1.5 kV 低频真空断路器开断能力的研究与验证

孙文艺

（广东明阳电气股份有限公司，广东中山 528451）

0 引言

2020 年9 月，我国提出将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060 年前实现碳中和。为了实现碳达峰、碳中和目标，国家发改委和国家能源局等印发了《“十四五”可再生能源发展规划》指出在山东半岛、长三角、闽南、粤东、北部湾五大海上风电基地，加快推动海上风电集群化开发，推动深远海风电技术创新，建设深远海示范项目［1］，根据环保与公用事业周报指出，我国海域风力资源丰富，“十四五”期间各地区新装机超过50 GW［2］，未来海上风电承担着清洁能源排头兵角色，将成为电网能源重要组成部分。

随着海上风电的快速发展，输电容量、离岸距离不断增加，将面临复杂多变的问题，海上风电的技术问题日益严峻，其包含输电方式的选择［3］。

目前海上风电输电方式主要以下几种：工频交流系统、直流输电系统及西安交通大学王锡凡教授课题组提出的分频（低频）交流系统［4］。文献［5－8］介绍了3种不同的输电方式的可行性及优缺点，工频交流输电发展时间长、技术体系成熟，具有电磁变压、过零开断、多级组网的优势，但长距离输电受电压降、静稳极限的影响，输送容量难以达到其热极限。直流输电系统适用于远距离大容量输电，基于电力电子设备，具备调控能力，但没有电磁变压、过零开断特性，组网难度大成本高。分频（低频）交流系统适用于新能源输送并网等场合，兼具以上两种输电方式的优点。

海上风电场主要传输设备为海底电缆，在工频50 Hz下的合理输电距离在80 km以内。当海上风电场的离岸距离超过80～150 km［9］，采用低频输电可以降低电缆的并联电容效应，进一步扩展海上交流输电的距离。随着海上风电深远海发展及低频输电的优势，使断路器低频输电的工况日益增加，目前包括海上风电低频输电线路、低压交流开关设备、高压交流开关设备、发电机保护断路器等均对大容量分频开断能力提出要求。国内外很多专家学者对低频输电展开了相应的研究。文献［10］从变压器、电缆等方面对3 种输电方式的经济性进行综合比较，得出低频输电的经济适用区间。文献［11］详细介绍了低频输电变频装置的研发，提出了具体方案。文献［12］从国内外已发展史，基本原理，经济性等方面进行了系统分析，对低频输电的应用场景进行了模拟分析，得出低频输电的适用场景。文献［9］提出了交流断路器低频开断等效试验方法设计。本文论述了1.5 kV真空断路器低频交流开断性能分析以及试验验证工作，采用直接试验型试对1.5 kV断路器进行低频交流开断性能的验证，对在实际工况下断路器开断情况有了实际认知，能为后续提升1.5 kV 断路器低频开断性能提供依据，为1.5 kV及以下真空断路器的研究、商业化提供了理论参考。

1 低频输电优势及对断路器的影响

1.1 低频输电优势

低频输电就是通过降低输电的频率，可以大幅度提升输电线路容量。本文研究的是将工频50 Hz 降低到20 Hz时的情况。由式（1）和式（2）可以看出电抗与频率成正比［12］，当系统频率由50 Hz 降低到20 Hz 时，电抗降低为原来的2／5，电压损耗也降为原来的2／5，因此低频输电能大幅度提高输电容量。

式中：Pmax为架空线静稳功率极限；U为输电系统的额定电压；X为线路的电抗；f为系统的频率；L 为线路的电感；ΔU%为线路电压降落百分比；Q为线路流过的无功功率，

海上风电低频输电升压系统如图1 所示，低频输电系统是通过降低工作频率从而降低线路阻抗以提升输电容量的有效手段，由图可以看出低频断路器是输电系统中一个重要环节，下面将主要研究频断路器的开断与试验情况。

图1 风电发电低频输电线路并网发电系统

1.2 低频输电对断路器影响

当系统频率降低时，断路器的燃弧时间会变长。例如断路器在50 Hz下，一个对称短路电流的半波为10 ms，但在20 Hz时，一个半波为25 ms。较长的燃弧时间对各种灭弧介质和灭弧机理的断路器都会造成短路电流开断困难，从而引起断路器的开断能力降低。

