基于恢復(fù)電壓的高壓斷路器斷口電場(chǎng)狀態(tài)分析

潘世巖 馬 明

1.南京合繼思瑞電力科技有限公司 南京 210015 2.正泰電氣股份有限公司 上海 201614

1 研究背景

高壓斷路器是電力系統(tǒng)重要的開(kāi)關(guān)設(shè)備,起到保護(hù)電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行,開(kāi)斷關(guān)合各類(lèi)故障電流、保障運(yùn)維人員及其他設(shè)備的安全。型式試驗(yàn)中重要的試驗(yàn)項(xiàng)目是驗(yàn)證高壓斷路器是否具備開(kāi)斷關(guān)合各類(lèi)故障短路電流的能力。按GB/T 1984—2014《高壓交流斷路器》標(biāo)準(zhǔn)要求,在額定短路電流開(kāi)斷試驗(yàn)中,當(dāng)短路電流過(guò)零點(diǎn)時(shí),按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定需要在高壓斷路器的一側(cè)加載恢復(fù)電壓,此時(shí)高壓斷路器斷口間的絕緣介質(zhì)需要耐受上升率極高的恢復(fù)電壓而不被電壓擊穿,從而使額定短路電流無(wú)法重燃或重?fù)舸?才能確定高壓斷路器有效開(kāi)斷該額定短路電流。

按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,恢復(fù)電壓由包括時(shí)間、電壓幅值在內(nèi)的四參數(shù)法確定,試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中,針對(duì)不同工況,開(kāi)斷短路電流有多種方式,高壓斷路器只有通過(guò)全部方式的試驗(yàn),才能被認(rèn)定為通過(guò)試驗(yàn)。為了節(jié)約試驗(yàn)時(shí)間,避免重復(fù)試驗(yàn),試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定當(dāng)高壓斷路器動(dòng)側(cè)與靜側(cè)為非對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)時(shí),在開(kāi)斷100%額定短路電流對(duì)稱(chēng)分量試驗(yàn)(T100s)與開(kāi)斷100%額定短路電流非對(duì)稱(chēng)分量試驗(yàn)(T100a)試驗(yàn)方式下,需采用相反的接線方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。兩種額定短路電流開(kāi)斷試驗(yàn)因試驗(yàn)短路電流形態(tài)不同,會(huì)造成高壓斷路器短燃弧時(shí)間上的差異,從而因恢復(fù)電壓加載不同造成高壓斷路器未處于最為嚴(yán)酷的試驗(yàn)條件下,無(wú)法確認(rèn)高壓斷路器性能是否覆蓋所有工況。

綜上所述,為了研究恢復(fù)電壓不同加載方式對(duì)高壓斷路器開(kāi)斷試驗(yàn)的影響,獲得高壓斷路器處于最嚴(yán)苛試驗(yàn)條件下斷口間電場(chǎng)分步狀態(tài),以便設(shè)計(jì)有利于高壓斷路器的絕緣結(jié)構(gòu)。筆者通過(guò)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中的允許公差計(jì)算可接受的最嚴(yán)苛的恢復(fù)電壓包絡(luò)線,建立恢復(fù)電壓參數(shù)中對(duì)應(yīng)的時(shí)間參數(shù),結(jié)合高壓斷路器運(yùn)動(dòng)位置模型,通過(guò)有限元方法計(jì)算恢復(fù)電壓不同加載方式下的電場(chǎng)狀態(tài)及斷口間電場(chǎng)狀態(tài)。研究結(jié)果可以判斷何種接線方式在開(kāi)斷試驗(yàn)中更為嚴(yán)酷,通過(guò)電場(chǎng)狀態(tài)及斷口間電場(chǎng)狀態(tài),為絕緣介質(zhì)的流向與流速設(shè)計(jì)提供參考,并提供理論上的判斷條件。

2 恢復(fù)電壓與建模

當(dāng)流經(jīng)高壓斷路器的短路電流熄滅時(shí),在高壓斷路器斷口間產(chǎn)生的電壓稱(chēng)為恢復(fù)電壓,又因高壓斷路器所在的電氣回路及高壓斷路器自身特性,恢復(fù)電壓由起始瞬態(tài)恢復(fù)電壓、瞬態(tài)恢復(fù)電壓及工頻恢復(fù)電壓組成并連續(xù)產(chǎn)生。在實(shí)際試驗(yàn)環(huán)境下,高壓斷路器額定短路電流開(kāi)斷試驗(yàn)多采用合成試驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn),即短路電流源與恢復(fù)電壓源由兩組電力設(shè)備提供。理想的恢復(fù)電壓加載方式如圖1所示,短路電流過(guò)零時(shí)刻高壓斷路器如圖2所示?；謴?fù)電壓波形的每一部分都會(huì)影響高壓斷路器的開(kāi)斷能力,當(dāng)恢復(fù)電壓加載時(shí),由于高壓斷路器尚未完成分閘動(dòng)作,短路電流因經(jīng)過(guò)零點(diǎn)暫時(shí)熄滅,此時(shí)高壓斷路器動(dòng)側(cè)與靜側(cè)之間的距離非常近,加之恢復(fù)電壓具有較高的上升速率,兩側(cè)間的狹小空間使得絕緣介質(zhì)瞬間恢復(fù),此時(shí)絕緣介質(zhì)在相應(yīng)電場(chǎng)下的恢復(fù)能力是否能阻止電流的復(fù)燃,成為決定高壓斷路器是否可以完成試驗(yàn)的關(guān)鍵。

