屏蔽金具對混合式直流斷路器多斷口串聯(lián)機(jī)械開關(guān)電壓分配的影響與優(yōu)化

王華清，黃道春，雙明鏡，李慧鵬，陳鑫，邱逸群

(武漢大學(xué)電氣與自動化學(xué)院，湖北 武漢 430072)

0 引言

柔性直流輸電系統(tǒng)短路故障具有發(fā)展速度快、幅值高、對系統(tǒng)沖擊大的特點(diǎn)，對直流斷路器的開斷速度和安全性提出了較高要求[1－2]?；旌鲜街绷鲾嗦菲鹘Y(jié)合了機(jī)械式直流斷路器和全固態(tài)式直流斷路器的優(yōu)點(diǎn)，能夠在數(shù)毫秒內(nèi)實(shí)現(xiàn)短路電流的開斷，且通態(tài)損耗較小，因而成為了高壓直流斷路器領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[3－5]。

混合式直流斷路器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要包括主支路的快速機(jī)械開關(guān)及輔助開斷模塊、轉(zhuǎn)移支路的電力電子開斷單元和吸能支路的避雷器三個部分[6]。為保證斷路器的速動性，混合式直流斷路器的快速機(jī)械開關(guān)常采用多斷口串聯(lián)設(shè)計[7]。根據(jù)混合式直流斷路器的工作原理，在分?jǐn)噙^程中快速機(jī)械開關(guān)可實(shí)現(xiàn)無弧分?jǐn)?。在無弧分?jǐn)鄺l件下，由于混合式直流斷路器內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，組件間的雜散電容導(dǎo)致快速機(jī)械開關(guān)各斷口間的電壓分配不均勻，須采用合適的均壓措施。

目前我國已對混合式直流斷路器的多斷口串聯(lián)機(jī)械開關(guān)均壓設(shè)計方案開展了較多研究，其均壓設(shè)計以電容或阻容均壓為主。文獻(xiàn)[8]采用并聯(lián)均壓電容1 000 pF、電阻40Ω的阻容均壓方案，實(shí)現(xiàn)了160 kV機(jī)械式直流斷路器用四斷口串聯(lián)真空開關(guān)的均壓設(shè)計。文獻(xiàn)[9]對比了不同均壓電容對500 kV混合式直流斷路器用十?dāng)嗫诳焖俑綦x開關(guān)均壓效果的影響。文獻(xiàn)[10]對張北±535 kV混合式直流斷路器用十?dāng)嗫诖?lián)機(jī)械開關(guān)采用阻容均壓方案，測得電壓實(shí)測值相比仿真理論值最大僅差4.67%。文獻(xiàn)[11]對200 kV混合式直流斷路器用雙斷口機(jī)械開關(guān)進(jìn)行了電場和電路仿真，給出了均壓組件參數(shù)選擇范圍。文獻(xiàn)[12]分析了單斷口不動作、斷口動作分散性等因素對六斷口串聯(lián)機(jī)械開關(guān)均壓組件參數(shù)配置的影響?，F(xiàn)有文獻(xiàn)主要從均壓組件的參數(shù)設(shè)計方面進(jìn)行均壓方案的設(shè)計，而混合式直流斷路器的屏蔽金具、電力電子模塊等組件對其串聯(lián)多斷口機(jī)械開關(guān)的電壓分配特性同樣具有一定影響，優(yōu)化其結(jié)構(gòu)參數(shù)可削弱串聯(lián)多斷口機(jī)械開關(guān)的電壓不平衡現(xiàn)象，提高機(jī)械開關(guān)的可靠性。

本文以典型±200 kV混合式直流斷路器為例，建立其整機(jī)靜電場仿真模型，通過靜電場仿真研究各組件對斷口間電壓分配的影響，分析屏蔽罩整體尺寸、屏蔽環(huán)管徑等結(jié)構(gòu)參數(shù)對雙斷口串聯(lián)快速機(jī)械開關(guān)斷口電壓分配特性的影響，并根據(jù)仿真結(jié)果，從均壓設(shè)計角度提出了混合式直流斷路器的屏蔽金具結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化建議。

