126 kV三斷口串聯(lián)真空斷路器電容和斷口分壓的量化研究

馬云龍，劉威峰，周秀，田天，白金，羅艷

（國網(wǎng)寧夏電力有限公司電力科學(xué)研究院，寧夏銀川 750011)

0 引言

由于日益嚴(yán)格的環(huán)境保護要求，目前在高壓斷路器領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位的SF6斷路器將受到極大的限制。發(fā)展環(huán)保型的高壓真空斷路器被認(rèn)為是限制SF6排放量的有效途徑之一[1]。發(fā)展更高電壓等級的真空開關(guān)主要有發(fā)展高電壓等級單斷口真空斷路器和發(fā)展多斷口真空斷路器這兩個途徑[2]。由于真空間隙介質(zhì)的飽和特性，單斷口斷路器的開斷性能受到了極大的限制，目前掛網(wǎng)運行的僅有西安交通大學(xué)研制的126 kV 單斷口真空斷路器[2-3],因此應(yīng)用于高電壓等級的多斷口真空斷路器成為了重要的研究方向[4-5]。對于高電壓等級的多斷口真空斷路器，由于雜散電容的存在，其斷口電壓分布并不均勻，不均勻程度與多斷口的布置方式密切相關(guān)。文獻[6]對多斷口真空斷路器絕緣擊穿統(tǒng)計特性的研究表明，各斷口的電壓分布規(guī)律實質(zhì)上決定了多斷口真空斷路器的擊穿電壓增益倍數(shù)，在靜態(tài)條件下，其電壓分布主要由間隙電容和雜散電容參數(shù)決定。文獻[7]進行了雙斷口真空斷路器開斷能力試驗，試驗結(jié)果表明，即使2個斷口的燃弧特性基本一致，暫態(tài)恢復(fù)電壓的分布在其峰值時刻亦較弧后初期明顯不均勻，這亦是由雙斷口結(jié)構(gòu)的分布電容參數(shù)決定的。大連理工大學(xué)首先提出了采用光控模塊式真空斷路器單元組成多斷口真空斷路器的概念[8-9]。文獻[10]對光控模塊式真空斷路器的概念進行了進一步的分析。文獻[11]進行了不同均壓電容參數(shù)下的雙斷口真空斷路器開斷能力試驗，結(jié)果表明，均壓電容可改善雙斷口結(jié)構(gòu)的電壓分布，但若電容值過大，其改善作用會趨于飽和甚至降低，特別是在斷口間燃弧特性不一致時；因此，得到多斷口真空斷路器的分布電容參數(shù)對選擇合適的布置方式和均壓措施具有重要意義。

本文提出一種V型串聯(lián)排布的三斷口真空斷路器，建立計算模型，利用表面電荷法計算出斷路器的分布電容，分析電容類型對斷口分壓的影響，夾角的變化對分布電容值變化的影響以及對斷口分壓產(chǎn)生的影響，結(jié)果可為多斷口真空斷路器的斷口均壓和排列方式結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供一定指導(dǎo)依據(jù)。

1 多斷口真空斷路器模型的建立

模型采用三個滅弧室呈V 型串聯(lián)而成，相鄰兩個滅弧室之間的夾角為θ，串聯(lián)真空滅弧室距離地面距離為1 000 mm。真空滅弧室采用40.5 kV的商用瓷殼滅弧室。額定開距下，斷口分布電容最小，電壓不均勻分布程度最大，因此采用20 mm的額定開距作為電壓分布計算模型的結(jié)構(gòu)參數(shù)，求解域為該模型的20倍。模型如圖1所示。

圖1 126 kV 三斷口真空斷路器有限元模型

考慮到真空滅弧室和斷路器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，因此對三斷口真空斷路器做一定簡化，僅考慮動靜觸頭、動靜導(dǎo)電桿、主屏蔽罩和真空滅弧室的連接母線?？諝鈪^(qū)域的外表面和大地設(shè)置為接地邊界條件，左端導(dǎo)體和第一個斷口的靜觸頭設(shè)置為高電位，右邊末端斷口的導(dǎo)體和靜觸頭設(shè)置為零電位。

