環(huán)保氣體用于全封閉隔離開關(guān)試驗(yàn)研究

國網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力有限公司赤峰供電公司 王乾力 楊香來 國網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力有限公司 王遠(yuǎn)東 曹 陽 李海明

國網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力有限公司通遼供電公司 劉 斌 西安西電伊頓電力科技有限公司 張肇雷 楊雪麗

變電站在現(xiàn)代化發(fā)展過程中，為保證高壓輸電設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，開始廣泛采用隔離開關(guān)實(shí)現(xiàn)電力隔離[1]。從實(shí)踐應(yīng)用效果來看，當(dāng)前戶外隔離開關(guān)存在設(shè)計(jì)工藝標(biāo)準(zhǔn)較低、絕緣介質(zhì)選取不合理等問題，極易引發(fā)隔離開關(guān)運(yùn)行故障[2]。以降低隔離開關(guān)故障發(fā)生頻率為目標(biāo)，近年來提出選用環(huán)保氣體作為絕緣介質(zhì)，再以此為核心設(shè)計(jì)全封閉隔離開關(guān)結(jié)構(gòu)。但是，目前全封閉隔離開關(guān)設(shè)計(jì)過程中，對環(huán)保氣體應(yīng)用效果的研究還不夠深入，阻礙了隔離開關(guān)的推廣應(yīng)用。因此，需要開展環(huán)保氣體用于全封閉隔離開關(guān)試驗(yàn)研究。

文獻(xiàn)[3]深入分析電壓隔離開關(guān)的組成結(jié)構(gòu)，運(yùn)用AnsysWorkbench仿真軟件建立有限元分析模型，并獲取隔離開關(guān)的物理場耦合特點(diǎn)。根據(jù)應(yīng)用環(huán)境溫度考和風(fēng)速，獲取全封閉隔離開關(guān)的應(yīng)用性能。但是，該方法研究結(jié)果誤差較大。文獻(xiàn)[4]從隔離開關(guān)分段速度等參數(shù)入手，建立開關(guān)性能分析模型。根據(jù)隔離開關(guān)的絕緣能力需求，設(shè)計(jì)多斷口結(jié)構(gòu)布局，形成以場路耦合為基礎(chǔ)的斷口均壓方案，將上述設(shè)計(jì)的超多斷口隔離開關(guān)，應(yīng)用在選定回路上，獲取試驗(yàn)結(jié)果。但是，該試驗(yàn)結(jié)果存在片面性。文獻(xiàn)[5]依據(jù)隔離開關(guān)的組成結(jié)構(gòu)，構(gòu)建氣體模型和磁流體動力學(xué)模型，施加不同充氣壓力后，計(jì)算隔離開關(guān)應(yīng)用過程中的燃弧性能。但是，該試驗(yàn)方法耗時(shí)較長。

本文針對環(huán)保氣體用于全封閉隔離開關(guān)的效果，進(jìn)行試驗(yàn)研究。通過試驗(yàn)樣機(jī)制作、試驗(yàn)回路設(shè)計(jì)兩個步驟，完成本次試驗(yàn)研究的準(zhǔn)備工作。再從燃弧性能、絕緣性能、開斷性能、耐溫性能四方面分別進(jìn)行測試，獲取全面的研究結(jié)果。

1 試驗(yàn)樣機(jī)制作

參考門型全封閉隔離開關(guān)，制作試驗(yàn)研究所需的樣機(jī)。其中，選用環(huán)保氣體作為主要絕緣介質(zhì)，再應(yīng)用硅橡膠復(fù)合套管作為外部絕緣裝置，最終形成的全封閉隔離開關(guān)結(jié)構(gòu)如圖1所示。按照圖1門型隔離開關(guān)結(jié)構(gòu)制作試驗(yàn)樣機(jī)，該設(shè)備總高度為2500mm。制作過程中，采用高度為1200mm的錐形絕緣套管，并在其中添加接地?cái)嗫?，搭建支撐絕緣子結(jié)構(gòu)，達(dá)到增強(qiáng)隔離開關(guān)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的目的。根據(jù)220kV變電站內(nèi)斷路器滅弧室所應(yīng)用的復(fù)合絕緣套管，制作高度為1000mm的同款隔離斷口套管。在絕緣套管內(nèi)部合理布置隔離斷口，形成三工位門型全封閉隔離開關(guān)。