20 Hz 及以下频率的短路电流对比于工频电流，其周波时间是工频周波的数倍，如图2所示。断路器的开断原理为：要求断路器在预期的燃弧时间内能够有效开断，否则延后到下一个低频电流半波，增加15 ms 以上的燃弧时间将会给试验带来巨大风险，有可能造成开断失败。

图2 20 Hz和50 Hz电流波形曲线对比

2 低频开断能力的研究

式中：isc为短路电流；T为周期；f为频率。

介质恢复强度峰值为：

因此，对于一个给定的介质恢复强度峰值UTRV（peak），则有：

式中：f 为待求短路电流开断能力的电流频率，Hz；isc（f1）为在频率f1下的短路电流开断能力，kA；f2＝50为已知短路电流开断能力的电流频率，Hz；isc（f2）为在频率f2下的已知短路电流开断能力，kA。

根据以上理论，现有1.5 kV真空断路器在20 Hz 下理论开断能力如表1 所示。

文献［15］中描述了2 个12 kV 真空灭弧室试验情况，一个真空灭弧室采用横向磁场触头，另一个真空灭弧室采用纵向磁场触头，开断能力为12 kV／25～34 kA。12 kV 真空断路器在10～60 Hz 频率下开断能力随频率下降而下降，如图3 所示，对于纵向磁场真空灭弧室其开断能力的下降程度也与横向磁场真空灭弧室近似。

图3 真空灭弧室开断能力与频率关系

由于断路器的开断能力由电流零点的di／dt 值和暂态恢复电压TRV 的上升速度du／dt的乘积所决定的，在低频输电系统中，由于频率降低，可有效降低断路器开断短路电流时电流零点的di／dt值，这对于断路器的开断是有利的。

3 开断能力的验证

3.1 技术方案

本文研发了一台在工频50／60 Hz下开断能力为100 kA的1.5 kV真空断路器（图4），设计方案为：包含3 只真空灭弧室、弹簧机构、主导体、散热片和二次灯组成，导体和灭弧室采用软连接连接。触头压力10 000 N，开距4.5 mm，真空灭弧室直径为151 mm，真空灭弧室采用横向磁场触头，触头直径为100 mm，触头材料为CuCr25，分闸速度为0.8 m／s。

图4 1.5 kV真空断路器

对断路器进行分闸特性分析，初定仿真条件如下。主回路运动部分质量为11.5 kg（灭弧室＋导电夹＋软连接＋绝缘拉杆），超程簧k ＝557 N／mm，F1＝4 177 N，F2＝7 500 N，力变比为1.86，开距s ＝4.5 mm，超程Soverstroke＝6 mm／1.86≈3.2 mm。仿真模型如图5 所示，仿真结果曲线如图6 所示，由图可知，仿真结果：运动行程s ＝3 mm，运动时间Δt ＝2.32 ms，分闸平均速度v ＝s／Δt ＝1.3 m／s。

图5 仿真模型

图6 仿真结果曲线

3.2 试验验证

文献［16－17］详细介绍了产品的试验要求和方法，本文试验主要依据此方法进行，试验结果符合国家标准规定。本开断试验在三相直接实验回路上进行，该回路包括短路发电机、电抗器和TRV调频回路等，短路电流和暂态恢复电压TRV都由该直接实验回路提供，试验回路如图7 所示，现场测试连接如图8 所示。

图7 试验回路

图8 现场测试连接

4 机械磨合、特性测试

依据文献［16－17］中要求，开断试验前对断路器进行空载特性检测，在各操作电压状态下，断路器分合闸正常，其性能参数正常，分合闸时间如表2 所示，测试曲线如图9 所示。

图9 分合闸波形

5 开断能50 kA测试

开始试验，参考GB／T 1984 高压交流断路器［16］标准基本短路试验可分多段进行，标准中取的T10、T30、T60及T100及考虑产品需有开断老练过程、开断试验稳妥性及对产品不同电流下收集，确定第一阶段开断按50 kA进行。为让灭弧室开断老练，进行8 次50 kA开断试验，其中4次O，4 次CO，试验电压为：分闸线圈电压143 V DC，合闸线圈电压187 V DC，ABC 三相各均有首开，最小燃弧时间1.8 ms，最长燃弧时间21.4 ms。试验后，试品正常开断，无异常情况出现，试验有效，选取其中两次CO试验数据如表3所示，开断波形如图10～11所示。

