252kV快速斷路器均壓系統(tǒng)優(yōu)化研究

王智勇 韓玉輝 陳 新

252kV快速斷路器均壓系統(tǒng)優(yōu)化研究

王智勇 韓玉輝 陳 新

（常州博瑞電力自動化設(shè)備有限公司，江蘇 常州 213025）

在高電壓等級設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，電場分布是不可忽視的影響因素，因此需在快速斷路器的研發(fā)階段對其電場分布進(jìn)行分析校核。本文以252kV快速斷路器為研究對象，建立三維簡化模型進(jìn)行電場仿真計算，分析均壓裝置的結(jié)構(gòu)、尺寸及安裝距等對電場分布的影響。通過對比研究實現(xiàn)對均壓裝置結(jié)構(gòu)、安裝位置及尺寸的優(yōu)化配置，最終確定選用管母型均壓裝置，管徑為40mm，安裝距為20mm，此方案可將設(shè)備最大電場強度控制在2.3kV/mm以下。本文研究結(jié)果可為產(chǎn)品的優(yōu)化提供參考。

快速斷路器；電場強度；均壓裝置

0 引言

隨著我國電力系統(tǒng)負(fù)荷逐漸增加，大容量機組持續(xù)增多，導(dǎo)致各個電壓等級電網(wǎng)故障時的短路電流不斷增大，這對保障電力系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性和可靠性提出了更高要求[1-4]。在電力系統(tǒng)中裝設(shè)快速斷路器是一種有效的保護措施，然而隨著電力系統(tǒng)運行電壓的提高，快速斷路器和絕緣子支撐結(jié)構(gòu)電場不均勻的問題逐漸凸顯，特別是在高電場強度的區(qū)域內(nèi)會產(chǎn)生電暈等一系列放電現(xiàn)象。

電力系統(tǒng)中設(shè)備發(fā)生電暈而產(chǎn)生的能量損失可忽略不計，但其產(chǎn)生的高頻電磁波會嚴(yán)重干擾無線電通信，并且伴有噪聲，對周圍居民和電子設(shè)備產(chǎn)生危害[5-8]；此外，在電暈的影響下，電力設(shè)備中的絕緣材料會加速老化，導(dǎo)致其電、力、熱學(xué)性能大大下降[9-10]。因此，高壓系統(tǒng)中快速斷路器在正常運行情況下的電場分布、電暈放電等問題，成為結(jié)構(gòu)設(shè)計階段不可忽視的因素。

目前，國內(nèi)外專家針對上述問題進(jìn)行了廣泛的探討和研究，主要采用安裝均壓裝置的方法改善電場強度集中的情況[11-14]。但是，均壓裝置的均壓效果受結(jié)構(gòu)參數(shù)和環(huán)境影響較大，暫無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。本文以252kV快速斷路器為研究對象，建立三維模型，運用有限元仿真計算獲得整機的電場分布特征，對252kV快速斷路器不同參數(shù)下的均壓裝置進(jìn)行對比分析，以得到最優(yōu)的均壓裝置配置方案。

1 252kV快速斷路器結(jié)構(gòu)

252kV快速斷路器拓?fù)淙鐖D1所示，整個系統(tǒng)每一相由四個40.5kV的真空滅弧室串聯(lián)而成，每個真空滅弧室并聯(lián)一個均壓電容，保證在開斷過程中每個斷口的電壓相等。

C—均壓電容 QF—40.5kV真空滅弧室

單臺252kV快速斷路器三維結(jié)構(gòu)如圖2所示。兩臺真空滅弧室和兩臺均壓電容安裝在快速斷路器的操動機構(gòu)箱上，整機的操動機構(gòu)箱各邊角和底部支撐槽鋼邊角分別安裝有均壓裝置，整個操動機構(gòu)箱安裝在一根支撐套管上?？焖贁嗦菲髦黧w高度4.75m，主體安裝在高2.5m的金屬支柱上，總高7.25m。

圖2 單臺252kV快速斷路器三維結(jié)構(gòu)

2 計算方法和計算模型

利用有限元分析工具對252kV快速斷路器進(jìn)行電場仿真計算和分析。

2.1 有限元靜電場分析理論

靜電場是一種有源無旋場，相應(yīng)的麥克斯韋方程組及本構(gòu)關(guān)系為

（2）

式中：為電場強度；為電位移矢量；為電荷密度；為材料介電常數(shù)；為標(biāo)量電勢。

由上述公式可得

式（5）為靜電場求解器進(jìn)行有限元求解的基本方程。

2.2 模型建立與參數(shù)設(shè)置

對252kV快速斷路器按照實際模型進(jìn)行簡化建模，包括支撐套管、操動機構(gòu)箱、真空滅弧室、均壓電容等，252kV快速斷路器簡化模型如圖3所示。由于本文主要研究箱體四周安裝的均壓裝置，故對真空滅弧室和支撐套管外部的傘群進(jìn)行簡化，并對柜體的外觀進(jìn)行簡化，保留柜體的基本尺寸和倒角等，對柜體內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化去除。