圖1 門型隔離開關(guān)結(jié)構(gòu)圖

此外，試驗(yàn)樣機(jī)制作過程中，由于開關(guān)隔離斷口處于復(fù)合絕緣套管內(nèi)部，接地開關(guān)位于兩側(cè)錐形絕緣套管內(nèi)部，所以設(shè)置左側(cè)接地開關(guān)和隔離斷口應(yīng)用相同的傳動系統(tǒng)和接地開關(guān)，而右側(cè)接地開關(guān)采用獨(dú)立的接地開關(guān)。由于本次試驗(yàn)研究制作的樣機(jī)是門型結(jié)構(gòu)，屬于全封閉隔離開關(guān)的變種設(shè)計(jì)，所以相比傳統(tǒng)隔離開關(guān)結(jié)構(gòu)，需要經(jīng)歷兩個演變步驟。首先，從下接線端合適位置彎曲接地開關(guān)，形成L形隔離接地開關(guān)，再將其與單接地開關(guān)進(jìn)行組合處理，形成門型雙接地結(jié)構(gòu)。其中，隔離斷口的靜端、動端結(jié)主要結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 隔離斷口靜、動端結(jié)構(gòu)圖示

支架和表計(jì)氣路裝配，是全封閉隔離開關(guān)設(shè)計(jì)的兩項(xiàng)重要組成部分之一，本次試驗(yàn)設(shè)置支架裝配結(jié)構(gòu)尺寸為250mm×250mm×1150mm，支架主體和斜筋均采用∠80×80×10的角鋼。密度表的連接氣路如圖3所示。

圖3 氣路示意圖

通過上述設(shè)計(jì)，完成以環(huán)保氣體為主絕緣的全封閉隔離開關(guān)樣機(jī)，為了便于后續(xù)試驗(yàn)分析，設(shè)置全封閉隔離開關(guān)樣機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

將開關(guān)樣機(jī)看作本次試驗(yàn)研究的主要對象，應(yīng)用在試驗(yàn)回路內(nèi)，進(jìn)行全方位測試，獲取環(huán)保氣體用于全封閉隔離開關(guān)的應(yīng)用效果。

2 試驗(yàn)回路設(shè)計(jì)

為保證本次試驗(yàn)的順利進(jìn)行，按照全封閉隔離開關(guān)實(shí)際應(yīng)用環(huán)境，設(shè)計(jì)試驗(yàn)回路。其中，隔離開關(guān)母線轉(zhuǎn)換電流為1600A，而氣體絕緣母線、空氣絕緣母線的轉(zhuǎn)換電壓分別為50V、115V。設(shè)置瞬態(tài)恢復(fù)電壓的波形變化，呈現(xiàn)出振蕩衰減趨勢，且振幅系數(shù)高于1.5，振幅頻率高于15kHz。同時(shí)，為了確保設(shè)計(jì)的試驗(yàn)回路滿足環(huán)保氣體用于全封閉隔離開關(guān)試驗(yàn)研究需求，應(yīng)用小容量溫升變壓器充當(dāng)試驗(yàn)電源，得到圖4所示的最終開斷試驗(yàn)回路。

圖4 試驗(yàn)回路

圖4中，L表示用來試驗(yàn)電流的電感，T表示溫升變壓器，LT表示變壓器短路電感，R表示電阻，RT表示變壓器直流電阻，V表示TRV調(diào)節(jié)單元電壓有效值，U表示穩(wěn)態(tài)電壓，C表示調(diào)節(jié)單元參數(shù)。