1 ±200 kV混合式直流斷路器結(jié)構(gòu)

±200 kV混合式直流斷路器為閥塔結(jié)構(gòu)，整體結(jié)構(gòu)尺寸為長5.9 m、寬4.1 m、高6.1 m，對地高度3 m，由快速機(jī)械開關(guān)單元、連接母排、電力電子模塊、避雷器及屏蔽金具等部件構(gòu)成。因混合式直流斷路器內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，靜電場計算時需進(jìn)行合理簡化。其簡化原則為:保證機(jī)械開關(guān)單元與屏蔽金具的模型準(zhǔn)確；省略電力電子模塊和能量吸收模塊的內(nèi)部連接，采用實(shí)心長方體等效。簡化后的斷路器三維模型如圖1所示。快速機(jī)械開關(guān)單元額定電壓為110 kV，額定開距為40 mm，上下單元間距1.2 m；電力電子模塊長2.8 m、寬1.5 m、高1 m；能量吸收模塊長2 m、寬1.2 m、高1 m；屏蔽金具分為環(huán)型和板狀結(jié)構(gòu)，其中屏蔽環(huán)外部尺寸與混合式直流斷路器一致，管徑為0.3 m，距離上部快速機(jī)械開關(guān)單元靜觸頭距離0.9 m，板狀屏蔽罩分為角屏蔽罩和直線型屏蔽罩，高均為0.75 m，厚度均為0.15 m，直線型長度為1.8 m，角屏蔽罩長邊1.5 m，短邊0.7 m，距快速機(jī)械開關(guān)單元正面距離1 m，側(cè)面距離0.85 m，距離頂部屏蔽環(huán)2.0 m。

圖1 ±200 kV混合式直流斷路器模型

混合式直流斷路器的電極設(shè)置如圖2所示。其中電極1與電極2之間的快速機(jī)械開關(guān)單元的斷口為斷口1，電極2與電極3之間的快速機(jī)械開關(guān)單元斷口為斷口2。設(shè)置頂部屏蔽環(huán)、快速機(jī)械開關(guān)單元靜觸頭為高電位1 V，底部快速機(jī)械開關(guān)單元動觸頭、操縱機(jī)構(gòu)箱體和空氣域邊界為零電位，其余電極設(shè)為懸浮電位。設(shè)置空氣與各材質(zhì)的相對介電常數(shù):SF6為1，硅橡膠為2.7，環(huán)氧樹脂為5.2，氧化鋅為800。

圖2 仿真電極設(shè)置示意圖

2 屏蔽金具結(jié)構(gòu)參數(shù)對斷口電壓分配特性的影響

2.1 不同組件對機(jī)械開關(guān)電壓分配的影響

根據(jù)±200 kV混合式直流斷路器結(jié)構(gòu)和電極設(shè)置，采用靜電場仿真提取其分布電容參數(shù)，見表1，并畫出其電容等效電路圖，如圖3所示。

表1 混合式直流斷路器分布電容參數(shù) pF

圖3 混合式直流斷路器電容等效電路模型

圖3中C12和C23表示斷口1和斷口2的等效電容，C13、C34和C35表示各電極對地電容，其余則表示各屏蔽金具組件之間以及其與快速機(jī)械開關(guān)之間的雜散電容。從電容等效電路圖可知，雙斷口串聯(lián)快速機(jī)械開關(guān)斷口間的電壓分配受多個組件的影響，為確定各組件對斷口間電壓分配的影響，需對電力電子模塊、能量吸收模塊、屏蔽金具進(jìn)行分析。

在保持其他組件參數(shù)不變的條件下，仿真各組件的有無對斷口間電壓分配的影響，對比結(jié)果見表2。從表2中數(shù)據(jù)可以看出，電力電子模塊與能量吸收模塊對斷口間電壓分配影響較小，屏蔽金具對斷口間電壓分配的影響最大，無屏蔽金具時斷口1承擔(dān)電壓比例相對有屏蔽金具時增加了42.60%。而實(shí)際斷路器中電力電子模塊與能量吸收模塊有外部金屬電極連接，會對斷口間電壓分布產(chǎn)生一定影響，但其接線電極面積相對較小，因此選擇重點(diǎn)研究屏蔽金具的結(jié)構(gòu)參數(shù)與布置方式對斷口間電壓分配特性的影響。

