段崇福
(山东泰开电力建设工程有限公司,山东泰安 271000)
随着国家电力建设的发展,550kV输变电线路将逐渐取代252kV输电网而成为主干网,另外为保障电力系统各大电网的供电可靠性,国网公司将加大各大电网进行联网,联网电压为550kV.这些因素促进了550kV断路器的发展[1-2].
目前,由于技术的限制及电力系统为了运行的可靠性,550kV断路器多采用双断口串联结构,该技术目前比较成熟,短路开断电流可以达63kA.但采用双断口结构时,由于断口间电容及断口对地电容的影响,导致两个断口的电压分布极不均匀,严重影响了断路器的使用性能,因此,为了均压及改善开断性能,在双断口串联结构中,每个断口间并联电容。当前,断口间并联电容的选择多采用国产的多只电容串联,然后再并联的结构.此结构在断路器的型式试验及运行中,表现性能优良.但是,并联电容与断口及屏蔽罩相对位置,以及断口间考虑并联电容时如何计算分析电场,却少有文章论述.另外,当前静电场的分析软件有很多,考虑到电容器的特殊结构,在本文中采用了Ansys中的静电场模块,其中考虑电容器的电极结构时,采用了节点电压耦合的命令,对含并联电容的断路器进行了静电场分析.
图1 断口并联电容的结构示意图
断口并联电容的结构见图1,从图1中可以看出,并联电容固定在断路器断口的两侧,在屏蔽罩的内部,图1中仅是一个断口的结构图,双断口时,在该断口的一侧再串联一个断口.双断口串联时的等效电路图见图2.
从图2等效电路图可以得出,整个回路的电容C为:
则两断口上的电压分布U1和U2分别为:
对于结构固定550kV断路器,通过计算分析可得对地电容约为:
断口间的电容通过实测可得:
根据参考文献[3]及高压开关的研发设计经验,并联电容一般约取:
根据式(2)和(3)计算可分析,当开关断口不并联电容时U1和U2分别为:
图2 带并联电容的双断口串联等效电路图
当开关断口并联电容时,则
由此可见,当开关采用双断口时,必须并联电容,否则,两个断口的电压差可能很大,导致断口绝缘出现问题。
图1所示的模型中,断路器的每个断口约有8组电容器,均匀分布在断口的截面上,准确的说,计算含电容器的断口间电场分布时,应该为三维模型,为了简化计算,对模型进行处理,近似认为是二维分布,由于电容器的两个极为金属电极,因此,在用Ansys中的静电场有限元法[4-5]进行计算分析时,对金属电极的所有节点电压进行了电位耦合.通过以上处理后,在利用Ansys进行电场计算时,对模型进行统一剖分,不用再单独处理金属电极,Ansys能够自动计算分析每个电容器的电位.对图1中的模型进行分析,图1中电容器组离屏蔽罩的垂直距离为25mm,其电场强度分布见图3.
图3 含并联电容的断口间电场强度分布图
从图3中可以看出,模型中最大的电场强度为17.726kV/mm,而且发生在屏蔽罩的外面,根据参考经验值,SF6表计气压为0.5MPa时,许用场强为29kV/mm[3],可知,此时断路器的结构设计是合理的.
断路器的灭弧室在安装电容器和屏蔽罩时,由于制造公差,以及人为因素,导致与设计尺寸可能有较大的偏差,下面的算例中,主要围绕电容器离屏蔽罩的垂直距离进行分析,为了效果更加明显,将图1模型中的电容器组向屏蔽罩移近20mm,电容器离屏蔽罩的距离约为5mm,其电场分布见图4.
从图4中,可以看出,电容器组离屏蔽罩太近时,屏蔽罩内缘的电场分布发生畸变,最大场强达到31.9kV/mm.为了进一步分析,图5中绘出了每只电容器的电位值,从图中可以看出,电容器组中每只电容器的电压降除两端稍低外,中间压降基本相同,这主要是由于电容器的极与屏蔽罩之间形成的容性电流造成的.
图4
图5
通过图5分析可知,由于电容器的每只压降比较大,而屏蔽罩为了能有效的屏蔽动静触头,大约3只电容器在屏蔽罩内,通过图1也能够看出.当电容器组接近屏蔽罩时,由于每只电容的压降,实际在第三只电容的极与屏蔽罩之间已经有很大的压差,因此,当距离较近时,二者之间的电场分布将极不均匀.当断口间使用均压电容器时,应该注意此点.为了验证计算分析的正确性,我公司对此进行了试验.
试验分两个方案进行.
第一方案,是装有电容器的绝缘管正确按图1模型所示进行安装,断路器的一端接地,一端接高压,试验冲击电压为1675kV,正负极性各15次,工频耐压为1分钟740kV.
该电容器安装方式下,通过了所有的试验,试验结果非常好,没有发生任何问题.
第二方案,是装有电容器的绝缘管向屏蔽罩方向移动,基本接近屏蔽罩进行安装,试验方案同方案一.
该方案下,仅3次冲击就发生了断口间击穿现象,击穿的绝缘管照片见图6,击穿的电容器见图7.
图6 击穿的绝缘管照片
图7 击穿的电容器照片
通过以上试验验证及理论计算分析,可以得到,断口间并联电容器的安装位置至关重要,否则,很可能会导致电容器击穿,发生绝缘失败问题.
通过计算分析,论述了550kV断路器采用双断口串联的灭弧室时,断口间需并联电容器组,该并联电容器组能够有效的完成断口间的均压.
但是,断口间并联的电容组的安装位置至关重要,通过计算分析和试验验证,证实了电容器组安装时,应该充分考虑到离金属屏蔽罩的距离,否则,很可能会造成电容器对屏蔽罩的击穿,最终导致断口间绝缘失败.
[1]中国电器工业协会高压开关分会.我国高压开关行业发展综述[J].电器工业,2009,(2):6-11.
[2]吴怀权.高压开关行业共性技术发展综述[J].电器工业,2009,(7):34-38.
[3]黎斌.SF6高压电器[M].北京:机械工业出版社,2007.
[4]孔明礼,胡仁喜,崔海蓉.Ansys 10.0电磁学有限元分析实例指导教程[M].北京:机械工业出版社,2007.
[5]盛剑霓.工程电磁场数值分析[M].西安:西安交通大学出版社,1991.