2.1 起始瞬態(tài)恢復(fù)電壓參數(shù)

某高壓斷路器進(jìn)行T100s額定短路電流開(kāi)斷試驗(yàn),試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定起始瞬態(tài)恢復(fù)電壓參數(shù)中,額定電壓Ur為252 kV,額定短路開(kāi)斷電流Isc為50 kA,首開(kāi)極因數(shù)kpp為1.3,短路開(kāi)斷電流乘數(shù)fi為0.069 kV/kA,開(kāi)斷時(shí)間ti為0.6μs。

圖1 恢復(fù)電壓加載方式

圖2 短路電流過(guò)零時(shí)刻高壓斷路器

起始瞬態(tài)恢復(fù)電壓Us為:

Us=Iscfi

(1)

計(jì)算得到起始瞬態(tài)恢復(fù)電壓Us為3.45 kV。

因試驗(yàn)環(huán)境的復(fù)雜性及高壓斷路器自身的電氣特性,試驗(yàn)回路不可避免會(huì)產(chǎn)生公差,為保證公差在可接受的范圍內(nèi),且不會(huì)影響被試驗(yàn)高壓斷路器試驗(yàn)參數(shù)的準(zhǔn)確性,試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定對(duì)于恢復(fù)電壓,峰值電壓允許公差范圍Δu為0～5%、上升率ΔdU/dt為0～8%,未超過(guò)公差范圍的試驗(yàn)被認(rèn)為是有效的,所以當(dāng)試驗(yàn)參數(shù)達(dá)到最大公差值時(shí),可以認(rèn)為被試高壓斷路器處于最苛刻的試驗(yàn)條件下,由此電壓修正公式為:

Uimax=UiΔu

(2)

式中:Ui為各標(biāo)準(zhǔn)電壓;Uimax為修正后的各電壓最高幅值。

根據(jù)式(2),起始瞬態(tài)恢復(fù)電壓最高幅值Usmax可以修正為:

Usmax=3.45×105%=3.622 5 kV

試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的瞬態(tài)恢復(fù)電壓參數(shù)見(jiàn)表1。

按式(2)修正各項(xiàng)電壓參數(shù)如下:

U1max=201×105%=211.05 kV

Ucmax=374×105%=392.7 kV

U2max=100×105%=105 kV

表1 瞬態(tài)恢復(fù)電壓參數(shù)

上升率修正公式為:

(3)

按式(3)修正上升率為:

(dU/dt)TFmax=2×108%=2.16 kV/μs

同時(shí),有:

(dU/dt)TF=U1/t1

(4)

則:

t1=U1/(dU/dt)TF

(5)

按式(5)計(jì)算t1為:

t1=211.05/2.16≈97.7μs

2.2 工頻恢復(fù)電壓參數(shù)

(6)

按式(2)及式(6)計(jì)算修正后的工頻恢復(fù)電壓最大值Emax為:

可以理解為工頻恢復(fù)電壓達(dá)到198.6 kV后持續(xù)下降,因工頻恢復(fù)電壓出現(xiàn)在瞬態(tài)恢復(fù)電壓之后,此時(shí)斷口間距離隨高壓斷路器動(dòng)側(cè)運(yùn)動(dòng)增大,電場(chǎng)強(qiáng)度隨之下降,在絕緣氣體絕緣能力不降低的前提下,可以忽略此時(shí)電場(chǎng)對(duì)絕緣氣體的擊穿。

2.3 恢復(fù)電壓參數(shù)

基于對(duì)起始瞬態(tài)恢復(fù)電壓、瞬態(tài)恢復(fù)電壓及工頻恢復(fù)電壓的參數(shù)確定,按時(shí)間繪制試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中可以接受的最苛刻的恢復(fù)電壓參數(shù)包絡(luò)線,見(jiàn)表2。只有當(dāng)高壓斷路器在進(jìn)行T100s額定短路電流開(kāi)斷試驗(yàn)時(shí)絕緣介質(zhì)能夠耐受各參考點(diǎn)下加載的恢復(fù)電壓所形成的電場(chǎng)強(qiáng)度,才可以證明高壓斷路器可以完成對(duì)應(yīng)額定短路電流的開(kāi)斷動(dòng)作,并且不會(huì)發(fā)生重燃。

