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1、http:/ 真空断路器向高电压等级发展上一篇 / 下一篇 2009-11-04 15:03:29王季梅 刘志远 余小玲(西安交通大学高电压真空断路器研究开发课题组 710049)0 前言高电压等级断路器在我国电力系统中可归纳为 4 个电压等级，126kV、252kV、550kV 和 1100kV。126kV 和 252kV 称作高电压断路器，550kV 称作超高压断路器和 1100kV 称作特高压断路器。由于 SF6 断路器具有特佳的开断性能，世界各国和我国均采用 SF6 断路器为主。自 80 年代以来，查明 SF6 气体的大量排放于大气中具有显著的温室效应，联合国京都会议已作出决定将于 2
2、030 年起严禁使用，因此世界各国将采取其它措施解决，采用真空断路器为措施之一。我国西安高压电器研究所已开发研制真空断路器，此外，国内电器制造公司和我校等也积极展开这项研究工作。本文亦将介绍高压真空断路器方面的情况，供读者们参考。1 126kV 真空断路器一、126kV 真空断路器的基本结构126kV 高压真空断路器的结构如图 1 所示。图中 1 为真空灭弧室，装在绝缘陶瓷套内，图中未能示出真空灭弧室的实体。2 为绝缘陶瓷支柱，固定在钢质横担架 3 上，4 为三个永磁操动机构，分别装在每个绝缘陶瓷支柱的下端，通过永磁操动机构的控制箱 5 内的电子线路组成的控制电路来操动永磁操动机构，可进行三相
3、真空灭弧室的同步合闸和同步分闸。钢质支撑档 6 与钢质横担架 3 以及钢质底座 7 焊接在一起，并固定在水泥墩上，撑住整个三相真空断路器。三个真空灭弧室中心线间开距为 1700mm。三相真空断路器的总高度约为 5m。图 1 126kV 真空断路器的外形结构1在绝缘陶瓷套内有真空灭弧室; 2绝缘陶瓷支柱;3钢质横担架;4永磁操动机构;5永磁操动机构的控制箱;6钢质支撑挡;7钢质底座二、126kV 真空灭弧室电极的综合设计分析(1)1/2 匝线圈式纵向磁场电极结构的设计图 2 所示为 1/2 匝线圈式纵向磁场电极的结构，从这个展开图中可看到，电流由上导电杆 1 顺着上托盘形线圈 2(见图 3)经上
4、支撑盘 3 流向上导电片 4，进入上触头片 5，通过上触头片 5 和下触头片 6 空隙间的电弧，由下触头片 6 至导电片 7 经下支撑盘 8 和托盘形线圈 9 流出到下导电杆 10。上支撑盘 3 和下支撑盘 8 的加入是用来加强托盘形线圈共同产生的纵向磁场的分布，如图 4 所示。磁场中心的计算最大值为 60mT。根据涡流电磁场通过有限元计算分析，取触头直径为 100mm，在开距为 60mm 下的实验证实能满足 40kA的电流开断要求。图 2 1/2 匝线圈式纵向磁场电极真空灭弧室的结构1上导电杆;2上托盘形线圈;3上支撑盘;4 上导电片;5 上触头;6下触头;7下导电片;8下支撑盘;9下托盘形
5、线圈;10下导电杆图 3 托盘形线圈1 底盘;2线圈;3 槽;4 焊点(2)单匝线圈式纵向磁场电极结构的综合设计分析图 5 所示为单匝线圈式纵向磁场电极的结构，从这个展开图中可以看到，电流由上导电杆 1 流入，进入上单匝线圈 2(单匝线圈具体结构见图 6)，然后达到上触头 3，通过上触头片 3 和下触头片 4 空隙间的电弧后，从下触头片 4 接通下单匝线圈 5 到下导电杆 6 流出，由上所述的单匝线圈 2 和下单匝线圈 5 共同产生的纵向磁场的作用来满足开断电流的要求。所产生纵向磁场的磁通密度比 1/2 匝线圈式纵向磁场电极接近大一倍( 最大值约为 130mT)有利于增大开断电流值。单匝线圈式