2 電壓分布和分布電容的分類計算

2.1 電壓分布特性

母線夾角θ取60°，為了研究每個斷口承擔(dān)的電壓比例，在導(dǎo)體1 處施加激勵為126 kV，在導(dǎo)體4 和導(dǎo)體5 施加地電位，懸浮罩等其他導(dǎo)體為懸浮電位。

圖2（a）為仿真得到的三斷口電壓分布云圖，斷口間的電壓分布極不均勻，為了描述斷口分壓的不均壓程度，引入了不均勻系數(shù)n。不均勻系數(shù)n定義為斷口兩端實際的電壓與斷口電壓分布均勻時的斷口電壓之比，一般不均壓系數(shù)要求為0.9～1.1。

圖2 斷口電壓分布及不均勻系數(shù)

圖2（b）為計算得到的三個斷口分壓和斷口不均勻系數(shù)，高壓斷口承擔(dān)了近75.436%的電壓，不均勻系數(shù)為2.263；懸浮斷口承擔(dān)了16.781%的電壓，不均勻系數(shù)為0.503；低壓斷口承擔(dān)了7.783%的電壓，不均勻系數(shù)為0.234，由此可見在不并聯(lián)均壓電容的情況下，多斷口真空斷路器的斷口分壓是極不均勻的。

2.2 分布電容的分類及計算方法

Q3D 軟件通過電容矩陣的方式可以得到導(dǎo)體之間全部的等效分布電容，仿真模型如圖3 所示。1號滅弧室為低壓斷口滅弧室，2號滅弧室為懸浮斷口滅弧室，3號滅弧室為高壓斷口滅弧室。

圖3 126 kV三斷口真空斷路器Q3D仿真模型

表1 126 kV三斷口真空斷路器分布電容參數(shù)

可以將電容矩陣的分布電容分為三類：第一類是滅弧室自電容，該類電容是由滅弧室本身的結(jié)構(gòu)決定的，改變滅弧室的布置方式不會影響到該類電容的值的大??；第二類電容為對地雜散電容，該類電容是導(dǎo)體與大地之間存在的電容；第三類是結(jié)構(gòu)雜散電容，該電容是由斷口與斷口間、母線之間存在電容。將電容矩陣中的電容按照三類分布電容進行計算，得到三類電容的數(shù)值大小，如圖4所示。

圖4 三類分布電容值

由圖4可知：第一類電容值集中范圍為0～15 pF，第二類電容值集中范圍為0～0.5 pF，第三類電容值集中范圍為0～15 pF?？梢钥闯龅谝活惡偷谌愲娙葜迪嘟?，但是第二類電容的電容值相差甚遠(yuǎn)。

3 不同類型分布電容對斷口電壓分配的影響

為探究電容類型的不同對靜態(tài)電壓分配的影響，建立了含有不同電容類型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。如圖5在Matlab/simulink 里搭建了三斷口真空斷路器的全電容等效模型，從左至右依次為第一類電容，第二類電容，第三類電容。當(dāng)施加電源為126 kV時，通過與斷口并聯(lián)的電壓表可以得到3個斷口的斷口電壓。

圖5 126 kV三斷口真空斷路器全電容拓?fù)?/p>

為了驗證該拓?fù)涞恼_性，將第二節(jié)仿真計算的斷口電壓分布與該拓?fù)溥M行相互驗證，如圖6所示?？芍獌煞N方式下計算出的斷口電壓分布差距低于1%，因此可以判斷該拓?fù)涞恼_性。

圖6 全電容拓?fù)渑c有限元仿真相互驗證

為研究每種分布電容對斷口電壓分布影響，考慮四種包含不同分布電容類型的組合，分為組合1（第一類電容）、組合2（第一類電容和第二類電容）、組合3（第一類電容和第三類電容）、組合4（第一類電容、第二類電容和第三類電容）。建立不同分布電容組合的拓?fù)?，將第二?jié)計算得到的分布電容值代入到每一種組合的拓?fù)渲?，圖7 所示為組合2的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圖7 組合2拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