表3 50 kA开断测试数据

图10 50 kA开断波形1

图11 50 kA开断波形2

6 开断能63 kA测试

根据计算结果，断路器可以开断63 kA，确定第二阶段开断按63 kA 进行，看计算结果与实际验证情况，进行8 次63 kA 开断试验，其中4 次O，4 次CO，试验电压为：分闸线圈电压143 V DC，合闸线圈电压187V DC，ABC三相各均有首开，最小灭弧时间2.4 ms，最长灭弧时间18.9 ms。试验后，试品正常开断，无异常情况出现，试验有效，选取其中两次CO 试验数据如表4 所示，开断波形如图12～13 所示。

表4 63 kA开断测试数据

图12 63 kA开断波形1

图13 63 kA开断波形2

7 开断能70 kA测试

断路器在经过8 次50 kA和8 次63 kA开断测试后，断路器开断性能完好，为探究此断路器更真实的开断能力及依据试验站现有直接试验能力，确定按70 kA 来探寻断路器真实开断能力。进行4 次70 kA 开断试验，都为O，试验电压为：分闸线圈电压143 V DC，合闸线圈电压187 V DC，C相首开，最小灭弧时间2.2 ms，最长灭弧时间19 ms。试验正常开断，无异常情况出现，试验有效，选取其中两次O 试验数据如表5 所示，波形如图14～15 所示。

表5 70 kA开断测试数据

图14 70 kA开断波形1

图15 70 kA开断波形2

8 试后绝缘验证

断路器完成开断试验，为验证断路器试验是否成功，按文献［16－17］要求进行绝缘测试，如果试验过程中出现破坏性放电，且不能给出任何证据来证明该破坏性放电出现在自恢复绝缘上，则在完成绝缘试验系列后应对断路器进行解体检查。如果发现非自恢复绝缘损坏（例如痕迹、击穿等），则断路器就没有通过该试验。依照要求，在断路器完成开断试验后，进行产品绝缘验证，测试产品的绝缘性能是否合格，现场试验照片如图16所示。

图16 绝缘测试

8.1 工频电压试验

依据文献［16－17］中绝缘试验要求先进行工频电压试验，试验条件如下：试品状态为开关断口合闸，加压部位、接地部位依据文献试验要求（A、B、C为被测试设备一侧端子，a、b、c为被测试设备另一侧端子，F为外壳或底座接地），试验电压取10 kV，试验时间去1 min，试验相对湿度：51.0%，环境温度：25.5 ℃，大气压：100.4 kPa，实验室海拔高度：5 m，大气修正因数kt＝0.973，实际取1，工频试验结果如表6所示。

表6 工频试验

8.2 雷电冲击电压试验

依据文献［16－17］中绝缘试验要求先进行雷电冲击电压试验，试验条件如下：试品状态为开关断口合闸，加压部位、接地部位依据文献试验要求（A、B、C 为被测试设备一侧端子，a、b、c为被测试设备另一侧端子，F为外壳或底座接地），额定雷电全波耐受电压取20 kV，试验相对湿度：51.0%；环境温度：25.5 ℃；大气压：100.4 kPa，实验室海拔高度：5 m，大气修正因数kt＝0.973，实际取1，雷电冲击试验结果如表7 所示。

表7 雷电冲击试验

9 断路器灭弧室分析

对断路器灭弧室进行解剖（图17），发现灭弧室内屏蔽层有被弧光灼烧，出现破损，同时可看到动、静触头虽有痕迹但烧损并不严重，分析当采用横磁时，当电流越大弧度越超外弯曲，在大电流开断时，弧光已对屏蔽层造成破坏，在后续如需继续提升灭弧室分断能力，保证灭弧室屏蔽层不被灼烧，可采用大肚子型灭弧室即增大的灭弧室的外径，为后续灭弧室设计提供重要设计依据。

图17 灭弧室

10 结束语

本文设计一款1.5 kV工频50 Hz下100 kA横磁断路器，验证频率下降到20 Hz 时的开断能力，前期依据Slade研究的真空断路器开断能力的降低与频率降低的平方根有关，满足关系，对断路器理论开断能力进行计算，计算结果为63 kA，然后通过实际试验对产品进行开断能力、绝缘验证，并对后续横磁式低频开断设计给出指导意见。通过试验得出：用该公式可用来评估1.5 kV真空断路器在低于工频频率下的开断能力，当频率降低时开断能力也跟着降低，同时通过试验得出实际开断能力会高于该公式的计算结果，但在初始设计时可以通过公式进行初步计算，使设计产品参数无限接近需求目标，对后续1.5 kV低频真空断路器设计提供计算依据。