12 kV SF6環(huán)網(wǎng)柜負(fù)荷開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)移電流提升的研究與設(shè)計(jì)

獨(dú)田娃，徐忠秋，周 程

（大全集團(tuán)，江蘇揚(yáng)中 212200）

12 kV SF6環(huán)網(wǎng)柜負(fù)荷開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)移電流提升的研究與設(shè)計(jì)

獨(dú)田娃，徐忠秋，周 程

（大全集團(tuán)，江蘇揚(yáng)中 212200）

通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察分析了12 kV SF6環(huán)網(wǎng)柜負(fù)荷開(kāi)關(guān)開(kāi)斷過(guò)程中的電弧運(yùn)動(dòng)過(guò)程，對(duì)其導(dǎo)電回路做了優(yōu)化設(shè)計(jì)，同時(shí)建立了三維模型進(jìn)行了靜態(tài)磁場(chǎng)的計(jì)算，對(duì)比了優(yōu)化前后電流密度和磁場(chǎng)強(qiáng)度的分布規(guī)律，為提高負(fù)荷開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)移電流提供了參考。

柵片滅弧式；負(fù)荷開(kāi)關(guān)；轉(zhuǎn)移電流；導(dǎo)電回路；電弧運(yùn)動(dòng)

0 引言

12 kV SF6環(huán)網(wǎng)柜主要用于二次配電系統(tǒng)，并選用性價(jià)比優(yōu)異的負(fù)荷開(kāi)關(guān)——限流熔斷器組合電器，配合承擔(dān)工作電流和全短路電流之間的開(kāi)斷任務(wù)。在這種組合電器中，對(duì)負(fù)荷開(kāi)關(guān)提出了更高的要求，它必須能分?jǐn)噙h(yuǎn)大于其額定電流的轉(zhuǎn)移電流[1]。目前，提高負(fù)荷開(kāi)關(guān)的轉(zhuǎn)移電流開(kāi)斷能力是行業(yè)內(nèi)關(guān)心的難點(diǎn)問(wèn)題之一。本文通過(guò)對(duì)SF6環(huán)網(wǎng)柜負(fù)荷開(kāi)關(guān)開(kāi)斷過(guò)程的實(shí)驗(yàn)觀察，從電弧的運(yùn)動(dòng)特性出發(fā)，結(jié)合三維有限元建模及電磁分析，合理地優(yōu)化了負(fù)荷開(kāi)關(guān)，改善了動(dòng)靜觸頭間的電磁分布及負(fù)荷開(kāi)關(guān)的開(kāi)斷能力，并經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試證實(shí)了這一方法的有效性，為負(fù)荷開(kāi)關(guān)的優(yōu)化提供了參考。

1 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

本文的研究對(duì)象為柵片滅弧式SF6負(fù)荷開(kāi)關(guān)，如圖1所示。其中，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)用來(lái)實(shí)現(xiàn)負(fù)荷開(kāi)關(guān)的分合閘操作，當(dāng)開(kāi)關(guān)分閘時(shí)，高速拉開(kāi)動(dòng)觸頭，引起的電弧在磁場(chǎng)力的作用下通過(guò)滅弧柵片冷卻分離熄滅，達(dá)到電路分離的目的[2]。

圖1 環(huán)網(wǎng)柜負(fù)荷開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖

2 開(kāi)斷過(guò)程分析

實(shí)驗(yàn)的初步目的是觀察負(fù)荷開(kāi)關(guān)開(kāi)斷過(guò)程中的電弧運(yùn)動(dòng)特性，分析主要影響因素，為改善開(kāi)斷能力提供參考。圖2所示為實(shí)驗(yàn)原理圖。環(huán)網(wǎng)柜負(fù)荷開(kāi)關(guān)連接在LC振蕩電路中，電弧電壓和電弧電流分別由高壓探頭Tektronix P6015和霍爾傳感器測(cè)量，得到的波形用示波器TektronixD?PO4032記錄。電弧運(yùn)動(dòng)過(guò)程由一臺(tái)高速攝影儀記錄。預(yù)期實(shí)驗(yàn)電流為1 750 A（有效值）。

圖2 實(shí)驗(yàn)原理圖

高速攝影儀記錄的圖像如圖3所示。由圖3可見(jiàn)，動(dòng)觸頭剛開(kāi)始拉弧階段，電弧緩緩燃燒，形態(tài)比較穩(wěn)定。當(dāng)動(dòng)觸頭打開(kāi)到一定程度，t= 23.396 ms時(shí)，動(dòng)觸頭上距離靜觸頭較近的中部出現(xiàn)了新的弧根，取代原弧根成為主要的電流通道，導(dǎo)致了背后擊穿現(xiàn)象。t=26.837 ms時(shí)，電弧形態(tài)被充分拉展開(kāi)，逐漸進(jìn)入柵片。t=27.392 ms時(shí)，電弧發(fā)生擺動(dòng)，又出現(xiàn)背后擊穿情況，示波器上反映為電弧電壓波形的振蕩。動(dòng)觸頭打開(kāi)后，隨著電流過(guò)零時(shí)刻的到來(lái)，電弧逐漸冷卻熄滅。