6、触头回路经过巧妙的设计电阻值为 43，略大于 1/2匝线圈式触头回路的电阻值(1/2 匝线圈式触头回路电阻值为 38)，在此情况下还进行三维涡流磁场的有限元的计算分析，总的情况优于 1/2 匝线圈式纵向磁场电极的设计。图 4 纵向磁场计算分布图 5 单匝线圈式纵向磁场1 上导电杆;2上单匝线圈;3上触头;4下触头;5下单匝线圈;6下导电杆图 6 单匝线圈1线圈本体;2线圈上直臂;3线圈下直臂图 7 所示为触头片，触头片直径取 100mm，触头片材料为 CuCr25 或 CuCr30。图 7 触头片1触头片槽;2触头片本体三、用硅油或 -液作为真空灭弧室外绝缘的灌注技术目前国内外生产的高压真空断
7、路器均用 SF6 气体灌注在陶瓷套与真空灭弧室之间作为真空灭弧室的外绝缘，在国外已使用多年，效果比较满意。由于 SF6 气体具有严重的温室效应，因此本断路器改用了硅油或 液( 本设计采用 液)来代替 SF6 气体。硅油和 液的物理性能大致分述如下：硅油和 液外观为透明的液体，无悬浮物和沉淀物。粘度在 25时为 0.960.86kgfs/dm2，含水量为 3010-4%，比热 1.51kJ/(kGK)，热导率 0.151W(mk)，击穿电压 50kV( 液)，体积电阻 25时 1.010-4cm，开杯闪点300，开杯着火点( 液)370。灌注 液的步骤是采用真空灌注技术，首先将陶瓷外套内腔用蒸馏
8、水清洗，再用无水乙醇擦干。然后进行常规的装配，应达到可靠密封的要求。继之，对陶瓷外套内腔抽真空(见图 8)，使内腔达到 0.3Pa 后，关闭真空阀门，开启 液阀门，对已过滤的 液通过阀门逐渐吸入陶瓷外套的内腔，至液面达到规定的高度后，封闭 液的阀门和重新打开真空阀门，再继续对剩余空间抽真空度至 0.5Pa，并关闭真空阀门，对剩余空间进行充 N2 气体至 1Pa。最后将总阀门封闭，并记录室温和压力。24 小时后，观察 N2 的气压，若保持正常位置，可以认为灌注 液成功。图 8 抽真空灌 液和 N2 系统三、提高 126kV 真空断路器额定电流的研究(1)增设散热器来提高额定电流的措施经设计计算后
9、，额定电流可提高到 2000A，还有裕量。散热器设置如图 9 所示的部位(即在真空断路器的上进线端部位设置了一个散热器 5 和在真空断路器的中间出线端 2 部位设置了另一个散热器 6)，经额定电流 2000A 时的实测上进线端子部位的温升为 31K，下出线端子部位的温升为 30K，完全满足了国家标准规定的要求。后又增加2000A1.2=2400A 的温升试验，亦能满足标准要求。图 9 126kV 真空断路器的散热器布置图1进线端子;2出线端子;3永磁操动机构控制箱;4永磁操动机构;5进线端部位散热器;6中间出线端部位散热器(2)选用重力热管来进一步提高 126kV 高压真空断路器额定电流的措施
10、为了能进一步提高到 3150A 和更高的额定电流的水平，本设计采用了加装重力热管的措施如下：重力热管的基本结构重力热管是安装在原 126kV 真空灭弧室原静导电杆部位，由重力热管来代替。重力热管的铜导电杆总长为 560mm，外直径为 50mm 和不锈钢管外直径为 28mm 与衬在铜导电杆内壁上组成如图 10 所示的模样。重力热管的上端安装有铝制的散热器 (即利用原散热器)。热管的壳体材料为纯铜，内层为不锈钢。图 10 重力热管基本结构重力热管用的工质选择工质的选择与壳体材料的选择密切相关，两者必须相容，并且在长期运行中，工质与壳体不发生化学反应，不产生气体。还要考虑工作温度范围，稳定性等。采用
11、纯铜时要求其温度不要超过软化点 185。设计的热管工作温度应在 0185范围内，其饱和蒸气压力线不低 0.1 个大气压力。现选用水为工作介质，汽化潜热值大，价格低廉，对环境无污染。热管总容积为 526ml，充液量取总容积的 15%18%，大约为 8090ml。重力热管抽真空及充工质简介具体操作如下(见图 11)：将经过除气处理的烧瓶装在滴定管上面，打开滴定管上面隔流阀和下隔流阀，使滴定管与热管一起抽真空。先检查充装系统是否漏气，如果不漏气，待真空度达到 10-3P 以上后，再对热管进行烘烤除气，烘烤后待热管冷却到常温。待真空度升到原来数值时，立即关闭下隔流阀，打开上隔流阀使滴定管装入比预定量(
