距应满足下式要求 式 3同时还应按下式核算分闸位置时的静态电强度 式 4式中 触头开距(Mm)； K6、K7见式(1)及表二； tc比较稳妥的预期长燃弧时间，tc =25ms; U断口间雷电冲击耐受电压 (KV) E1同式(2)的值。按式(3)、式(4)两式计算结果取较大值，弧触头超程取3040mm与电压等级无关。为保证弧触头比主触头先分断，主触头超程较小取1520mm。全行程+。4 喷嘴设计 喷嘴形状与尺寸对气吹压力的建立和整个熄弧过程中气吹压力特性的影响、对弧道气流状态的影响都很大，对灭弧室的开断性能起着关键性作用。喷嘴初步设计包括三个部分(上游区、喉颈部及下游区)的形状和尺寸设计。4.1 上游区设计 见图一，喷嘴入口处电弧长Lu对熄弧有两种相反的影响图一 喷嘴及动触头适当而必要的人口电弧长度Lu有利于利用电弧能量来加热气缸的气体井使其增压，既有利于熄弧，也可减轻操动机构的负担。但是Lu太长，上游区的电弧能量和导电粒子积累太多，气流径向分速度下降(不利于弧根的冷却)，将影响电流过零后介质恢复速度的增长，对熄弧不利。从定性分析人手，以部分产品的设计与开断试验经验为依据，Lu有两种定量的方法：（1） Lu/Dk=0.40.5 式 5 Dk为喷嘴喉部直径，对应的喉部截面积Ak。对于自能式灭弧室，将更多地利用电弧能量来增压因此，该比值宜取0.50.6。为弥补Lu增长后气流径向分速度下降的不利影响，可增设小喷嘴(见图二)，并适当修改了大喷嘴上游区顶部内壁形状，与之呼应的小喷嘴顶部外形的设计，使大喷口末打开之前，弧柱就受到了强劲的径向气吹。这一设计带来三个好处：1)加强了弧柱和弧根的冷却(冷态SF6与弧柱等离子体紧密接触的结果)；2)增强了副喷口(动弧触头中心孔)的排气，减小了喷嘴上游能量堵塞；3)有助于减小短路开断时的短燃弧时间td。这一设计明显地改善了灭弧室的短路开断能力，在双气室自能式灭弧室中得到广泛的利用，并且开始被单气室灭弧室设计采用。 图二 小喷嘴与大喷嘴配合 图三喷嘴击穿 增设小喷嘴当然也是出于增大Lu尺寸以增强喷嘴上游区电弧升温增压的作用这是自能式灭弧室必须重视的，此时尺寸Lu的取值将不受限制。喷嘴上游壁厚及喷嘴座端部圆角R(见图三)设计，虽是细节但影响很大。太小的及R会导致开断失败。故障之一是，短路关合时喷嘴击穿。由于关合预击穿，电弧高温等离子体充满喷嘴上游区，由于喷嘴座端部R小（6mm），喷嘴壁厚太小(10mm)，常出现弧触头与喷嘴座间击穿，烧穿喷嘴。 故障之二是，短路开断时喷嘴击穿。在恢复电压下，静弧触头场强较大时，会沿喷嘴内壁滑闪击穿喷嘴对喷嘴座放电。 这两种情况下烧穿喷嘴都将导致：开断时的高温等离子气流从烧穿孔喷出，破坏了主触头间绝缘，在恢复电压下发生外闪，开断失败。因此，在设计时，不可忽视细节，值希望大于10mm，R圆角尽量设计得大一些，希望不小于10mm。 （2）气流入口侧表面积ArAk或L u(Dk24de)，Ak为喷嘴喉颈截面积。 L u(Dk24de) 式 6式(5)和式(6)所要求的两种定量尺度中，尤其是式（6）必须保证。 上游区气流通道(环形截面积Ae=（De2-de2）4)的设计对喷嘴气流特性及气缸压力特性都有重要影响。首先要满足Ae Ar的要求。 自能式灭弧室AC值不能太大。开断试验表明，当Ae太大时，因喷嘴上游区环形气腔容积太大，尤其是在短燃弧时间开断时，喷嘴开放之前，有限的电弧能量使Ae较大容积中的SF6气体升温增压不足。因Ae气腔压力不足，高温气流不易导人气缸(或膨胀室)，因此气缸不能充分利用电弧能量增压，过多的电弧能量积聚在喷嘴喉部，影响了零后气吹速度的增长，燃弧时间明显增长。Ae也不能太小，否则会导致上游区温度过高，热量过分地积聚而容易引起开断时触头热击穿。