高压SF_6断路器冷态介质恢复特性试验研究

研究了SF_6断路器操作过程冷态介质恢复特性,搭建126 k V SF_6断路器介质恢复特性试验回路,测量断路器不同开距下的击穿电压值。分析灭弧室充气压力、合闸速度、触头间电压极性对介质恢复特性和预击穿特性的影响,给出不同试验条件下的分闸介质强度恢复速度和预击穿时间。结果表明:断路器操作过程中相同开距下,合闸击穿电压值要大于分闸过程,断路器灭弧室结构下7mm开距内正、负极性下击穿电压值相差不大,极性效应不明显;开距大于7 mm,正极性击穿电压值大于负极性;合闸速度对合闸预击穿特性影响明显,合闸速度6.6 m/s的最大预击穿时间为1.18 ms,合闸速度4.7m/s的最大预击穿时间为2.21 ms,由此可知,提高合闸速度是控制预击穿时间的有效方法;针对126k V SF_6断路器冷态开断过程,充气压力为0.7和0.5 MPa时,分别在刚分时刻后0.5和1 ms内存在重击穿的可能,因此,针对容性小电流开断过程,应避免在此时间范围内熄弧。     

特高压电容器组开关触头烧蚀对开断特性的影响研究

特高压电容器组断路器开断电气寿命要求3 000~5 000次,频繁的投切操作使得断路器弧触头烧蚀磨损严重,直接影响断路器开断性能及电气寿命。为寻求弧触头烧蚀程度对断路器开断特性的影响规律,从断路器灭弧室绝缘特性和压气特性两方面开展研究。针对特高压电容器组断路器额定1 600 A电流开断工况,给出最佳的开断策略和弧触头所能承受的最大烧蚀程度。结果表明:弧触头烧蚀程度越大,开断电流值越大,弧后发生重燃的几率越大;弧触头所能承受的最大烧蚀角为82°;为保证弧后不发生重击穿,燃弧时间应小于2 ms,开断相角应在[0,0.8π]∪[π,1.8π]。研究结果可直接用于特高压电容器组开关的设计研发。     

4种典型交流滤波器断路器灭弧室电场分析

内部绝缘不足是引起换流站交流滤波器(alternating current filter,ACF)断路器发生爆炸事故的原因之一,为此开展了典型ACF断路器灭弧室内部电场分布的仿真研究。首先,基于电场数值分析理论,采用Solidworks和ANSYS软件建立了4种典型550 kV ACF断路器三维数值仿真模型;然后,仿真分析了弧触头网格剖分尺寸对灭弧室电场计算结果的影响,基于仿真数据对比分析了4种结构的ACF断路器在熄弧后开断过程中灭弧室的电场分布和不均匀系数,评估了断路器灭弧室内部相对绝缘强度;最后,分析了燃弧时间和平均开断速度对典型ACF断路器灭弧室电场的影响,初步提出了优化措施。仿真分析结果表明:弧触头的剖分尺寸可取0.2~0.5 mm;4种典型结构ACF断路器灭弧室内电场分布属于稍不均匀场,在正常开断情况下都能满足绝缘裕度要求;增加燃弧时间和平均开断速度,能够减小典型ACF断路器灭弧室各部件最大场强,提高绝缘裕度。     

新型强迫换流型限流断路器真空介质强度的恢复特性

为了保证新型强迫换流型真空直流限流断路器关断短路电流的可靠性,对该型断路器分断过程的真空介质恢复特性进行研究。设计了与断路器关断过程等效的介质恢复试验方案,通过等效试验结果和理论推演公式的拟合,得到了新型强迫换流型限流断路器真空灭弧室触头打开过程的动态介质强度恢复规律。研究结果表明:减小燃弧能量、提高触头运动速度可提高真空灭弧室介质的临界击穿电压;综合考虑燃弧时间与燃弧能量及触头开距的关系,随着燃弧时间的增加,真空灭弧室临界击穿电压先减小后增大。所得介质恢复规律可以作为新型断路器优化设计的参考依据。     

高压SF_6断路器非平衡态等离子体电弧的熄弧特性

SF6高压断路器开断过程是结合电弧特性、压气特性、气流特性、电磁特性、温度特性、介质恢复特性等的多物理动态过程。为避免其熄弧重燃,考虑电弧能量对等离子体内电子温度和重粒子温度的动态作用的情况下,建立了SF6气体电弧等离子体非平衡态双温度电弧数学模型。计算得出了等离子体中各粒子密度随电子和重粒子温度变化曲线,带电粒子密度随温度和压强的变化趋势,以及非平衡态等离子体电导率在不同压强下随温度变化的曲线。通过126 kV断路器负载开断过程压气特性和气流特性计算,得到了熄弧过程中灭弧室内的压强、温度和密度分布。考虑空间电荷对灭弧室内电场分布的影响,计算了气流运动过程中的电场分布,计算了熄弧过程中介质恢复特性分布,分析了电弧等离子体熄灭动态过程中微观参数的变化情况。计算表明:1 600 A燃弧2 ms小电流电弧开断弧后0.2 ms内介质恢复平均速度为175 kV/ms,明显快于电压恢复速度37.7 kV/ms;开断速度对不同燃弧时间下的介质恢复特性有直接的影响,燃弧时间越短越容易发生重燃弧现象;燃弧时间2 ms时,开断速度为11 m/s的击穿裕度值较大,可以保证弧后不会发生重燃弧现象。     

