基于恢复电压的高压断路器断口电场状态分析

潘世岩 马 明

1.南京合继思瑞电力科技有限公司 南京 210015 2.正泰电气股份有限公司 上海 201614

1 研究背景

高压断路器是电力系统重要的开关设备,起到保护电力系统稳定运行,开断关合各类故障电流、保障运维人员及其他设备的安全。型式试验中重要的试验项目是验证高压断路器是否具备开断关合各类故障短路电流的能力。按GB/T 1984—2014《高压交流断路器》标准要求,在额定短路电流开断试验中,当短路电流过零点时,按标准规定需要在高压断路器的一侧加载恢复电压,此时高压断路器断口间的绝缘介质需要耐受上升率极高的恢复电压而不被电压击穿,从而使额定短路电流无法重燃或重击穿,才能确定高压断路器有效开断该额定短路电流。

按标准规定,恢复电压由包括时间、电压幅值在内的四参数法确定,试验标准中,针对不同工况,开断短路电流有多种方式,高压断路器只有通过全部方式的试验,才能被认定为通过试验。为了节约试验时间,避免重复试验,试验标准中规定当高压断路器动侧与静侧为非对称结构时,在开断100%额定短路电流对称分量试验(T100s)与开断100%额定短路电流非对称分量试验(T100a)试验方式下,需采用相反的接线方式来实现。两种额定短路电流开断试验因试验短路电流形态不同,会造成高压断路器短燃弧时间上的差异,从而因恢复电压加载不同造成高压断路器未处于最为严酷的试验条件下,无法确认高压断路器性能是否覆盖所有工况。

综上所述,为了研究恢复电压不同加载方式对高压断路器开断试验的影响,获得高压断路器处于最严苛试验条件下断口间电场分步状态,以便设计有利于高压断路器的绝缘结构。笔者通过试验标准中的允许公差计算可接受的最严苛的恢复电压包络线,建立恢复电压参数中对应的时间参数,结合高压断路器运动位置模型,通过有限元方法计算恢复电压不同加载方式下的电场状态及断口间电场状态。研究结果可以判断何种接线方式在开断试验中更为严酷,通过电场状态及断口间电场状态,为绝缘介质的流向与流速设计提供参考,并提供理论上的判断条件。

2 恢复电压与建模

当流经高压断路器的短路电流熄灭时,在高压断路器断口间产生的电压称为恢复电压,又因高压断路器所在的电气回路及高压断路器自身特性,恢复电压由起始瞬态恢复电压、瞬态恢复电压及工频恢复电压组成并连续产生。在实际试验环境下,高压断路器额定短路电流开断试验多采用合成试验方法进行试验,即短路电流源与恢复电压源由两组电力设备提供。理想的恢复电压加载方式如图1所示,短路电流过零时刻高压断路器如图2所示。恢复电压波形的每一部分都会影响高压断路器的开断能力,当恢复电压加载时,由于高压断路器尚未完成分闸动作,短路电流因经过零点暂时熄灭,此时高压断路器动侧与静侧之间的距离非常近,加之恢复电压具有较高的上升速率,两侧间的狭小空间使得绝缘介质瞬间恢复,此时绝缘介质在相应电场下的恢复能力是否能阻止电流的复燃,成为决定高压断路器是否可以完成试验的关键。

2.1 起始瞬态恢复电压参数

某高压断路器进行T100s额定短路电流开断试验,试验标准规定起始瞬态恢复电压参数中,额定电压Ur为252 kV,额定短路开断电流Isc为50 kA,首开极因数kpp为1.3,短路开断电流乘数fi为0.069 kV/kA,开断时间ti为0.6μs。

图1 恢复电压加载方式

图2 短路电流过零时刻高压断路器

起始瞬态恢复电压Us为:

Us=Iscfi

(1)

计算得到起始瞬态恢复电压Us为3.45 kV。

因试验环境的复杂性及高压断路器自身的电气特性,试验回路不可避免会产生公差,为保证公差在可接受的范围内,且不会影响被试验高压断路器试验参数的准确性,试验标准规定对于恢复电压,峰值电压允许公差范围Δu为0～5%、上升率ΔdU/dt为0～8%,未超过公差范围的试验被认为是有效的,所以当试验参数达到最大公差值时,可以认为被试高压断路器处于最苛刻的试验条件下,由此电压修正公式为:

Uimax=UiΔu

(2)

式中:Ui为各标准电压;Uimax为修正后的各电压最高幅值。

根据式(2),起始瞬态恢复电压最高幅值Usmax可以修正为:

Usmax=3.45×105%=3.622 5 kV

试验标准中规定的瞬态恢复电压参数见表1。

按式(2)修正各项电压参数如下:

U1max=201×105%=211.05 kV

Ucmax=374×105%=392.7 kV

U2max=100×105%=105 kV

表1 瞬态恢复电压参数

上升率修正公式为:

(3)

按式(3)修正上升率为:

(dU/dt)TFmax=2×108%=2.16 kV/μs

同时,有:

(dU/dt)TF=U1/t1

(4)

则:

t1=U1/(dU/dt)TF

(5)

按式(5)计算t1为:

t1=211.05/2.16≈97.7μs

2.2 工频恢复电压参数

(6)

按式(2)及式(6)计算修正后的工频恢复电压最大值Emax为:

可以理解为工频恢复电压达到198.6 kV后持续下降,因工频恢复电压出现在瞬态恢复电压之后,此时断口间距离随高压断路器动侧运动增大,电场强度随之下降,在绝缘气体绝缘能力不降低的前提下,可以忽略此时电场对绝缘气体的击穿。