圖3 252kV快速斷路器簡化模型

本文主要研究均壓裝置的管徑和安裝距對電場分布的影響。半圓型與管母型均壓裝置示意圖如圖4所示。

圖4 半圓型與管母型均壓裝置示意圖

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)，252kV快速斷路器額定絕緣水平見表1。仿真所需材料相對介電常數(shù)見表2。

2.3 邊界條件設(shè)置

在仿真時，除將252kV快速斷路器模型進(jìn)行簡化外，還需建立求解域。根據(jù)實際安裝情況，設(shè)備為高電位，地面為零電位，四周除地面外，采用開放邊界條件，即無限遠(yuǎn)處為零電位。根據(jù)斷路器電壓等級252kV，其在該電壓等級下的安全距離為1.8m，故在設(shè)置模型時，在半徑方向的距離大于1.8m，設(shè)備高度為7.25m，求解域高度大于設(shè)備高度即可，故本文建立一個高度為8m、直徑為6m的空氣域進(jìn)行仿真計算。為簡化運算，將模型對稱分割，得到快速斷路器求解域如圖5所示，在分割面處添加偶對稱邊界條件，空氣域外邊界采用開放邊界，底部邊界設(shè)置為零電位。

表1 252kV快速斷路器額定絕緣水平 單位: kV

表2 材料相對介電常數(shù)

圖5 快速斷路器求解域

2.4 許用電場強度的選取

根據(jù)電介質(zhì)理論，要使導(dǎo)體表面產(chǎn)生電暈放電，需要導(dǎo)體表面電場強度達(dá)到起暈要求。為了防止電暈發(fā)生，需要將整體電場強度控制在起暈場強以下，而起暈場強目前沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。由于起暈場強因海拔高度不同而不同，故本文參考高海拔控制電場強度修正法計算起暈控制電場強度[15-17]，如式（6）所示。

式中：0為零海拔下金具表面起暈場強；1為海拔修正系數(shù)；2為安全裕度系數(shù)，取1.4。

根據(jù)球、環(huán)、防振錘及均壓屏蔽環(huán)的計算結(jié)果可知，在零海拔條件下，金具表面電場強度達(dá)到40kV/cm左右時[15]，會發(fā)生電暈放電，因此以該值作為場強修正法的基準(zhǔn)起暈場強。

依據(jù)國網(wǎng)電力科學(xué)院等機構(gòu)的試驗結(jié)果及國內(nèi)外海拔修正的相關(guān)經(jīng)驗，海拔修正系數(shù)取值見表3。

表3 海拔修正系數(shù)取值

本文涉及的地區(qū)海拔高度接近500m，故修正系數(shù)1取1.05，安全裕度采用1.4。經(jīng)修正可得金具表面起暈場強為2.72kV/mm。

金具表面工作控制場強應(yīng)為起暈場強的85%[16]，故本文金具表面工作控制電場強度應(yīng)在2.3kV/mm以下。

3 252kV快速斷路器電場仿真

3.1 無均壓裝置的電位分布及電場分布

無均壓裝置快速斷路器的電場強度及電勢分布如圖6所示。由圖6（a）可知，未安裝均壓裝置的快速斷路器的最大電場強度為4.45kV/mm，遠(yuǎn)超計算所得2.3kV/mm的起暈場強。從電場強度分布圖可以看出，控制柜的邊緣處電場集中，因此本文主要針對控制柜體四周的均壓裝置進(jìn)行優(yōu)化研究。

3.2 均壓裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)對電場分布的影響

為探尋最優(yōu)的均壓裝置結(jié)構(gòu)與參數(shù)，分別研究管母型均壓裝置和半圓型均壓裝置的不同管徑、安裝距對電場強度的影響。原有均壓裝置采用半圓型結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)及安裝參數(shù)見表4。

圖6 無均壓裝置快速斷路器的電場強度及電勢分布

表4 原有半圓型均壓裝置結(jié)構(gòu)及安裝參數(shù)