圖4所示的試驗(yàn)回路應(yīng)用時(shí)，當(dāng)開關(guān)拉弧處于開斷狀態(tài)，試驗(yàn)回路內(nèi)剩余能量會外泄處理，生成TRV調(diào)節(jié)單元。為了避免試驗(yàn)回路出現(xiàn)故障影響研究結(jié)果出現(xiàn)偏差，在正式試驗(yàn)研究之前，測量試驗(yàn)回路正常狀態(tài)下的試驗(yàn)電流和電壓波形穩(wěn)態(tài)值。利用泰克P2220探頭和工頻電流互感器進(jìn)行測量，得到回路的最大電壓值為350V，最大電流值為10kA。

試驗(yàn)回路內(nèi)溫升變壓器是核心組成部分，由4個繞組串聯(lián)組成，且每個繞組的最高輸出電壓值為35V，試驗(yàn)研究過程中，通過單個繞組獲取溫升變壓器輸出值，設(shè)置溫升變壓器短路阻抗計(jì)算公式為：

式中，ZT表示溫升變壓器短路阻抗。

利用公式（1）進(jìn)行計(jì)算可知，試驗(yàn)回路的變壓器短路阻抗值為0.50mΩ，變壓器直流電阻值為0.37mΩ，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行試驗(yàn)回路總阻抗計(jì)算公式：

式中，Z表示試驗(yàn)回路總阻抗。

根據(jù)上述計(jì)算得出的回路電流值、電壓值、阻抗值等信息，運(yùn)用ATP-EMTP軟件建立仿真模擬回路，得到開斷前后隔離開關(guān)電流、電壓波形變化情況，如圖5所示。以圖5中電流和電壓波形圖為參考，確保試驗(yàn)研究過程中試驗(yàn)回路保持正常狀態(tài)，將試驗(yàn)回路與全封閉隔離開關(guān)樣機(jī)相連接，明確環(huán)保氣體作為主要絕緣體后，隔離開關(guān)的應(yīng)用性能。

圖5 開斷前后隔離開關(guān)電流、電壓波形圖

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 燃弧性能分析

全封閉隔離開關(guān)工作時(shí)，通過燃弧作用產(chǎn)生高頻率的操作過電壓，從而實(shí)現(xiàn)電力隔離。以環(huán)保氣體為核心的全封閉隔離開關(guān)的應(yīng)用效果研究過程中，燃弧性能分析是主要方向之一。驅(qū)動試驗(yàn)電路和試驗(yàn)樣機(jī)，觀察電弧燃燒時(shí)形態(tài)變化。本次試驗(yàn)向全封閉隔離開關(guān)分別施加0.6MPa、0.8MPa充氣壓力，選定2ms、4ms、6ms、8ms四個時(shí)刻，獲取圖6所示的隔離開關(guān)內(nèi)環(huán)保氣體氣室內(nèi)部溫度分布云圖，明確電弧形態(tài)特征。

根據(jù)圖6可知，從整體來看隨著全封閉隔離開關(guān)工作時(shí)間的延長，環(huán)保氣體電弧溫度擴(kuò)展范圍不斷增大。當(dāng)隔離開關(guān)的燃弧時(shí)刻為2ms時(shí)，觸頭呈現(xiàn)出拉開狀態(tài)，兩種充氣壓力條件下電弧都表現(xiàn)出膨脹趨勢，如圖6（a1）和圖6（b1）所示。電弧膨脹半徑的擴(kuò)張，使得隔離開關(guān)內(nèi)環(huán)保氣體轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷貧怏w，并聚集在動靜觸頭之間的區(qū)域，而觸頭空心區(qū)域是高溫環(huán)保氣體的主要流向方向。但是，0.6MPa充氣壓力下電弧最高溫度為16500K，而0.8MPa充氣壓力下電弧最高溫度僅為10500K。

圖6 不同氣壓下環(huán)保氣體電弧溫度分布云圖

當(dāng)燃弧時(shí)間為4ms和6ms時(shí)，短路電流表現(xiàn)出持續(xù)擴(kuò)展特點(diǎn)，引起電弧能量注入量的增長，作為主絕緣體的環(huán)保氣體受熱膨脹，使得高溫氣體進(jìn)一步擴(kuò)散。但是，由于觸頭間距變大能量耗散強(qiáng)度較高，電弧高溫區(qū)域增長并不明顯。

