開辟斷路器領(lǐng)域的新天地

在廣袤的土地上，縱橫交錯的電力網(wǎng)絡(luò)為城市和鄉(xiāng)村提供了源源不斷的電能。隨著時代的發(fā)展，這些電網(wǎng)也在不斷發(fā)生著演變。其中特別值得一提的是，工作電壓正在逐步增加，主要目的是減少傳輸損耗。這一進展對用于電網(wǎng)控制和保護的關(guān)鍵元件——斷路器提出了更高的要求。斷路器的核心是滅弧室——即進行物理開合操作的氣室。不斷變化的技術(shù)和市場條件以及新的國際標準將開發(fā)新一代滅弧室的需求擺上了臺面。

為了大限度減少傳輸損耗并降低環(huán)境影響，供電網(wǎng)絡(luò)正在向更高電壓等級前進。更高電壓以及其他需求迫使供電網(wǎng)絡(luò)保護及控制的關(guān)鍵元件——斷路器也必須隨之發(fā)展。其中，斷路器的可用性是一個決定性因素，直接影響著電網(wǎng)本身的可靠性。

減少斷路器元件數(shù)量和低操作功有效降低了意外停電的風(fēng)險。此外，如果能夠縮小斷路器的尺寸，還可以進一步降低其成本和空間要求。

鑒于此，ABB 開始著手為420kV電網(wǎng)研發(fā)全新的單斷口斷路器。這一全新滅弧室必須符合新的IEC和ANSI/IEEE國際標準，并滿足世界各地市場現(xiàn)有的特殊要求。在未來電網(wǎng)中，需要控制的標稱電流和短路電流都將繼續(xù)增加，有望達到5kA的標稱額定電流和63kA的額定短路電流（基于50Hz和60Hz頻率）。

其他要求包括：縮小隔間尺寸（整個隔間應(yīng)能夠裝進一個標準集裝箱）；全面的近區(qū)故障開合能力，無需使用線對地電容器；減少六氟化硫氣體用量；盡可能減小反作用力（對建筑物和基座的沖擊力）；使用小型的標準操動機構(gòu)；實現(xiàn)二周波開斷時間。

斷路器

斷路器是設(shè)備中的重要組成部分。斷路器必須應(yīng)對從1A到幾十kA的電流；要承受較大的電壓波動，例如快速的電壓上升和長期交流應(yīng)力；要進行日常的開合操作以及緊急開斷短路電流；它有可能在相當(dāng)長一段時間內(nèi)處于非活動狀態(tài)，一旦啟動，就必須在幾毫秒內(nèi)緊急遮斷故障。

設(shè)計一款全新的斷路器

設(shè)計新開關(guān)裝置以及采用一項新技術(shù)時需要考慮各種不同的因素。

（1）容性電流開合能力

此類操作的特點是通過斷路器觸頭的電流相對較小，但電壓較大，因此對動態(tài)電壓的耐受能力要求較高。電壓耐受能力應(yīng)高于斷路器分斷時電網(wǎng)中的上升電壓。這就像是觸點分離與瞬態(tài)電壓上升之間展開的一場競賽。為了保證不發(fā)生電壓中斷，斷路器必須在這場競賽中勝出，這一點十分重要，否則電壓上升會導(dǎo)致變電站元件和架空線應(yīng)力過高。換言之，這一全新的斷路器必須具備足夠高的觸頭分合閘速度，以便在極短時間內(nèi)達到所需的介電耐受能力。

國際標準為此制定了非常詳細的測試步驟，并提供了廣泛適用的測試程序。

（2）全面的近區(qū)故障開斷能力

實現(xiàn)成功開斷，要求斷路器觸頭之間的空間達到較高的氣體壓力，提供足夠的冷卻能力來熄滅電弧。這一壓力積聚是故障快速排除能力的一個關(guān)鍵值。單氣室滅弧室專為高短路開斷能力設(shè)計，需要較高的吹弧壓力。

（3）斷路器出線端故障開斷能力

這一能力的要求之一是保證操作在兩周波開斷時間內(nèi)完成，即要求達到較短的分閘時間，因此其不對稱要求要高于過去的斷路器。在高不對稱水平下進行開斷會導(dǎo)致較高的壓力聚積， 必須通過操動機構(gòu)以及排氣和噴嘴系統(tǒng)對其進行處理。對于這一新斷路器來說，這便意味著必須安全處理滅弧區(qū)以及排氣系統(tǒng)中的大量能量消耗。