表2 恢復(fù)電壓參數(shù)

3 高壓斷路器運(yùn)動(dòng)模型

結(jié)合已有的高壓斷路器研制經(jīng)驗(yàn),該高壓斷路器預(yù)計(jì)設(shè)計(jì)最短燃弧時(shí)間為8.7 ms,采用彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu),分閘速度設(shè)計(jì)為8 m/s。從操動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真計(jì)算及摸底試驗(yàn)中證明,在額定短路電流開(kāi)斷過(guò)程中,短路電流的電動(dòng)力對(duì)斷路器機(jī)械特性影響非常小,可以采用在勻速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下來(lái)計(jì)算高壓斷路器的空間位置。

最短燃弧時(shí)間所對(duì)應(yīng)的高壓斷路器動(dòng)側(cè)運(yùn)動(dòng)距離l1為:

l1=l2+l3

(7)

式中:l2為接觸行程,取28 mm;l3為燃弧行程,取69.5 mm。

計(jì)算得到高壓斷路器的動(dòng)側(cè)運(yùn)動(dòng)距離為97.5 mm,按恢復(fù)電壓模型中的關(guān)鍵時(shí)間點(diǎn)計(jì)算高壓斷路器動(dòng)側(cè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)距離,見(jiàn)表3。同時(shí)增加繼續(xù)運(yùn)動(dòng)時(shí)間0.1 ms下的相對(duì)運(yùn)動(dòng)距離,作為計(jì)算電場(chǎng)強(qiáng)度發(fā)展的觀察點(diǎn)。

表3 高壓斷路器動(dòng)側(cè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)距離

4 恢復(fù)電壓下電場(chǎng)狀態(tài)

由表3確定恢復(fù)電壓參數(shù)作為邊界條件,采用有限元法分別對(duì)高壓斷路器動(dòng)側(cè)與靜側(cè)加載,進(jìn)行電場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)算。在高壓斷路器相對(duì)運(yùn)動(dòng)距離101.5 mm及102.3 mm處加載高于試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求的恢復(fù)電壓Uc,一方面可以考量高壓斷路器試驗(yàn)中可能存在分閘時(shí)間漂移的情況,另一方面便于判斷電場(chǎng)強(qiáng)度的發(fā)展方向。

4.1 恢復(fù)電壓加載于高壓斷路器動(dòng)側(cè)電場(chǎng)強(qiáng)度

高壓斷路器動(dòng)側(cè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)至97.504 8 mm、97.916 mm、98.281 6 mm、100.7 mm、101.5 mm、102.3 mm,恢復(fù)電壓加載于高壓斷路器動(dòng)側(cè)時(shí)的電場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果如圖3～圖8所示。

圖3 恢復(fù)電壓加載于動(dòng)側(cè),運(yùn)動(dòng)至97.504 8 mm電場(chǎng)強(qiáng)度

圖4 恢復(fù)電壓加載于動(dòng)側(cè),運(yùn)動(dòng)至97.916 mm電場(chǎng)強(qiáng)度

4.2 恢復(fù)電壓加載于高壓斷路器靜側(cè)電場(chǎng)強(qiáng)度

高壓斷路器動(dòng)側(cè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)至97.504 8 mm、97.916 mm、98.281 6 mm、100.7 mm、101.5 mm、102.3 mm,恢復(fù)電壓加載于高壓斷路器靜側(cè)時(shí)的電場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果如圖9～圖14所示。

4.3 恢復(fù)電壓不同加載方式比較

恢復(fù)電壓加載于高壓斷路器靜側(cè)與動(dòng)側(cè)電場(chǎng)強(qiáng)度最高值比較如圖15所示。當(dāng)高壓斷路器處于相同位置時(shí),恢復(fù)電壓加載靜側(cè)時(shí)的電場(chǎng)強(qiáng)度最高值大于加載動(dòng)側(cè)時(shí)的電場(chǎng)強(qiáng)度最高值,恢復(fù)電壓加載靜側(cè)時(shí),高壓斷路器處于最嚴(yán)酷的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中,證明該高壓斷路器的開(kāi)斷能力可以覆蓋T100s額定短路電流開(kāi)斷試驗(yàn)所需證明的所有工況。