圖3 高速攝影儀記錄的圖像

開(kāi)斷過(guò)程中，如果電弧背后擊穿多次發(fā)生，電流過(guò)零后，動(dòng)靜觸頭間區(qū)域溫度會(huì)較高，造成介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度降低，電弧有可能出現(xiàn)重燃，導(dǎo)致負(fù)荷開(kāi)關(guān)開(kāi)斷失敗。所以，電弧特性對(duì)于負(fù)荷開(kāi)關(guān)的開(kāi)斷能力具有十分重要的影響，特別是分?jǐn)噙^(guò)程中的電弧運(yùn)動(dòng)過(guò)程，直接關(guān)系著電流過(guò)零后。電弧能否重燃，而這一過(guò)程與動(dòng)靜觸頭區(qū)域的磁場(chǎng)分布密切相關(guān)。另外，還發(fā)現(xiàn)因?yàn)閷?dǎo)電回路的設(shè)計(jì)問(wèn)題及某些附件的阻擋，靜觸頭上弧根燃燒的位置比較固定，很難運(yùn)動(dòng)，造成局部熱量堆積，靜觸頭燒蝕嚴(yán)重，也不利于開(kāi)斷。

3 優(yōu)化及仿真分析

根據(jù)實(shí)驗(yàn)觀察結(jié)果及分析，本文提出了優(yōu)化導(dǎo)電回路的方法，主要改善磁場(chǎng)分布和電弧運(yùn)動(dòng)特性來(lái)提高負(fù)荷開(kāi)關(guān)的開(kāi)斷能力。具體方法為在靜觸頭上開(kāi)設(shè)一條倒L形的細(xì)槽，如圖4所示，靜觸頭近似為長(zhǎng)方形，上側(cè)與回路連接，開(kāi)槽后改變了原來(lái)的電流流經(jīng)路徑。同時(shí)，修改了一些零部件的結(jié)構(gòu)，減少了外側(cè)金屬柵片的數(shù)量（由原來(lái)的14片減少為現(xiàn)在的11片），利于動(dòng)靜觸頭間的熱量擴(kuò)散。針對(duì)該優(yōu)化方案，本文采用有限元軟件，進(jìn)行了電磁場(chǎng)對(duì)比分析。

以負(fù)荷開(kāi)關(guān)開(kāi)斷過(guò)程中動(dòng)觸頭位于總開(kāi)距1/3位置時(shí)的電磁場(chǎng)域?yàn)榉治鰧?duì)象。為了便于計(jì)算求解，對(duì)負(fù)荷開(kāi)關(guān)模型做了適當(dāng)簡(jiǎn)化，只保留了起決定作用的關(guān)鍵部分，并將動(dòng)靜觸頭之間產(chǎn)生的電弧用均勻固體導(dǎo)體代替，它的導(dǎo)電率是恒定的。所建立的模型如圖5所示，包括滅弧柵片、動(dòng)靜觸頭和電弧弧柱。

圖4 靜觸頭修改示意圖

圖5 模型簡(jiǎn)化圖

計(jì)算分析分成兩步進(jìn)行：首先進(jìn)行靜態(tài)電流傳導(dǎo)分析，獲得導(dǎo)電回路中各處的電流密度分布；其次利用求解的電流密度分布進(jìn)行靜態(tài)磁場(chǎng)計(jì)算，得到觸頭和滅弧柵片周?chē)目臻g磁場(chǎng)分布，包括各處磁通密度、磁場(chǎng)強(qiáng)度等，同時(shí)計(jì)算了電弧所受總磁吹力的大小。

圖6 電流密度矢量圖

圖6為開(kāi)槽前后電流2 000 A時(shí)負(fù)荷開(kāi)關(guān)觸頭及電弧上的電流密度矢量分布圖。可以看到，開(kāi)槽前，電流在靜觸頭中直接由上向下經(jīng)電弧流入動(dòng)觸頭；而開(kāi)槽后，電流流經(jīng)路徑改變，在靜觸頭中先向下后向上進(jìn)入電弧，所以電弧根部向斜上方的電流矢量要大于原來(lái)開(kāi)槽前，而其他部分整體分布差別不大。