最后，燃弧8ms時(shí)試驗(yàn)回路內(nèi)電流減弱到0.58kA，僅存在極少的電弧輸入能量。0.6MPa和0.8MPa條件下，環(huán)保氣體電弧高溫區(qū)域依舊在擴(kuò)散，整體來看0.8MPa時(shí)高溫區(qū)域明顯要低于0.6MPa。因此，壓強(qiáng)的增加可以有效抑制電弧燃燒，調(diào)整開關(guān)的燃弧性能。

3.2 開斷性能分析

由于本次試驗(yàn)研究的樣機(jī)是以環(huán)保氣體作為主絕緣體，為了更好地體現(xiàn)全封閉隔離開關(guān)的開斷性能，設(shè)置不同的環(huán)保氣體混合比，形成表2所示的4組試驗(yàn)對比組，并在160V、2200A條件下，展開100次開斷試驗(yàn)。

表2 開斷性能試驗(yàn)相關(guān)方案

針對表2所示的多個試驗(yàn)方案，進(jìn)行全封閉隔離開關(guān)開斷性能測試，記錄每個試驗(yàn)方案下對應(yīng)燃弧時(shí)間，形成圖7所示的燃弧時(shí)間對比結(jié)果。根據(jù)圖7可知，所有環(huán)保氣體混合比條件下，燃弧時(shí)間主要集中在10～29ms，且應(yīng)用環(huán)保氣體設(shè)計(jì)的全封閉隔離開關(guān)，相比10%SF6氣體、20%SF6氣體和30%SF6氣體，總體燃弧時(shí)間提升了35%、27%與25%，表明環(huán)保氣體應(yīng)用于全封閉隔離開關(guān)，有效提升了開關(guān)的開斷性能。

圖7 不同氣體的燃弧時(shí)間對比

3.3 絕緣性能分析

針對全封閉隔離開關(guān)，進(jìn)行絕緣性分析，是驗(yàn)證開關(guān)性能的關(guān)鍵內(nèi)容。本次試驗(yàn)選用環(huán)保氣體充當(dāng)絕緣氣體，作為隔離開關(guān)的開斷介質(zhì)。因此，本文從環(huán)?？諝庵羞x擇干燥空氣、氮?dú)夂投趸N氣體，分別充當(dāng)絕緣介質(zhì)，應(yīng)用在試驗(yàn)樣機(jī)中，分別在50Hz工頻環(huán)境下，和雷電沖擊環(huán)境下進(jìn)行耐壓試驗(yàn)，最終得到圖8所示的電壓變化結(jié)果。根據(jù)圖8可知，環(huán)保氣體用于全封閉隔離開關(guān)后，無論是在工頻擊穿電壓條件下，還是在雷電沖擊擊穿電壓條件下，絕緣性能均會隨電壓的升高而提升。工頻擊穿電壓測試結(jié)果顯示，干燥空氣的絕緣性能最高達(dá)到0.5MPa，而氮?dú)夂投趸淖罡呓^緣性能分別為0.47MPa、0.34MPa。雷電沖擊擊穿電壓測試環(huán)境下，干燥空氣的絕緣性能也要高于其他兩種氣體。因此，全封閉隔離開關(guān)設(shè)計(jì)時(shí)，選用干燥空氣作為絕緣介質(zhì)，既符合環(huán)保要求又可以滿足開關(guān)設(shè)備絕緣需求。

圖8 工頻和雷電沖擊擊穿電壓結(jié)果

3.4 耐溫性能分析

高壓隔離開關(guān)工作時(shí)，觸頭接觸壓力是關(guān)鍵參數(shù)之一，也是保證隔離電路不放電的依據(jù)。本次實(shí)驗(yàn)根據(jù)觸頭接觸壓力，分析以環(huán)保氣體為基礎(chǔ)的全封閉隔離開關(guān)后的耐溫性。在試驗(yàn)樣機(jī)的靜觸桿內(nèi)附近，安裝壓力傳感器。通過測試可知，試驗(yàn)環(huán)境內(nèi)自然溫度為16℃，全封閉隔離開關(guān)的額定接觸壓力為4535kg，且接觸壓力范圍為420.5～475.5N。在上述試驗(yàn)環(huán)境中，設(shè)置4個溫度點(diǎn)，分別為-40℃、0℃、20℃與60℃，針對每個溫度點(diǎn)重復(fù)展開壓力檢測，最終得到表3所示的接觸壓力測試結(jié)果。