2.3 恢复电压参数

基于对起始瞬态恢复电压、瞬态恢复电压及工频恢复电压的参数确定,按时间绘制试验标准中可以接受的最苛刻的恢复电压参数包络线,见表2。只有当高压断路器在进行T100s额定短路电流开断试验时绝缘介质能够耐受各参考点下加载的恢复电压所形成的电场强度,才可以证明高压断路器可以完成对应额定短路电流的开断动作,并且不会发生重燃。

表2 恢复电压参数

3 高压断路器运动模型

结合已有的高压断路器研制经验,该高压断路器预计设计最短燃弧时间为8.7 ms,采用弹簧操动机构,分闸速度设计为8 m/s。从操动机构运动仿真计算及摸底试验中证明,在额定短路电流开断过程中,短路电流的电动力对断路器机械特性影响非常小,可以采用在匀速运动状态下来计算高压断路器的空间位置。

最短燃弧时间所对应的高压断路器动侧运动距离l1为:

l1=l2+l3

(7)

式中:l2为接触行程,取28 mm;l3为燃弧行程,取69.5 mm。

计算得到高压断路器的动侧运动距离为97.5 mm,按恢复电压模型中的关键时间点计算高压断路器动侧相对运动距离,见表3。同时增加继续运动时间0.1 ms下的相对运动距离,作为计算电场强度发展的观察点。

表3 高压断路器动侧相对运动距离

4 恢复电压下电场状态

由表3确定恢复电压参数作为边界条件,采用有限元法分别对高压断路器动侧与静侧加载,进行电场强度计算。在高压断路器相对运动距离101.5 mm及102.3 mm处加载高于试验标准要求的恢复电压Uc,一方面可以考量高压断路器试验中可能存在分闸时间漂移的情况,另一方面便于判断电场强度的发展方向。

4.1 恢复电压加载于高压断路器动侧电场强度

高压断路器动侧相对运动至97.504 8 mm、97.916 mm、98.281 6 mm、100.7 mm、101.5 mm、102.3 mm,恢复电压加载于高压断路器动侧时的电场强度计算结果如图3～图8所示。

图3 恢复电压加载于动侧,运动至97.504 8 mm电场强度

图4 恢复电压加载于动侧,运动至97.916 mm电场强度

4.2 恢复电压加载于高压断路器静侧电场强度

高压断路器动侧相对运动至97.504 8 mm、97.916 mm、98.281 6 mm、100.7 mm、101.5 mm、102.3 mm,恢复电压加载于高压断路器静侧时的电场强度计算结果如图9～图14所示。

4.3 恢复电压不同加载方式比较

恢复电压加载于高压断路器静侧与动侧电场强度最高值比较如图15所示。当高压断路器处于相同位置时,恢复电压加载静侧时的电场强度最高值大于加载动侧时的电场强度最高值,恢复电压加载静侧时,高压断路器处于最严酷的实验环境中,证明该高压断路器的开断能力可以覆盖T100s额定短路电流开断试验所需证明的所有工况。

图5 恢复电压加载于动侧,运动至98.281 6 mm电场强度

图6 恢复电压加载于动侧,运动至100.7 mm电场强度

图7 恢复电压加载于动侧,运动至101.5 mm电场强度

图8 恢复电压加载于动侧,运动至102.3 mm电场强度

图9 恢复电压加载于静侧,运动至97.504 8 mm电场强度

图10 恢复电压加载于静侧,运动至97.916 mm电场强度

图11 恢复电压加载于静侧,运动至98.281 6 mm电场强度

图12 恢复电压加载于静侧,运动至100.7 mm电场强度

图13 恢复电压加载于静侧,运动至101.5 mm电场强度

图14 恢复电压加载于静侧,运动至102.3 mm电场强度

图15 恢复电压加载电场强度最高值比较

5 恢复电压下断口间电场状态

高压断路器动侧相对运动至97.504 8 mm、97.916 mm、98.281 6 mm、100.7 mm、101.5 mm、102.3 mm,恢复电压加载于高压断路器静侧,断口间最短距离下电场强度计算结果如图16～图21所示。

图16 运动至97.504 8 mm断口间电场强度

图17 运动至97.916 mm断口间电场强度

图18 运动至98.281 6 mm断口间电场强度

恢复电压加载于高压断路器静侧时,各时间点断口间最短距离下的电场强度范围如图22所示。在T100s额定短路电流开断试验中,当短路电流过零点熄灭后,绝缘介质需要迅速填充断口间的空间并耐受快速上升的恢复电压所形成的电场,此时绝缘介质的流速、流向直接决定了空间电场的耐受能力,高压断路器是否具备开断能力,需要有电场强度范围作为设计基础,从而避免因绝缘介质无法耐受恢复电压造成短路电流的重燃而导致的试验失败。

图19 运动至100.7 mm断口间电场强度

图20 运动至101.5 mm断口间电场强度

图21 运动至102.3 mm断口间电场强度

图22 断口间最短距离电场强度范围

6 结束语

笔者通过对T100s额定短路电流开断试验中恢复电压进行公差修正,得到最苛刻条件下的恢复电压模型。通过建立相应时间下高压断路器的运动模型进行空间电场及断口间电场状态的分析,结论如下:高压断路器恢复电压加载于静侧时电场强度高于恢复电压加载于动侧时,设计时应以恢复电压加载于高压断路器静侧为设计及验证条件。对高压断路器断口间电场状态研究可以表明,对绝缘介质恢复特性设计时,应以在恢复电压加载下高压断路器断口间的绝缘介质所承受的电场强度为设计条件。这一研究方法为已设计完成的高压断路器是否具备完成T100s额定短路电流开断试验提供了一种有效途径,在改变相应的恢复电压要求后,也适用于T100s额定短路电流开断试验以外的其它短路电流开断试验检验方法。