表2 混合式直流斷路器各組件對斷口電壓分配的影響 V

2.2 屏蔽金具的整體長寬尺寸

首先從混合式直流斷路器整機(jī)屏蔽金具的整體外部尺寸入手，分別單獨(dú)改變混合式直流斷路器的屏蔽金具寬度和長度，以研究屏蔽金具整體長寬尺寸對斷口間電壓分配的影響。

首先將混合式直流斷路器的屏蔽金具寬度改變?yōu)?.6 m和5.1 m，改變方式為對稱增加或減少兩側(cè)的寬度和長度，仿真結(jié)果見表3。

表3 屏蔽金具寬度對斷口電壓分配的影響

同理將屏蔽金具的整體長度改變?yōu)?.4m和6.9m，得到此時的斷口電壓見表4。

表4 屏蔽金具長度對斷口電壓分配的影響

仿真結(jié)果表明，增加屏蔽金具整體的寬度與長度能夠改善斷口間的電壓分配，這是因?yàn)楦淖兤帘谓鹁叩膶挾扰c長度的同時，也改變了屏蔽金具與快速機(jī)械開關(guān)的距離，使得兩者間的等效電容變化，因此改善了斷口間的電壓分配。但改變其長寬尺寸對斷口間電壓分配特性的影響相對較小。

2.3 屏蔽環(huán)的管徑

混合式直流斷路器的上下兩層的屏蔽金具為屏蔽環(huán)，增加屏蔽環(huán)的管徑，能夠降低附近的電場強(qiáng)度，同時管徑的增加，也增大了屏蔽罩與其他電極的相對面積，因此對雜散電容的大小產(chǎn)生一定的影響[13]。分別設(shè)定屏蔽環(huán)的管徑為10 cm、20 cm、30 cm、40 cm和45 cm，在此條件下開展靜電場仿真，得到不同管徑的屏蔽環(huán)對斷口電壓分配的影響，如圖4所示。

圖4 屏蔽環(huán)管徑對斷口1電壓分配的影響

仿真結(jié)果表明，增大屏蔽環(huán)的管徑同樣能夠在一定程度上改善斷口間的電壓分配，當(dāng)半徑增大到22.5 cm時，高壓側(cè)斷口1承擔(dān)電壓比例降為58.79%。但隨著管徑的增大，其均壓效果開始趨于飽和，且屏蔽環(huán)管徑的增加會導(dǎo)致制造成本和間隙安全凈距的減少，因此需結(jié)合其他設(shè)備的布置方式與安裝難度合理選擇屏蔽環(huán)的管徑。

2.4 板狀屏蔽罩位置與結(jié)構(gòu)

板狀屏蔽罩初始位置位于混合式直流斷路器中心對稱位置，設(shè)該位置為垂直方向上的坐標(biāo)零點(diǎn)。分別設(shè)定板狀屏蔽罩相對起始點(diǎn)的位置為－1 m、－0.5 m、0 m、0.5 m、1 m，其中負(fù)數(shù)代表屏蔽罩向上方位移，正數(shù)表示屏蔽罩向下方位移，仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 板狀屏蔽罩對斷口1電壓分配的影響

仿真結(jié)果顯示，改變板狀屏蔽罩在垂直方向上的位置對斷口間電壓分配有一定影響，當(dāng)板狀屏蔽罩向上移動1 m時，斷口1承擔(dān)電壓比例下降至59.07%，而板狀屏蔽罩的位置距離高壓側(cè)越遠(yuǎn)，對于斷口間電壓分配的影響越小。由于板狀屏蔽罩電位為懸浮電位，距離高壓側(cè)較近可能會導(dǎo)致間隙擊穿，因此應(yīng)在保證間隙絕緣距離足夠的情況下調(diào)整板狀屏蔽罩的位置。