在开断近区故障时，这种现象最为突出。Ae与气缸截面Ac应配合好，AeAc比值过大或过小都不利于利用电弧能量增压，Ac（DC2-dC2）4。 鉴于上述开断试验的经验，推荐按下式确定上游环形截面积Ae Ae=（2.02.5）Ak 式 7 Ae=（1/7.51/9）Ac 式 84.2 喉颈部设计(1)喷口截面对开断性能的影响喉颈截面积Ak对气缸压力、气流通过喷口的流量G有很大影响，同时对喷口的电弧堵塞效应更有重大影响。见图四，对3种不同喷口截面的灭弧室，计算了气缸压力持件与喷口SF6流量的变化。图中喷口直径Dk1DK2Dk3。 图四 喷口截面对气缸压力和喷口流量的影响 a）上游压力对比 b）气流流量对比 喷口直径Dkl过小时，虽然气缸压力较高(大部分时间都在临界压力之上)，但喷口的SF6流量G并不大。而G值的大小代表着通过喷口的焓流迁移率(或电弧能量排放速度)的大小，因此G值大小在很大程度上反映了开断能力的大小。适当增大喷嘴喉颈直径(DK2)，喷口流量G明显增大，气缸中的临界气压维持时间也较长，开断特性改善。但是，Dk3值太大时，流量G的峰值虽然很高但峰值过后突变下降，而且气缸的临界压力维持时间很短，灭弧室气吹能力(特别是焓流迁移率)下降，开断能力下降。 除上述影响之外，喉颈直径DK对电弧堵塞效应的影响也很显著。对应于某一开断电流，Dk越小，电弧堵塞程度加重。在开断电弧过程中，阻塞效应有双重效果，正面的效果是在电流峰值附近可有效地保持气缸内的气量(避免无效的气体流失)，还可利用部分电弧能量使喷嘴上游气体升温增压，以造成零后有利的气吹条件，对熄弧有利。但是，Dk太小时，会使电弧能量排除不畅，使零前上游区的能量和导电粒子的积累太多，对零后介质恢复产生不利影响而削弱了开断能力。 还需指出的是，不同的负荷开断对喷口截面有不同的要求。开断近区故障电流时，希望喉颈截面不要太大，小一些可提高机械压缩率和电弧的堵塞效应，使气缸和弧隙保持较高的气压。零后的熄弧气流对弧隙具有较强的冷却作用，有效地控制了弧后电流的增长，使弧隙快速恢复绝缘，不产生热击穿，顺利完成SLF开断任务。但是，在开断端子效障电流时，较小的DK，限制了电弧能量的排故，使开断性能下降。开断小电容电流时，因熄弧距离小 (燃弧时间可能仅为1ms左右)，静弧触头端部电场大小对熄弧影响很大，若喷口Dk太小，使静弧触头直径过小，场强较大会导致弧隙重燃。 综上分析，要全面考虑气流特性、流量G及各种不同负荷开断的不同要求，来兼顾各方、权衡利弊取DK值。 (2)电弧直径电弧直径是决定喷嘴喉径的重要参数。电弧直径随开断电流而变化。可参照表3选择电弧直径：表三 电弧直径(3)喷嘴喉径Dk的设计对于压气式灭弧室，Dk (mm)可按下式确定 Dk(0.851.0)Dam 式 9开断电流较小时，取较大的系数；开断电流较大时，对于自能熄弧灭弧室：Dk(0.80.9)Dam 式 10 同上，较大的开断电流对应于较小的系数；初步估算的Dk，还应通过灭弧室其他参数(如气缸直径、静弧触头直径)的选配之后才能确定。喉径与静弧触头之间隙(Dkdk)常取24mm左右。 (4)喉颈部的长度设计喷嘴喉颈部的长度Lh及上游区的长度Lu是决定触头堵塞喷口时间的重要因素之一，堵塞时间td(ms)按下式估算 td=(Lh+Lu+Lk)/ 式 11式中 Lh、Lu喉颈及上游区长度(mm)； Lk见图一，作图法求出，此时AhAk，认为喷口(几何尺寸)开放； 分闸平均速度(m/s)。按通常的设计经验，取td=1012ms。当预期短燃弧时间欲控制在11ms附近时可取td89ms。当td、Lu确定后，可按式(12)计算出Lh。