圖5 恢復(fù)電壓加載于動(dòng)側(cè),運(yùn)動(dòng)至98.281 6 mm電場(chǎng)強(qiáng)度

圖6 恢復(fù)電壓加載于動(dòng)側(cè),運(yùn)動(dòng)至100.7 mm電場(chǎng)強(qiáng)度

圖7 恢復(fù)電壓加載于動(dòng)側(cè),運(yùn)動(dòng)至101.5 mm電場(chǎng)強(qiáng)度

圖8 恢復(fù)電壓加載于動(dòng)側(cè),運(yùn)動(dòng)至102.3 mm電場(chǎng)強(qiáng)度

圖9 恢復(fù)電壓加載于靜側(cè),運(yùn)動(dòng)至97.504 8 mm電場(chǎng)強(qiáng)度

圖10 恢復(fù)電壓加載于靜側(cè),運(yùn)動(dòng)至97.916 mm電場(chǎng)強(qiáng)度

圖11 恢復(fù)電壓加載于靜側(cè),運(yùn)動(dòng)至98.281 6 mm電場(chǎng)強(qiáng)度

圖12 恢復(fù)電壓加載于靜側(cè),運(yùn)動(dòng)至100.7 mm電場(chǎng)強(qiáng)度

圖13 恢復(fù)電壓加載于靜側(cè),運(yùn)動(dòng)至101.5 mm電場(chǎng)強(qiáng)度

圖14 恢復(fù)電壓加載于靜側(cè),運(yùn)動(dòng)至102.3 mm電場(chǎng)強(qiáng)度

圖15 恢復(fù)電壓加載電場(chǎng)強(qiáng)度最高值比較

5 恢復(fù)電壓下斷口間電場(chǎng)狀態(tài)

高壓斷路器動(dòng)側(cè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)至97.504 8 mm、97.916 mm、98.281 6 mm、100.7 mm、101.5 mm、102.3 mm,恢復(fù)電壓加載于高壓斷路器靜側(cè),斷口間最短距離下電場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果如圖16～圖21所示。

圖16 運(yùn)動(dòng)至97.504 8 mm斷口間電場(chǎng)強(qiáng)度

圖17 運(yùn)動(dòng)至97.916 mm斷口間電場(chǎng)強(qiáng)度

圖18 運(yùn)動(dòng)至98.281 6 mm斷口間電場(chǎng)強(qiáng)度

恢復(fù)電壓加載于高壓斷路器靜側(cè)時(shí),各時(shí)間點(diǎn)斷口間最短距離下的電場(chǎng)強(qiáng)度范圍如圖22所示。在T100s額定短路電流開(kāi)斷試驗(yàn)中,當(dāng)短路電流過(guò)零點(diǎn)熄滅后,絕緣介質(zhì)需要迅速填充斷口間的空間并耐受快速上升的恢復(fù)電壓所形成的電場(chǎng),此時(shí)絕緣介質(zhì)的流速、流向直接決定了空間電場(chǎng)的耐受能力,高壓斷路器是否具備開(kāi)斷能力,需要有電場(chǎng)強(qiáng)度范圍作為設(shè)計(jì)基礎(chǔ),從而避免因絕緣介質(zhì)無(wú)法耐受恢復(fù)電壓造成短路電流的重燃而導(dǎo)致的試驗(yàn)失敗。

圖19 運(yùn)動(dòng)至100.7 mm斷口間電場(chǎng)強(qiáng)度

圖20 運(yùn)動(dòng)至101.5 mm斷口間電場(chǎng)強(qiáng)度

圖21 運(yùn)動(dòng)至102.3 mm斷口間電場(chǎng)強(qiáng)度

圖22 斷口間最短距離電場(chǎng)強(qiáng)度范圍

6 結(jié)束語(yǔ)

筆者通過(guò)對(duì)T100s額定短路電流開(kāi)斷試驗(yàn)中恢復(fù)電壓進(jìn)行公差修正,得到最苛刻條件下的恢復(fù)電壓模型。通過(guò)建立相應(yīng)時(shí)間下高壓斷路器的運(yùn)動(dòng)模型進(jìn)行空間電場(chǎng)及斷口間電場(chǎng)狀態(tài)的分析,結(jié)論如下:高壓斷路器恢復(fù)電壓加載于靜側(cè)時(shí)電場(chǎng)強(qiáng)度高于恢復(fù)電壓加載于動(dòng)側(cè)時(shí),設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)以恢復(fù)電壓加載于高壓斷路器靜側(cè)為設(shè)計(jì)及驗(yàn)證條件。對(duì)高壓斷路器斷口間電場(chǎng)狀態(tài)研究可以表明,對(duì)絕緣介質(zhì)恢復(fù)特性設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)以在恢復(fù)電壓加載下高壓斷路器斷口間的絕緣介質(zhì)所承受的電場(chǎng)強(qiáng)度為設(shè)計(jì)條件。這一研究方法為已設(shè)計(jì)完成的高壓斷路器是否具備完成T100s額定短路電流開(kāi)斷試驗(yàn)提供了一種有效途徑,在改變相應(yīng)的恢復(fù)電壓要求后,也適用于T100s額定短路電流開(kāi)斷試驗(yàn)以外的其它短路電流開(kāi)斷試驗(yàn)檢驗(yàn)方法。