基于实际气体Redlich-Kwong方程的SF_6断路器开断特性

准确的气体状态参数是计算灭弧室气流特性的关键,对SF6断路器的优化设计有重要意义。联合求解实际气体Redlich-Kwong状态方程与流场控制方程,依据Leslie S.Frost焓流电弧模型与等离子体微观参数建立非平衡态电弧能量动态模型,对40.5 kV电容器组SF_6气体断路器灭弧室进行冷态与热态气流场分析,在空载与容性小电流开断条件下,得到灭弧室内气体的压强、密度、温度分布。在开断过程中分析断路器的压力特性,通过电场与气流场的耦合计算得到弧触头间电弧熄灭后的介质恢复特性曲线。计算结果表明:Redlich-Kwong状态方程的计算误差可低至2.11%,与理想气体状态方程相比,采用Redlich-Kwong状态方程进行计算具有更高的准确度。气体流速较大时,气体状态方程对气体压强的影响较大,实际气体状态方程得到的气体压强高于理想气体。断路器开距7 mm后,电场强度最大值下降速度趋于平缓。断路器在开断容性小电流时,如果开断相角分别为1/10π、1/5π、3/10π、2/5π、1/2π,计算得相应燃弧时间分别为0.6、0.73、1.8、2.9、3.7 ms,存在提前熄弧现象。熄弧后断口间击穿电压始终高于瞬态恢复电压值,能够成功开断电弧不出现重燃,为获得较高的击穿裕度,开断相角应大于1/5π。     

同步开关技术对提高开断电容器组性能的研究

断路器在开断电容器组时引发的重击穿过电压可破坏设备绝缘,对电网的安全运行构成威胁。采用同步开关技术合理延长燃弧时间,可有效降低重击穿概率。文中结合弧隙介质恢复理论与断路器同步关合特性,根据重击穿的判据条件,提出了一种重击穿概率计算新方法,从数理角度分析了触头分离时间、断路器绝缘强度上升率对重击穿概率的影响;再通过35 kV永磁真空断路器动态预击穿试验得到其绝缘介质恢复特性,利用上述计算方法并结合试验数据得出:在分闸动作时间最大允许偏差为±2 ms时,将选相控制器的预设燃弧时间选择在4~6 ms范围内,可实现开断电容器无重击穿,为选相切除电容器组提供了一定的技术参考。     

弧触头烧蚀程度对灭弧室内短路开断过程多物理场的影响

为研究SF6断路器开断过程中弧触头烧蚀程度对灭弧室内多物理场变化的影响,建立了弧触头接触行程分别减小0、5、10和15Smm下灭弧室内开断过程的多物理场耦合仿真模型,获得了短路电流开断过程中灭弧室内温度、气流和电场分布特性。计算结果表明：开断过程中,弧道最高温度出现在弧根处,其值随弧触头烧蚀程度变化不大;随着弧触头烧蚀程度的加剧,SF6气体最高速度不断减小,吹弧效果减弱;最大场强集中在静弧触头端部或动弧触头弧角处,且随弧触头烧蚀程度加剧而畸变更严重。基于此,根据流注理论的气体击穿判据计算了不同弧触头烧蚀程度下SF6介质恢复特性,发现当弧触头接触行程减小15 mm时,临界击穿电压低于瞬态恢复电压,触头间隙可能再次击穿造成电弧重燃。研究结果可为SF6断路器电寿命退化机理提供理论支撑。     

真空断路器燃弧时间的统计分析

本文通过对开断试验中真空断路器开断额定短路电流时燃弧时间的统计分析,以求得从燃弧时间角度对真空断路器开断性能进行评估。     

金属微粒对交流滤波器断路器灭弧室电场的影响

换流站交流滤波器断路器因切断频繁等因素发生了多起爆炸事故,威胁了电网运行安全。分析表明交流滤波器断路器合闸涌流对弧触头烧蚀产生的金属微粒,可能会引起灭弧室电场畸变进而降低设备绝缘强度,为此文中开展了金属微粒对交流滤波器断路器灭弧室电场分布的仿真研究。首先基于电磁场数值分析理论,采用Solidworks和Ansys软件建立了550 kV ACF断路器和不同形状金属微粒的三维数值仿真模型,并仿真分析了无金属微粒情况下ACF断路器开断过程中的电场分布;然后,研究了金属微粒形状和半径对灭弧室电场分布的影响,研究表明,金属微粒的存在增加了灭弧室最大场强,且不同形状金属微粒对灭弧室电场计算结果影响程度不同,对于半球体微粒,最大场强随微粒半径增加而减小,且当其附着于静弧触头表面时对灭弧室绝缘性能影响最大;最后,基于灭弧室无金属微粒时电场优化结果,分析了静弧触头表面有金属微粒时,燃弧时间对交流滤波器断路器灭弧室电场的影响,并提出了优化措施,即将燃弧时间提至5 ms时,灭弧室最大场强将小于SF6气体工程击穿场强。