| 真空斷路器在中國(guó)應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn) |
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由于額定電流主要由真空隔離器承擔(dān)，大大降低了真空滅弧室在額定電流下的負(fù)擔(dān)，對(duì) 真空滅弧室非常有利。另外由于觸頭為插入式，因此不存在觸頭彈跳的問題，這在很大程度上避免了熔焊。即使發(fā)生熔焊，由于觸頭打開時(shí)的力與熔焊方向垂直，因此僅需很小的力即 可拉開觸頭，因此大大減輕了操動(dòng)機(jī)構(gòu)的負(fù)擔(dān)，同時(shí)也降低了整機(jī)的成本。真空隔離器現(xiàn)已完成了產(chǎn)品設(shè)計(jì)，樣品正在試制中。由于溫升是真空隔離器最關(guān)心的內(nèi)容，因此下一步的工作，將利用溫度場(chǎng)有限元分析軟件，對(duì)其溫升進(jìn)行計(jì)算。
在這種新型真空發(fā)電機(jī)斷路器中，使用的真空滅弧室，為中國(guó)第一個(gè)具有自主知識(shí)版權(quán)的真空滅弧室——鐵心式兩極縱向磁場(chǎng)電極結(jié)構(gòu)的真空滅弧室。試驗(yàn)表明，這種新型真空滅 弧室具有很強(qiáng)的開斷能力，完全可勝任開斷發(fā)電機(jī)組出現(xiàn)故障時(shí)的短路電流的要求。
鐵心式兩極縱向磁場(chǎng)電極結(jié)構(gòu)的真空滅弧室的電極結(jié)構(gòu)如圖8所示。圖中把鐵心移開以便看清電 極結(jié)構(gòu)。當(dāng)電流I從上導(dǎo)電桿1流入后，經(jīng)上拐臂2到上觸頭片3，通過上觸頭片3流向電弧4， 至下觸頭片5，再到下觸頭片6，最后由下導(dǎo)電桿7流出。由于上下拐臂中的電流向同一方向 流動(dòng)，它們產(chǎn)生的磁通將垂直穿過兩個(gè)觸頭間的空隙，鐵心的磁導(dǎo)率很高，因此這種結(jié)構(gòu)可 產(chǎn)生較強(qiáng)磁場(chǎng)。磁場(chǎng)的方向在拐臂兩側(cè)是相反的。
由于縱向磁場(chǎng)對(duì)真空電弧等離子體的控制技術(shù)，是提高縱向磁場(chǎng)真空滅弧室開斷能力的核心技術(shù)，它可保持真空電弧在大電流下仍處于擴(kuò)散狀態(tài)。因此對(duì)鐵心式兩極縱向磁場(chǎng)電極 結(jié)構(gòu)真空滅弧室的縱向磁場(chǎng)，進(jìn)行詳細(xì)的分析是很有意義的。Vector Fields軟件包，是國(guó) 際上著名的電磁場(chǎng)有限元分析軟件，利用該軟件對(duì)鐵心式兩極縱向磁場(chǎng)電極結(jié)構(gòu)真空滅弧室 的縱向磁場(chǎng)的計(jì)算表明，這種結(jié)構(gòu)可產(chǎn)生很強(qiáng)且較均勻的縱向磁場(chǎng)。圖9為觸頭間隙正中間 與觸頭片平行平面上的三維靜態(tài)縱向磁場(chǎng)。當(dāng)電流為40kA時(shí)此平面上縱向磁場(chǎng)最大值為1.44 T，這比其他許多真空滅弧室的縱向磁場(chǎng)要大得多，而且分布較均勻。真空電弧在不同的縱 向磁場(chǎng)下會(huì)呈現(xiàn)出不同的形態(tài)。用Vector Fields軟件包對(duì)此滅弧室交變磁場(chǎng)的分析表明， 在鐵心中可感應(yīng)出較大的渦流。由于渦流的存在對(duì)成功開斷不利，因此應(yīng)盡量減小渦流的影 響。采用鐵心疊片的方法可有效地抑制渦流。計(jì)算表明，當(dāng)鐵心疊4片時(shí)(間距0.2mm)，在電 流峰值時(shí)的渦流最大值是鐵心不疊片情況的17.8％。而鐵心疊10片時(shí)(間距0.2mm)，電流峰 值時(shí)渦流最大值是鐵心疊4片時(shí)的56.7％。由此可見，可通過鐵心疊片的方式來抑制渦流， 有效地提高鐵心式兩極縱向磁場(chǎng)電極結(jié)構(gòu)真