當(dāng)施加電源為126 kV 時，通過斷口并聯(lián)的電壓表可以得到3個斷口的斷口電壓，如表2所示。

表2 4種組合方式下斷口電壓分布

為了研究每一種分布電容類型對斷口分壓產(chǎn)生的影響，采用控制變量法來分析每一類分布電容類型對斷口分壓產(chǎn)生的影響。

由圖8可知，在不引入對地雜散電容之前，三個斷口的斷口電壓不均勻系數(shù)在0.9～1.1之間，當(dāng)引入對地雜散電容后高壓斷口不均勻系數(shù)由1.03變?yōu)?.23，高壓斷口的斷口電壓不均勻系數(shù)變化率為116.5%；懸浮斷口不均勻系數(shù)由0.93 變?yōu)?.57，懸浮斷口的斷口電壓不均勻系數(shù)變化率為-38.7%；低壓斷口不均勻系數(shù)由1.05 變?yōu)?.2，低壓斷口的斷口電壓不均勻系數(shù)變化率為-81%。故存在滅弧室自電容時，引入對地雜散電容會使得3個斷口的斷口分壓變的極不均勻。

圖8 組合1和組合2的斷口電壓不均勻系數(shù)對比

由圖9 可知相比于組合1，由于組合3 引入了結(jié)構(gòu)雜散電容，高壓斷口的不均勻系數(shù)由1.03 升高至1.07，高壓斷口的斷口電壓不均勻系數(shù)變化率為3.88%；懸浮斷口的不均勻系數(shù)由0.93 降低至0.84，懸浮斷口的斷口電壓不均勻系數(shù)變化率為-9.68%；低壓斷口的不均勻系數(shù)由1.05 升高至1.09，低壓斷口的斷口電壓不均勻系數(shù)變化率為3.81%?？芍虢Y(jié)構(gòu)雜散電容后，3 個斷口的斷口電壓均勻程度均降低。

圖9 組合1和組合3的斷口電壓不均勻系數(shù)對比

由圖10 可知，相比于組合2，組合4 引入了結(jié)構(gòu)雜散電容，結(jié)構(gòu)雜散電容的引入使得高壓斷口的不均勻系數(shù)由2.229 升高至2.233，高壓斷口的斷口電壓不均勻系數(shù)變化率為0.18%；懸浮斷口的不均勻系數(shù)由0.57 降低至0.52，懸浮斷口的斷口電壓不均勻系數(shù)變化率為-8.77%；低壓斷口的不均勻系數(shù)由0.2 升高至0.25，低壓斷口的斷口電壓不均勻系數(shù)變化率為25%。當(dāng)滅弧室自電容和對地雜散電容存在時，引入結(jié)構(gòu)雜散電容會使高壓斷口和低壓斷口的電壓分布稍微均勻，但會使得懸浮斷口的電壓分布稍微不均勻。

圖10 組合2和組合4的斷口電壓不均勻系數(shù)對比

由圖11 可知相比于組合3，組合4 引入了對地雜散電容，對地雜散電容的引入使得高壓斷口的不均勻系數(shù)由1.07 升高至2.23，高壓斷口的斷口電壓不均勻系數(shù)變化率為108.4%；懸浮斷口的不均勻系數(shù)由0.84 降低至0.52，懸浮斷口的斷口電壓不均勻系數(shù)變化率為-38.1%；低壓斷口的不均勻系數(shù)由1.09 降低至0.25，低壓斷口的斷口電壓不均勻系數(shù)變化率為-77.1%。可知當(dāng)滅弧室自電容和結(jié)構(gòu)雜散電容存在時，引入對地雜散電容會使得3個斷口的斷口電壓分布變得極不均勻。

圖11 組合3和組合4的斷口電壓不均勻系數(shù)對比

定義分布電容對斷口電壓不均勻系數(shù)改變率：

式中：n2—該類分布電容引入后，斷口的不均勻系數(shù)；

n1—該類分布電容引入前，斷口的不均勻系數(shù)。

由圖12 可以看出，當(dāng)存在結(jié)構(gòu)雜散電容時，對地雜散電容的引入對三類斷口的斷口電壓不均勻系數(shù)變化率會更低。當(dāng)僅存在自電容的時候，引入對地雜散電容后高壓斷口的斷口電壓不均勻系數(shù)變化率為45%，而存在自電容和結(jié)構(gòu)雜散電容時，引入對地雜散電容后高壓斷口的斷口電壓不均勻系數(shù)變化率僅為16%。