圖7所示為兩種快速斷路器在不同管徑下的最大電場強度。根據(jù)圖7可知，隨著管徑增加，安裝半圓型均壓裝置的快速斷路器和安裝管母型均壓裝置的快速斷路器的最大電場強度逐漸降低。其中，對于安裝半圓型均壓裝置的快速斷路器，當(dāng)管徑為30～50mm時，最大電場強度依次降低，而當(dāng)管徑為50mm、55mm和60mm時，最大電場強度的下降趨勢并不明顯，均在2.5kV/mm左右。管母型均壓裝置比半圓型均壓裝置的均壓效果更好，隨著管徑增加，最大電場強度逐步下降，且當(dāng)管徑大于40mm時，電場強度已滿足在2.3kV/mm以下的要求。

圖7 兩種快速斷路器在不同管徑下的最大電場強度

圖8為兩種快速斷路器在相同管徑、不同安裝距下的最大電場強度。由圖8可知，當(dāng)安裝距逐漸增加時，安裝半圓型均壓裝置的快速斷路器的最大電場強度逐步降低，當(dāng)安裝距增加到大于40mm時，最大電場強度不再明顯下降，在2.55kV/mm左右，不滿足既定許用場強2.3kV/mm的要求。安裝管母型均壓裝置的快速斷路器的最大電場強度隨安裝距的增加而逐步降低，當(dāng)安裝距大于55 mm時，最大電場強度沒有明顯變化，穩(wěn)定在2.1kV/mm左右，滿足許用場強2.3kV/mm的要求。

圖8 兩種快速斷路器在相同管徑、不同安裝距下的最大電場強度

3.3 均壓裝置優(yōu)化配置

根據(jù)以上仿真分析可知，采用半圓型均壓裝置，通過增加管徑和安裝距不能有效地將最大電場強度降低到2.3kV/mm的許用場強以下，故優(yōu)先采用管母型均壓裝置?？紤]成本及結(jié)構(gòu)強度，優(yōu)先選用管徑及安裝距較小的方案，故快速斷路器均壓裝置優(yōu)化配置方案見表5。

表5 快速斷路器均壓裝置優(yōu)化配置方案

3.4 絕緣試驗

將優(yōu)化后的均壓裝置裝配到252kV快速斷路器，并進(jìn)行絕緣試驗，試驗設(shè)備如圖9所示。

圖9 絕緣試驗設(shè)備

直流耐受電壓試驗：串聯(lián)斷口處于合閘狀態(tài)，斷口連接直流耐壓設(shè)備高壓端，底部接地銅排接地。施加的直流耐受電壓為341kV，試驗持續(xù)60min，正負(fù)極性各1次。直流耐受電壓試驗后，若非自恢復(fù)絕緣上破壞性放電未發(fā)生，則通過直流耐受電壓試驗。

局部放電試驗：完成耐受試驗之后，設(shè)備施加電壓為負(fù)極性電壓，持續(xù)30min耐壓試驗。在整個試驗過程中，局部放電的測量按照GB/T 7354—2018相關(guān)要求執(zhí)行。判斷試驗標(biāo)準(zhǔn)為：在最后一次極性轉(zhuǎn)換完成最后29min內(nèi)，觀測大于1 000pC的局部放電脈沖不超過29個，在最后10min內(nèi)大于500pC的局部放電脈沖不超過10個。

經(jīng)過直流耐壓測試，非自恢復(fù)絕緣上未出現(xiàn)破壞性放電。局部放電試驗結(jié)果見表6，在最后29min內(nèi)出現(xiàn)16次大于1 000pC的局部放電脈沖，在最后10min內(nèi)出現(xiàn)4次大于500pC的局部放電脈沖，均滿足局部放電要求。

表6 局部放電試驗結(jié)果

4 結(jié)論

采用有限元計算方法，對快速斷路器不同的均壓結(jié)構(gòu)及參數(shù)進(jìn)行電場分布對比分析，得到不同結(jié)構(gòu)、不同尺寸及安裝距下的最大電場強度，具體結(jié)論如下：

1）快速斷路器產(chǎn)生電場集中現(xiàn)象的部位主要是操動機構(gòu)箱的邊角處，通過加裝優(yōu)化后的管母型均壓裝置可將最大電場強度從4.45kV/mm降低到2.3kV/mm以下，比相同管徑下安裝半圓型均壓裝置的最大電場強度3.05kV/mm降低約24.6%。

2）通過對不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的均壓裝置進(jìn)行對比仿真發(fā)現(xiàn)，兩種結(jié)構(gòu)下的最大電場強度都會隨管徑和安裝距的增加而減小，達(dá)到一定值后，繼續(xù)增加管徑和安裝距，最大電場強度不再明顯減小。

3）通過對比不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下的最大電場強度，得出快速斷路器均壓裝置的優(yōu)化配置方案：選用管母型均壓裝置，管徑為40mm，安裝距為20mm，最大電場強度為2.21kV/mm，滿足許用場強2.3kV/mm的要求，并通過試驗得到了驗證。

[1] 余爽, 趙科. 一起1100kV氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備母線放電故障分析[J]. 電氣技術(shù), 2021, 22(4): 94-97.