根據(jù)表3壓力測試結(jié)果可知，全封閉隔離開關(guān)的接觸壓力，會隨著環(huán)境溫度的增長而減小。60℃時(shí)全封閉隔離開關(guān)的平均接觸壓力為297.3N，在-40℃時(shí)動觸頭、靜觸頭之間的接觸壓力值最高，平均接觸壓力為369.2N。相比環(huán)境溫度為60℃時(shí)，接觸壓力增加了18.15%，這表明全封閉隔離開關(guān)的接觸壓力會受到外界因素影響。結(jié)合隔離開關(guān)的工作要求可知，環(huán)保氣體用于全封閉隔離開關(guān)后，隔離開關(guān)的合理工作溫度范圍在-40～40℃，超過這一范圍后，開關(guān)難以發(fā)揮良好的電力隔離效果。

表3 不同溫度下環(huán)保氣體全封閉隔離開關(guān)的接觸壓力

3.5 試驗(yàn)結(jié)果討論

將環(huán)保氣體應(yīng)用在全封閉隔離開關(guān)中，利用試驗(yàn)樣機(jī)和試驗(yàn)回路，分析氣體電弧燃燒過程。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，隔離開關(guān)工作過程中，隨著時(shí)間的增長環(huán)保氣體內(nèi)電弧燃燒范圍不斷擴(kuò)散。同時(shí)，壓強(qiáng)對電弧燃燒具有重要影響，與0.6MPa相比，0.8MPa條件下電弧燃燒范圍更大，但是高溫氣體分布范圍更小。綜上所述，通過向隔離開關(guān)增大壓強(qiáng)，可以促進(jìn)電弧能量耗散并控制電弧燃燒溫度，發(fā)揮更好的電力隔離效果。

在同等試驗(yàn)環(huán)境下，環(huán)保氣體的燃弧時(shí)間，相比10%SF6、20%SF6、30%SF6混合氣體，增長了35%、27%與25%，表明環(huán)保氣體的開斷能力低于不同混合比的SF6氣體，與已知的研究結(jié)果相一致。

以干燥空氣為基礎(chǔ)，建立的全封閉隔離開關(guān)，其絕緣性能會隨著電壓的增長不斷提升，最高達(dá)到了0.5MPa，符合隔離開關(guān)設(shè)計(jì)的絕緣要求。并且，與其他氣體相比，具有更好的絕緣性能。

伴隨著環(huán)境溫度的減小，全封閉隔離開關(guān)的接觸壓力呈現(xiàn)出增加狀態(tài)。參考開關(guān)標(biāo)準(zhǔn)工作要求可知，隔離開關(guān)的最佳工作溫度范圍在-40～40℃，實(shí)際應(yīng)用時(shí)需要考慮這一條件。

4 結(jié)語

為了實(shí)現(xiàn)良好的電力隔離，近年來涌現(xiàn)出多種全封閉隔離開關(guān)，以環(huán)保氣體為核心的隔離開關(guān)逐漸投入應(yīng)用。文中為了了解全封閉隔離開關(guān)的實(shí)際應(yīng)用效果，特展開試驗(yàn)研究。制作試驗(yàn)樣機(jī)和試驗(yàn)回路，搭建試驗(yàn)研究環(huán)境，并從燃弧性能、開斷性能、絕緣性能和耐溫性能四個方面進(jìn)行分析，全方位了解全封閉隔離開關(guān)的工作性能。在本次試驗(yàn)研究過程中，也遇到了部分難以理解的問題，這些問題會對隔離開關(guān)的運(yùn)行穩(wěn)定產(chǎn)生一定影響，未來需要對真空斷路器領(lǐng)域知識深入研究，開展進(jìn)一步試驗(yàn)。