結(jié)構(gòu)方面，本文選擇改變板狀屏蔽罩的上下寬度，設(shè)定其寬度分別為0.65 m、0.75 m、0.85 m、0.95 m、1.05 m，仿真得到板狀屏蔽罩寬度對觸頭間電壓分配特性的影響，見表5。

表5 板狀屏蔽罩寬度對斷口電壓分配的影響

增加板狀屏蔽罩的寬度，相當(dāng)于增加了其與機(jī)械開關(guān)動靜觸頭間等效電容電極的面積，按照平行電容器計算公式近似計算可知兩者間的等效電容增加，使得電壓分配不均衡。但從仿真結(jié)果看，其對斷口間電壓分配特性影響較小，因此可以不考慮板狀屏蔽罩面積對電壓分配特性的影響。

2.5 頂部屏蔽罩的結(jié)構(gòu)與位置

頂部屏蔽罩臨近承擔(dān)高電壓的斷口側(cè)，其位置與結(jié)構(gòu)會對高壓側(cè)的電場和電位分布產(chǎn)生明顯影響。目前混合式直流斷路器頂部屏蔽罩的結(jié)構(gòu)有管狀結(jié)構(gòu)[14]，以及全封閉式的板狀加管狀結(jié)構(gòu)[15]等。選取上述兩種典型結(jié)構(gòu)，如圖6所示，分析其對斷口電壓分配的影響。

圖6 不同頂層屏蔽罩結(jié)構(gòu)

將頂部屏蔽罩改為全封閉式結(jié)構(gòu)后，斷口1承擔(dān)電壓比例從59.97%降低至54.56%，相對降低9.02%，其影響相較改變其他屏蔽金具參數(shù)更為明顯。因此改變頂部屏蔽罩的結(jié)構(gòu)，增大其覆蓋面積有利于平衡各斷口所承擔(dān)的電壓。

頂層屏蔽環(huán)的位置變化同樣會改變其與其他電極之間的雜散電容，為保證絕緣要求，頂層屏蔽罩與其他組件的相對距離不能過近，因此設(shè)定頂層屏蔽環(huán)的管徑圓心所在平面與斷口1的靜觸頭垂直距離分別為1.1 m、1 m、0.9 m、0.8 m、0.7 m，得到靜電場仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 頂層屏蔽環(huán)與斷口1靜觸頭距離對斷口1電壓分配的影響

可以看出斷口1承擔(dān)電壓比例與頂層屏蔽罩和斷口1靜觸頭之間的間距近似呈線性關(guān)系，減少兩者間的間距能夠明顯降低斷口1所承擔(dān)電壓比例。因此在保證頂層屏蔽罩與其他組件絕緣間隙足夠的條件下，可降低其與高壓側(cè)斷口靜觸頭的間距以實(shí)現(xiàn)較好的均壓效果。

綜合屏蔽金具結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對分布電容及斷口間電壓分配特性的影響可知，高壓側(cè)相關(guān)的屏蔽金具結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對電壓分配特性的影響相對較大，而地電位相關(guān)的屏蔽金具結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對電壓分配特性的影響較小。因此優(yōu)化高壓側(cè)的屏蔽金具結(jié)構(gòu)參數(shù)能夠有效改善多斷口串聯(lián)機(jī)械開關(guān)斷口間的電壓分配特性。

3 混合式直流斷路器屏蔽金具結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

通過對±200 kV混合式直流斷路器整機(jī)結(jié)構(gòu)與不同屏蔽金具參數(shù)的靜電場仿真，研究屏蔽金具整體尺寸、屏蔽環(huán)管徑與頂部屏蔽環(huán)結(jié)構(gòu)和位置等對雙斷口串聯(lián)機(jī)械開關(guān)電壓分配特性的影響規(guī)律。基于上述研究結(jié)果，從均壓設(shè)計角度提出混合式直流斷路器的屏蔽金具結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化方案:

1)適當(dāng)增加屏蔽環(huán)的管徑；

2)將頂部均壓罩改為全封閉結(jié)構(gòu)；

3)在保證絕緣距離和電場強(qiáng)度不超限的情況下，適當(dāng)縮小板狀屏蔽罩與高壓側(cè)屏蔽罩的距離；

4)在保證絕緣距離和電場強(qiáng)度不超限的情況下，適當(dāng)減少頂層屏蔽罩與高壓側(cè)機(jī)械開關(guān)單元的距離。

依據(jù)上述優(yōu)化方案對±200 kV混合式直流斷路器模型進(jìn)行優(yōu)化，具體優(yōu)化內(nèi)容如下:

1)將頂層屏蔽環(huán)更改為全封閉式結(jié)構(gòu)，其中新增板狀屏蔽罩部分厚度設(shè)定為20 mm；

2)將頂層屏蔽罩管徑圓心所在平面與高壓側(cè)斷口1靜觸頭的間距設(shè)為0.7 m；

3)將中間的板屏蔽罩位置向上移動0.25 m；

4)將屏蔽罩長度設(shè)為6.4 m，寬度設(shè)為4.6m。

其余屏蔽金具結(jié)構(gòu)參數(shù)不變，優(yōu)化后的混合式直流斷路器模型如圖8所示。

圖8 優(yōu)化后的±200 kV混合式直流斷路器模型

使用優(yōu)化后的混合式直流斷路器模型進(jìn)行仿真，在其高壓側(cè)施加200 kV電壓，得到電位分布和斷路器表面電場強(qiáng)度分布如圖8所示，此時斷口1與斷口2承擔(dān)電壓比例分別為52.32%、47.68%，相比較于原來的比例59.97%、40.03%有較大變化，斷口1承擔(dān)電壓比例下降12.76%。綜合現(xiàn)有文獻(xiàn)對金具表面控制場強(qiáng)的研究結(jié)果，選擇2 kV/mm作為混合式直流斷路器的控制起暈場強(qiáng)[16－19]，仿真結(jié)果顯示頂層屏蔽罩表面最大場強(qiáng)0.225 kV/mm，板狀屏蔽罩表面最大場強(qiáng)0.185 kV/mm，均小于2 kV/mm控制起暈場強(qiáng)。優(yōu)化后的混合式直流斷路器電位及表面電場強(qiáng)度分布如圖9所示。

圖9 優(yōu)化后的混合式直流斷路器電位及表面電場強(qiáng)度分布

4 結(jié)語

本文以典型±200 kV混合式直流斷路器為例，采用靜電場仿真分析屏蔽金具對快速機(jī)械開關(guān)斷口間電壓分配特性的影響，對屏蔽金具整體尺寸及部分結(jié)構(gòu)參數(shù)與布置方式對斷口間電壓分配特性的影響規(guī)律進(jìn)行研究，并根據(jù)仿真結(jié)果對屏蔽金具結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，所得結(jié)論如下:

1)在混合式直流斷路器各組件中，屏蔽金具對斷口間電壓分配的影響最大，而電力電子模塊與能量吸收模塊對斷口間電壓分配的影響相對較小。

2)靜電場仿真結(jié)果表明，改變高壓側(cè)的屏蔽金具結(jié)構(gòu)參數(shù)對斷口間的電壓分配特性影響較大，因此縮短頂層屏蔽罩與快速機(jī)械開關(guān)單元靜觸頭之間的距離，以及采用全封閉頂層屏蔽罩結(jié)構(gòu)對改善斷口間的均壓效果更加明顯，而改變板狀屏蔽罩的寬度對均壓效果的影響相對較小。

3)在保證絕緣間隙距離滿足要求的情況下，提出了混合式直流斷路器屏蔽金具結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化方案，對±200 kV混合式直流斷路器的屏蔽金具結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。優(yōu)化后的高壓側(cè)斷口1的分壓比為52.32%，較未優(yōu)化時承擔(dān)電壓比例下降了12.76%，且屏蔽金具表面場強(qiáng)均小于起暈控制場強(qiáng)，可為快速機(jī)械開關(guān)的均壓設(shè)計提供指導(dǎo)。