[2] 袁娟, 劉文穎, 董明齊, 等. 西北電網(wǎng)短路電流的限制措施[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2007, 31(10): 42-45.

[3] 劉鵬, 郭伊宇, 吳澤華, 等. 特高壓換流站大尺寸典型電極起暈特性的仿真與試驗[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2022, 37(13): 3431-3440.

[4] 趙強, 曹力雄. 一起特高壓換流站500kV斷路器擊穿故障分析與處理[J]. 電氣技術(shù), 2021, 22(8): 58-61, 68.

[5] 方書博, 李牧, 項濤, 等. 750kV變電站導(dǎo)線場強及電暈噪聲分布[J]. 水電能源科學(xué), 2015, 33(4): 170-173.

[6] 張占龍, 王科, 唐炬, 等. 變壓器電暈放電紫外脈沖檢測法[J]. 電力系統(tǒng)自動化, 2010, 34(2): 84-88.

[7] 孫海濤, 楊杰, 張邁, 等. 750 kV變電站噪聲衰減與降噪措施[J]. 電氣應(yīng)用, 2019, 38(9): 27-33.

[8] 李學(xué)寶, 吳昊天, 程璐瑩, 等. 直流電暈放電無線電干擾隨機時域計算模型研究[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2023, 38(6): 1531-1540, 1583.

[9] 張躍, 蘇淮北, 何明鵬, 等. 雙極性方波場下電暈老化對環(huán)氧樹脂空間電荷特性的影響[J]. 高電壓技術(shù), 2022, 48(12): 4731-4738.

[10] 畢茂強, 董揚, 陳曦, 等. 表面狀態(tài)對硅橡膠電暈老化進(jìn)程及特性的影響研究[J]. 中國材料進(jìn)展, 2022, 41(6): 429-434.

[11] 毛艷, 丁玉劍, 郭賢珊, 等. ±1100 kV PLC電抗器均壓屏蔽裝置的結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J]. 高電壓技術(shù), 2021, 47(4): 1436-1442.

[12] 劉鵬, 吳澤華, 程建偉, 等. 特高壓多端柔直換流站直流場均壓屏蔽金具電場分布仿真分析與差異化優(yōu)化方法[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2021, 45(6): 2405-2412.

[13] 張翔, 孫健, 張子敬, 等. ±1100 kV換流閥屏蔽罩結(jié)構(gòu)改進(jìn)及U50試驗[J]. 高電壓技術(shù), 2019, 45(11): 3693-3699.

[14] 姚宏洋, 文衛(wèi)兵, 謝曄源, 等. ±800 kV柔性直流換流閥閥塔均壓優(yōu)化設(shè)計[J]. 電力工程技術(shù), 2021, 40(2): 178-184.

[15] 高壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)的共用技術(shù)要求: DL/T 593—2016[S]. 北京: 中國電力出版社, 2016.

[16] 變電站控制電暈噪聲技術(shù)導(dǎo)則 (導(dǎo)體金具類): Q/GDW 551—2010[S]. 北京: 中國電力出版社, 2011.

[17] 輸電線路降低可聽噪聲設(shè)計和建設(shè)導(dǎo)則: Q/GDW 550—2010[S]. 北京: 中國電力出版社, 2011.

Research on optimization of voltage equalization system for 252kV high speed circuit breakers

WANG Zhiyong HAN Yuhui CHEN Xin

(NR Electric Power Electronics Co., Ltd, Changzhou, Jiangsu 213025)

In the structural design of high voltage equipment, the electric field distribution is an important factor that cannot be ignored. Therefore, the electric field distribution should be analyzed and verified in the research and development stage of fault current breaker. In this paper, the 252kV fault current breaker structure is used as the prototype to establish a three-dimensional simplified model for electric field simulation. The influence of the structure, size and installation distance of the voltage equalizing device on the electric field distribution is simulated and analyzed. Through comparative research, the structure, installation position and size of the voltage equalizing device are optimized and configured. Finally, a tubular type voltage equalizing device with a pipe diameter of 40mm and an installation distance of 20mm is selected. This plan can control the overall maximum electric field intensity below 2.3kV/mm, and the analysis results can provide reference for product optimization.

high speed circuit breaker; electric field intensity; voltage equalizing device

2023-08-07

2023-08-28

王智勇（1988—），男，江蘇常州人，碩士，工程師，從事電力設(shè)備產(chǎn)品設(shè)計研究工作。