（4）變壓器故障限制要求

這一特殊要求在一些位置上必須得到滿足，針對出現(xiàn)一小部分（7%～30%）額定短路電流以及恢復(fù)電壓（電流開斷后終端中出現(xiàn)的電壓）上升率極高的情形。為了承受如此苛刻的應(yīng)力， 斷路器必須在電流中斷后非常迅速地建立起較高的動態(tài)電壓耐受能力。這意味著必須盡可能迅速地將滅弧觸頭之間的熱氣體轉(zhuǎn)換為冷氣體。

開關(guān)技術(shù)的決定因素

斷路器目前有多個種類，每種斷路器都各有所長，包括：壓氣式斷路器、高級壓氣式斷路器、壓氣輔助自能式斷路器、純自能式斷路器、帶線性雙動系統(tǒng)的自能式斷路器、帶非線性雙動系統(tǒng)的自能式斷路器。

ABB在開發(fā)新斷路器時結(jié)合了以上概念中的多項優(yōu)點——這一新斷路器已被定義為帶非線性雙移動系統(tǒng)的高級壓氣式斷路器，其優(yōu)點包括：

1）觸頭速度快且可調(diào)節(jié)。

2）移動質(zhì)量小，因此反作用力也較小。

3）分閘速度快（使用標準的低能耗液壓彈簧操動機構(gòu)）。

4）空載壓力聚積和大壓力聚積比率較低（從而使短路開斷期間滅弧氣體的溫度較低）。

5）由于降低了某些部件的速度，移動部件所承受的機械應(yīng)力較低。

6）由于能夠限制所產(chǎn)生的大壓力，因此即使在更高的不對稱性水平下，大壓力聚積也不會導(dǎo)致滅弧裝置部件機械應(yīng)力過大。

在開發(fā)過程中，研發(fā)人員主要依靠仿真軟件來模擬電流分斷期間的不同物理效應(yīng)，如流量、壓力聚積、電場（見圖1、2）。并采用有限元（FEM）工具來輔助機械分析。他們在測試對象上安裝了各種測量傳感器，用于獲取數(shù)據(jù)，由此實現(xiàn)仿真工具的改進和交叉檢查。除此之外，他們還進行了大量測試，以確定測試設(shè)備的極限。在開發(fā)新斷路器的同時，研發(fā)人員還對新材料和先進生產(chǎn)技術(shù)進行了評估，目的是尋找成本能夠與傳統(tǒng)產(chǎn)品相媲美的產(chǎn)品（見圖3）。

圖1 金屬封閉斷路器的計算流體動力學(xué)仿真示例

圖2 滅弧區(qū)電場仿真示例

圖3 測試設(shè)計的全面實驗室評估

項目成果

與前幾代斷路器相比，此次研發(fā)項目達到甚至超越了以下目標：

1）操作功降低 50%。

2）六氟化硫用量減少 30%（見圖4）。

圖4 斷路器的體積大幅縮小

3）氣體絕緣開關(guān)裝置（GIS）隔間體積減小50%（301 ELK 3-2，147 ELK 3-1見圖5）。通過改造GIS部件還將進一步減小該隔間的體積。改進后，這一工作間將能夠裝入標準集裝箱進行運輸，在緊急情況下還可用作集裝箱式變電站。

圖5 瑞士的首臺該類設(shè)備：舊設(shè)備（右）與新設(shè)備（左）的對比

傳統(tǒng)雙壓室解決方案的操作功是全新非線性雙運動系統(tǒng)（單氣室，采用單側(cè)驅(qū)動，近五倍）的兩倍（見圖6）。雖然每個氣室的移動質(zhì)量幾乎相同，但雙動系統(tǒng)整體的移動質(zhì)量會略高（觸棒和杠桿）。

這一解決方案的反作用力極小，是其他任何解決方案所無法企及的，從而大大降低了物理基礎(chǔ)設(shè)施的成本。另外，該解決方案還抑制了移動質(zhì)量加速，減少了觸棒運動，進一步降低了能量需求（見圖7）。

新斷路器實現(xiàn)了此項目所設(shè)定的所有重要目標，可用于罐式斷路器、插接式開關(guān)裝置 （PASS）應(yīng)用以及GIS。這一全新產(chǎn)品是現(xiàn)代化的斷路器，達到新的國際標準，擁有超強的競爭力。就純粹的能力而言，特別值得一提的是，單氣室所能開合的短路功率接近23 GW，相當(dāng)于約15個核電站的額定功率。

圖6 所需操作功對比（相關(guān)單元）

圖7 開關(guān)方案