圖12 引入對地雜散電容對不均勻系數(shù)變化率的影響

由圖13 可以看出，當(dāng)存在對地雜散電容時，結(jié)構(gòu)雜散電容的引入對三類斷口的斷口電壓不均勻系數(shù)變化率會更低。僅存在自電容的時候，引入結(jié)構(gòu)雜散電容后高壓斷口的斷口電壓不均勻系數(shù)變化率為1.625%，而存在自電容和對地雜散電容時，引入結(jié)構(gòu)雜散電容后高壓斷口的斷口電壓不均勻系數(shù)變化率僅為0.0027%。

圖13 引入結(jié)構(gòu)雜散電容的影響

4 不同排列方式的影響

4.1 不同排列方式下斷口電壓分布特性

為了研究排列方式對斷口電壓分配的影響，首先定義相鄰斷口母線夾角為θ，θ取值為60°，90°和120°。通過ANSYS Maxwell 靜電場仿真得到靜態(tài)電壓分布。圖14為三種夾角下的斷口電壓分布。

圖14 3種夾角下各斷口電壓分布

由圖14可知，隨著夾角的增大，高壓斷口的斷口電壓逐漸增大，從95.05 kV 增大到99.15 kV，增幅為4.31%；懸浮斷口的斷口電壓逐漸減小，從21.14 kV 減小至20.196 kV，增幅為-4.47%；低壓斷口的斷口電壓逐漸減小，從9.81 kV 減小至6.654 kV，增幅為-32.17%。

4.2 不同排列方式對不同類型分布電容的影響

由于每一類分布電容的種類較多，在三類電容中選取具有代表性的電容來說明排列方式對不同類型分布電容的影響。第一類電容中選取C13，C35 和C57。第二類電容中選取C28，C48 和C68。第三類電容中選取C24，C26和C46。

表3 列出了3 種不同的夾角下，選取的9 個典型分布電容的大小。

表3 3類分布電容在3種夾角下的典型值

由表3可知，隨著夾角的增大，第一類電容的電容值保持不變，第二類電容的電容值逐漸升高，第三類電容的電容值逐漸降低。

4.3 總體影響

不同設(shè)計結(jié)構(gòu)的參數(shù)均會對真空斷路器電容分布及斷口電壓分布產(chǎn)生影響。因此，在排列方式確定后，結(jié)合對電容的影響，可針對性地將三類分布電容進行優(yōu)化，實現(xiàn)性能的最優(yōu)解。

5 結(jié)論

采用有限元法對V型排列的126 kV三斷口真空斷路器的電位分布進行計算，并利用表面電荷法對斷路器整體的分布電容進行了計算，然后將斷路器分布電容分類。通過將不同類型的分布電容進行組合，分析不同類型電容對斷口電壓分布的影響，最后通過改變V型排列夾角，研究夾角變化對斷口電壓分布和三類分布電容的大小影響，得出主要結(jié)論:

1）126 kV三斷口真空斷路器在未并聯(lián)均壓電容時，三個斷口的分壓極不均勻，按照分布電容將三斷口真空斷路器的分布電容分為三類，即滅弧室等效自電容、對地雜散電容和結(jié)構(gòu)雜散電容。

2）當(dāng)只考慮滅弧室等效自電容時，高壓斷口，懸浮斷口和低壓斷口的斷口電壓不均勻系數(shù)分別為1.03，0.93和1.05。

3）當(dāng)滅弧室等效自電容存在時，對地雜散電容的引入會使得高壓斷口，懸浮斷口和低壓斷口的斷口電壓不均勻系數(shù)分別由1.03，0.93和1.05變?yōu)?.23，0.57和0.2。

4）當(dāng)滅弧室等效自電容存在時，結(jié)構(gòu)雜散電容的引入會使得高壓斷口，懸浮斷口和低壓斷口的斷口電壓不均勻系數(shù)分別由1.03，0.93和1.05變?yōu)?.07，0.84和1.09。

5）仿真結(jié)果表明結(jié)構(gòu)雜散電容和地雜散電容均會對另一類分布電容對斷口電壓均勻度的破壞起到抑制作用。

6）隨著V型排列方式下的夾角的增大，高壓斷口、懸浮斷口和低壓斷口的斷口分壓不均勻系數(shù)逐漸升高，即斷口分壓變的更加不均勻，滅弧室等效自電容的電容值保持不變，對地雜散電容的電容值逐漸升高，結(jié)構(gòu)雜散電容的電容值逐漸降低。