空滅弧室的開斷能力。另外，通過數(shù)值分析的方 法還找到了一些可繼續(xù)提高該真空滅弧室開斷能力的途徑，這些將在下一步的工作中進(jìn)行。
這種新原理的真空發(fā)電機(jī)斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)，是一種新型的操動(dòng)機(jī)構(gòu)，它是一種彈簧操動(dòng) 機(jī)構(gòu)，利用一種有效的方法，使真空隔離器VD和真空滅弧室VI先后動(dòng)作，滿足設(shè)計(jì)要求。由 于VD先分開，當(dāng)電流全部轉(zhuǎn)到VI后，VI才能打開，因此操動(dòng)機(jī)構(gòu)必須與此要求相適應(yīng)。這里 的關(guān)鍵問題是電流能否轉(zhuǎn)移及轉(zhuǎn)移時(shí)間。其中轉(zhuǎn)移時(shí)間與操動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)參數(shù)密切相關(guān)，即 操動(dòng)機(jī)構(gòu)兩并聯(lián)支路動(dòng)作的時(shí)間差，必須大于電流轉(zhuǎn)移時(shí)間。為此，我們專門設(shè)計(jì)了一個(gè)試 驗(yàn)線路來對(duì)電流轉(zhuǎn)移過程進(jìn)行模擬，并建立一個(gè)數(shù)學(xué)模型對(duì)電流轉(zhuǎn)移過程進(jìn)行仿真，以此來 探索電流轉(zhuǎn)移時(shí)間的規(guī)律。電流轉(zhuǎn)移試驗(yàn)是在合成回路上進(jìn)行的，試驗(yàn)線路如圖10所示。
在圖中，Ci為合成回路電流源電容器，Li為電流源電抗器，Q為主合閘開關(guān)。當(dāng)電容器 充電完畢以后，將Q閉合就可將電流引入VD、VI支路。VD、VI都處于閉合狀態(tài)，當(dāng)電流通過 的某一瞬間，VD打開，這時(shí)電流發(fā)生轉(zhuǎn)移，全部電流通過VI支路。FL和FL1為分流器，分別 測(cè)量總電流和VD電流。試驗(yàn)中還測(cè)量了VD上電壓。試驗(yàn)電流最大為24kA，結(jié)果表明，在給定 的試驗(yàn)參數(shù)下(如表1所示)，電流每次均能夠順利轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)移時(shí)間為1～2ms。圖11為電流轉(zhuǎn) 移過程的典型示波圖。
圖11所示情況的仿真結(jié)果如圖12a和圖12b所示。仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果較為接近。在下一 步工作中，我們將利用Pspice電路分析軟件，對(duì)電氣參數(shù)、電流特性等因素對(duì)電流轉(zhuǎn)移時(shí)間 的影響，做進(jìn)一步的分析。
3.3 110kV、1250A和31.5kA真空斷路器的開發(fā)
近10多年來西安交通大學(xué)對(duì)110kV及以上電壓等級(jí)的高壓真空斷路器作了國(guó)內(nèi)外調(diào)查和分析 工作，并進(jìn)行了廣泛的探索、理論研究、計(jì)算和實(shí)際開發(fā)試制工作等。
據(jù)悉，美國(guó)通用電氣公司早在60年代初，曾采用多個(gè)真空滅弧室串聯(lián)制成高壓和超高壓真空 斷路器和真空負(fù)荷開關(guān)，并實(shí)際投入了相應(yīng)的電力系統(tǒng)上運(yùn)行。這種高壓斷路器分別由3、7 、11和14個(gè)真空滅弧室組成145kV、362kV、550kV和800kV的真空斷路器。俄羅斯于1990年生 產(chǎn)了由四個(gè)35kV的真空滅弧室組成110kV、25kA的真空斷路器，亦在實(shí)際的電力系統(tǒng)上投入 運(yùn)行。1980年美國(guó)通用電氣公司正式生產(chǎn)了雙斷口的168kV、40kA真空斷路器。1980年日本 日立電氣公司制造出123kV、31.5kA單斷口的真空斷路器。1987年日本東芝電氣公司開發(fā)了1 45kV、31.5kA的單斷口真空斷路器和168kV雙斷口的真空斷路器。