圖7為開(kāi)槽前后電流2 000 A時(shí)負(fù)荷開(kāi)關(guān)觸頭區(qū)域豎直方向的磁場(chǎng)強(qiáng)度圖。因?yàn)殪o觸頭上電流流向的變化，影響了動(dòng)靜觸頭間及電弧上的磁場(chǎng)分布，特別是弧根位置，使豎直方向上的磁場(chǎng)強(qiáng)度、磁通密度有所增大。磁場(chǎng)分布之所以與電弧運(yùn)動(dòng)過(guò)程密切相關(guān)，是因?yàn)樗鼤?huì)影響電弧所受磁吹力的大小。利用電流密度和磁通密度將電弧各單元所受磁吹力計(jì)算出來(lái)之后求和，可得電弧整體不同方向所受磁吹力大小，結(jié)果如表1所示。可知，優(yōu)化后的負(fù)荷開(kāi)關(guān)，其動(dòng)靜觸頭間的電弧受到的豎直向上的磁吹力增大約20%，這樣電弧更容易運(yùn)動(dòng)進(jìn)入柵片被切割冷卻熄滅，有助于開(kāi)斷性能的提高。

圖7 觸頭區(qū)域豎直方向的磁場(chǎng)強(qiáng)度圖

表1 電弧不同方向上所受的總磁吹力

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

將負(fù)荷開(kāi)關(guān)按優(yōu)化方法修改后，又在相同的條件下做了觀察實(shí)驗(yàn)，高速攝影儀記錄的圖像如圖8所示。t=16.033 ms時(shí)，電弧沿著靜觸頭側(cè)面的跑弧區(qū)迅速向上運(yùn)動(dòng)。t=20.915 ms時(shí)，電弧被充分拉開(kāi)，大半部分進(jìn)入柵片。t=21.388 ms時(shí)，出現(xiàn)背后擊穿現(xiàn)象，電弧有所回?cái)[。然后電弧在柵片中穩(wěn)定燃燒，慢慢冷卻熄滅。

對(duì)比可見(jiàn)，優(yōu)化前后的負(fù)荷開(kāi)關(guān)，動(dòng)靜觸頭間的電弧運(yùn)動(dòng)形態(tài)差別較大，靜觸頭上的弧根能夠向上運(yùn)動(dòng)，在更大磁吹力的作用下，電弧能夠充分的進(jìn)入柵片并在里面穩(wěn)定保持，雖然仍有背后擊穿，電弧擺動(dòng)的情況出現(xiàn)，但次數(shù)明顯減少，范圍也小了很多。

改進(jìn)后的12 kV環(huán)網(wǎng)柜負(fù)荷開(kāi)關(guān)在西安高壓電器研究院順利通過(guò)了額定電壓下1 750 A的轉(zhuǎn)移電流開(kāi)斷實(shí)驗(yàn)認(rèn)證，相比之前大幅度提高，也證明了此方案的可行性。

圖8 高速攝影儀記錄的圖像

5 結(jié)論

按照以上研究成果，設(shè)計(jì)制造的12 kV SF6環(huán)網(wǎng)柜負(fù)荷開(kāi)關(guān)已在多個(gè)工程中成功應(yīng)用，使用結(jié)果表明，該產(chǎn)品技術(shù)性能穩(wěn)定，取得了很好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。

［1］王季梅，卜小玉，蔡龍權(quán).高壓負(fù)荷開(kāi)關(guān)-熔斷器組合電器轉(zhuǎn)移電流的確定［J］.高壓電器，1994，12（6）：49-53.

［2］邵敏艷，金曉明，吳翊.中壓環(huán)網(wǎng)柜柵片滅弧式負(fù)荷開(kāi)關(guān)開(kāi)斷性能實(shí)驗(yàn)研究［J］.高壓電器，2011，47（11）：98-101.

Research and Designing of Transferring Current Improvement of Load Switch in 12 kV SF6Ring Main Unit

DU Tian-wa，XU Zhong-qiu，ZHOU Cheng
（DAQO GROUP，Yangzhong212200，China）

In this paper，a three-dimensional model of the load switches 12 kV SF6ring main unit was built and calculated.The current density and magnetic field intensity distribution and the effect of configuration were gained through analysis and calculation.At the same time，according to the arc movement obtained by experiments，we optimized the conducting circuit design of load switch and improved its breaking capacity about transfer current.

splitter arc extinction type；load switch；transferring current；conducting circuit；arc movement

TM592

：A

：1009－9492(2014)12－0103－04

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.12.024

獨(dú)田娃，男，1976年生，甘肅禮縣人，碩士，高級(jí)工程師。研究領(lǐng)域：氣體絕緣開(kāi)關(guān)柜研發(fā)與管理。

(編輯：向 飛)

2013－07－26；

2014－08－07