喉颈处SF6与弧柱接触紧密，欲最大限度地利用这个特点，有产品特意超常规地加大尺寸Lh，静弧触头在整个中燃弧时间内都不离开喉颈，使弧柱在此区受到强烈的冷却，零后因SF6密度也大，不易电击穿弧隙；为了在电弧燃烧期内能快速排放都分热能与导电粒，而特意加大了静弧触头与喷口之间的间隙，相关尺寸按下式确定： （Lu+Lh）t （Dk-dk）6 式 12式中 t中燃弧时间(ms)； 平均分闸速度(m/s)。喉颈部位是冷态SF6及电弧热边界区与弧柱最紧密的接触区，在这个区域建立适当的紊流，能加强冷态SF6与炽热弧柱间的能量与动量的交换，增强熄弧能力。但是，人们至今对紊流的利用持不同看法，因此不能武断地否定光滑的喷嘴内壁的设计，经典Laval收缩扩张管形设计是久经考验的。人们对SF6灭弧室喷嘴中紊流效应的认识还在深入中，尤其是对于的自能式灭弧室因喷口较小(喷口内壁紧贴弧柱)，不开亲流槽可减轻电弧烧蚀引起的喷口扩大。4.3 下游区设计喷嘴下游区的形状和尺寸设计对零后弧隙介质恢复速度影响较大。喷嘴下游区有三个重要参数：张角、长度Ld、出口处截面积Ar。电弧直径(尤其是热边界区)离开喉颈的束缚进入喷嘴下游区后开始扩散，如果电弧的扩散与喷嘴下游区形状的扩张一致，熄弧气流处于最佳工作状态(音速流动、热焓迁移率高)，对触头间隙的介质恢复是最有利的条件。如果角偏小，因电弧热边界区膨胀而对气流形成阻力，气流速度下降，出现亚音速流动，将使焓流排出受到限制，若下游通道太小，甚至形成能量堵塞使介质恢复速度下降。角太大时，气流快速扩散沿气流方向压差增大，气流将过量地加速而使下游区SF6密度下降，导致零后电击穿。研究角对介质恢复的影响，有两种鉴别方法：是观察0恢复时间特性，二是观察42恢复时间特性。所谓0恢复时间，是指断门间电压为零时，电流过零后断口恢复到正常绝缘状态所需的时间TR，实质上0恢复是低电压恢复的一种极端状态，0电压恢复是不存在的。实验时是在断口间施加小于10kv恢复电压来测量恢复时间tR1，然后将曲线向时间轴作直线外延而得到UR0时的tR值。近区故障开断时，恢复电压UR的初始值并不大(只是上升率很高)，因此研究0恢复特性可以判断灭弧室的SLF开断性能。所谓42恢复时间，是指在高恢复电压，即恢复电压UR与触头间隙冷击穿电压之比URUB0.42时，电流零后断口恢复到正常绝缘状态所需的时间。42恢复特性在一定程度上反映了灭弧室开断BTF和切小电容电流时的零后介质电恢复特性。当=90150时，0及42%恢复时间最小而且在90150较宽的角度范围内tR值变化很小，这给喷嘴下游区的设计带来方便，可以在较宽的范围内选择角。下游区长度Ld值也影响着喷嘴内的气流场与密度的分布。Ld过短时，静弧触头过早离开喷嘴，SF6的排放量过大使气缸内的压力与密度下降太快，下游区的密度也迅速下降，在方式4和方式5的BTF长燃弧时间开断时，易发生电击穿。Ld过长了，因静弧触头过份堵塞而使喷嘴内的气流场不能充分发展(气流速度得不到必要的加速、焓流排出受阻)，会影响SLF的开断效果。产品的开断试验及灭弧室数学模拟计算的经验表明，适当缩短下游区长度，对减少SLF开断时的短燃弧时间有利；但是，为了可靠地开断BTF电流，通常要求在预期的短燃弧时间之内(如1416ms)，静弧触头应留在喷嘴内，并按此原则来限定Ld的长度。喷嘴出口处截而积At受及Ld的制约，因此在确定及Ld值时要结合At一起考虑。有研究试验表明，增大At，能改善低电压下的恢复特性，使tR下降。这是因为较大的At可使下游区气流迅速扩散，加快了过零初期弧隙热能的排故速度，这显然对SLF开断时的低电压下的热恢复有利。但是从BTF开断考虑，过大的截面积At，会使下游R的气流密度下降太大而导致电击穿；At太小时，下游排放(扩散)截面不足，喷嘴内的气流场得不到充分地发