從上述調(diào)查和分析結(jié)果，按現(xiàn)有國(guó)內(nèi)的制造技術(shù)來看，要制造出單斷口的110kV和220kV電壓 等級(jí)的高壓真空斷路器是完全可能的，經(jīng)過一番努力研制出雙斷口的500kV電壓等級(jí)的真空 斷路器也是可能的。根據(jù)我們的理論分析和設(shè)計(jì)計(jì)算對(duì)于開發(fā)110kV和220kV的真空斷路器過 程中的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為只要合理地解決真空滅弧室的內(nèi)部電場(chǎng)均勻分布和解決采用縱向磁場(chǎng) 結(jié)構(gòu)電極的磁場(chǎng)強(qiáng)度問題，實(shí)現(xiàn)高電壓等級(jí)的真空斷路器也是可能的。
根據(jù)我國(guó)國(guó)內(nèi)真空滅弧室制造廠的設(shè)備條件，決定先用兩個(gè)63kV真空滅弧室串聯(lián)組成110kV 雙斷口真空斷路器。圖13所示為63kV真空滅弧室的剖面結(jié)構(gòu)圖，圖中5為主觸頭，2為陶瓷外 殼，4為主屏蔽罩，1為動(dòng)端波紋管，7為均壓屏蔽罩，12為靜端緩沖波紋管，9為動(dòng)導(dǎo)電桿， 3為靜端導(dǎo)電桿，6為均壓屏蔽罩和11為端部均壓屏蔽罩。圖14所示為63kV真空滅弧室的電場(chǎng) 計(jì)算結(jié)果的電場(chǎng)分布圖。目前設(shè)計(jì)的外屏蔽罩式真空滅弧室，已能滿足63kV電壓等級(jí)的各項(xiàng) 標(biāo)準(zhǔn)要求。雙斷口的110kV真空斷路器設(shè)計(jì)了二種不同的結(jié)構(gòu)方案，如圖15所示。圖中方案a 正在試制中，真空滅弧室排列呈V形布置，總高度為2500mm。圖中b已由北京開關(guān)廠試制完成 ，真空滅弧室排列呈垂直布置，總高度為2650mm，將準(zhǔn)備在我國(guó)西安高壓電器檢測(cè)中心進(jìn)行 全面的型式試驗(yàn)。
雙斷口110kV戶外真空斷路器的操動(dòng)機(jī)構(gòu)采用了電動(dòng)彈簧式操動(dòng)機(jī)構(gòu)，由一個(gè)操動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)三相連動(dòng)。平均分閘速度為2.4m/s，平衡合閘速度為1.8m /s。在此基礎(chǔ)上，西安交通大學(xué)真空電弧理論研究中心，已對(duì)220kV電壓等級(jí)的真空斷路器的研 制工作作了大量的理論探討，并對(duì)真空滅弧室的具體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析和設(shè)計(jì)，利用三維電磁 場(chǎng)隨時(shí)間變化的過程作了估計(jì)，得出了較合理的電極間縱向磁場(chǎng)的分布。圖16所示為115kV 真空滅弧室置于絕緣筒內(nèi)的布置情況。為了獲得較強(qiáng)和較均勻的縱向磁場(chǎng)，已將產(chǎn)生縱向磁 場(chǎng)線圈布置在真空滅弧室外殼中部，同時(shí)主屏蔽罩采用具有抗渦流作用的特殊結(jié)構(gòu)和特殊材 料制造。220kV雙斷口真空斷路器的設(shè)計(jì)方案，它采用了并聯(lián)電容器作為真空滅弧室的支撐 結(jié)構(gòu)，以減輕真空滅弧室單臂懸掛下垂的分力 |
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