12、90ml)稍多的蒸馏水(95ml)。然后关闭高真空阀，并打开下隔流阀使蒸馏水注入热管中，从滴定管刻度可计量。充装后采用专门的钝口夹钳把铜排气管挤断，挤断处是完全真空密封的。图 11 热管工质充装系统图重力热管传热性能分析试验(1)重力热管测试点的布置测试点布置在三个区域如图 12 所示。热端测试点(点 1、点 2 和点 3)，冷凝端测试点(点 10、点 11 和点 12)，绝热均匀端测试点(点 4、点 5、点 6、点 7、8 点和点 9)。接通电源，将电压调节到所需的功率，记录温度检测仪上所显的温度，当热管稳定后，再调功率，继续做另一个工况下的实验。图 12 热管测试点布置图(2)实验记录的数
13、据和分析1)热管稳态下的温度分布 图 13 是工质为蒸馏水，充液量为 90ml 的重力在不同加热功率时，从散热器端测得的强迫对流冷却条件下，各测点的温度值。从图中可以看出，在一定功率下，温度从测试点 1 到测试点 2 之间有很大的下降趋势，测试点 2 到测试点 3 之间温度很接近，这主要是因为热量是从热管底端面传入的，测试点 4 到测试点 9 之间，考虑到饱和蒸气传热，所以他们温度几乎相等。测试点 9 到测试点 12 温度有所下降，因为测试点处于冷凝位置。图 13 热管稳态时温度分布曲线2)热管加热端最高温度随加热功率的变化 图 14 是工作稳定后，热管加热端温度与加热功率的关系曲线，当加热功
14、率达到 300W 时，热管最高温度尚低于 185的范围，说明运行是可靠的。图 14 热管加热端温度随功率变化的曲线采用重力热管提高工作电流的初步结论图 15 所示为实际重力热管装入 126kV 高压真空灭弧室部位的示意图。从目前装置的试品试验和分析结果可以完全满足提高额定电流的要求。图 15 装入 126kV 真空灭弧室的重力热管布置图1散热器;2重力热管;3真空灭弧室玻璃外壳;4真空灭弧室的动静触头在闭合位置的状态经创新改革后的 126kV 单断口真空断路器单极结构如图 16 所示。真空断路器，由上瓷套、下支柱瓷套和图 16 断路器单极结构图永磁操动机构串联组成，不包括钢质横担和钢底座。上瓷
15、套内装有真空灭弧室、导电支架、下导电杯、上密封波纹套管动导电杆和超行程弹簧装置。真空灭弧室上端为静导电杆和上导电杯。上瓷套和真空灭弧室之间灌有 -液。上瓷套上端为上接线端子，并安装有上散热器。上瓷套下端为下接线端子，并安装有下散热器。通过导电支架与下支柱瓷套相连。真空灭弧室内安装有重力热管。永磁操动机构安装在下支柱瓷套上与绝缘拉杆下端绞紧，以便操动真空灭弧室分闸和合闸。四、126kV 高电压真空断路器采用选相投切的研究永磁操动机构结构简单、零部件仅为电动弹簧操动机构的 35%40% 。制成的产品具有可靠性高，操作可达到 10 万次以上的水平，非常适用于真空断路器的配套使用。但事实上，更重要的应
16、用远超过以上所述的优点。它还可以发挥其固有的特点，用于选相投切，从而解决真空断路器，在操作过程中的过电压问题，涌流问题和提高固有的开断电流能力等。选相投切技术在电力系统中的应用已愈来愈趋向于重要的地位和必要性。例如，真空断路器在分闸时会经常产生涌流和过电压现象，从而引起其所并联的电容器组，架空输电线以及空载变压器等暂态波动。如果利用永磁操动机构与真空断路器配合，在电压或电流的特定相位角度完成合闸或分闸，可以实现无冲击的平滑过渡。据国际大电网会议(CIGRE) 的报导，已于 2000 年在第十三工作组设立了一个研讨分组专门讨论有关选相控制断路器的问题。在此以前，(1998)Bernerd，(1998)Reid，(2000)
