550_kV快速真空断路器的设计与试验_邓吉勇.pdf

550 kV快速真空断路器的设计与试验邓吉勇1，张建凯1，严伟2，王智勇1，吕玮2，陈羽2，李德召1（1.常州博瑞电力自动化设备有限公司，江苏 常州213025；2.南京南瑞继保电气有限公司，南京211102）摘要：文中基于多断口串联技术，提出了气体绝缘罐式550 kV快速真空断路器。首先介绍了550 kV快速真空断路器的拓扑和结构方案，然后针对绝缘和温升开展仿真计算，以校核结构设计的合理性，最后通过绝缘和温升试验验证产品性能。仿真结果表明，所有断口处于合位时，最大场强在快速开关进出线处的屏蔽罩上，为19.5 kV/mm，所有断口处于分位时，最大场强在真空灭弧室静触头端面处，为18.9 kV/mm，各部分场强均符合场强设计基准；根据温升场分布，最高温升在真空灭弧室动静触头接触处，为50.8 K。此外，样机通过了对地和端间绝缘试验，单断口罐体的温升试验结果与仿真计算值最大偏差小于4 K，结果符合标准要求。关键词：快速真空断路器；多断口；罐式；绝缘；温升Design and Test of 550 kV Fast Vacuum Circuit BreakerDENG Jiyong1，ZHANG Jiankai1，YAN Wei2，WANG Zhiyong1，LYU Wei2，CHEN Yu2，LI Dezhao1（1.NR Electric Power Electronics Co.，Ltd.，Jiangsu Changzhou 213025，China；2.NR Electric Co.，Ltd.，Nanjing 211102，China）Abstract:550 kV dead tank fast vacuum circuit breaker based on multiple break series technology is proposed inthis paper.First，the topology and structure of 550 kV fast vacuum circuit breaker is introduced.Then，simulation calculation of insulation and temperature rise is carried out in order to check the rationality of structural design.At last，the performance of the product is verified by insulation and temperature rise tests.The simulation results show that，with all the contacts being closed，the maximum electric field intensity，which is 19.5 kV/mm，is on the shield at theincoming and outgoing of the fast switch.While，with all the contacts being opened，the maximum field intensity，which is 18.9 kV/mm，is on the end surface of static conductive rod of the vacuum interrupter.The electric field intensity of all parts are in line with the electric field intensity design criteria.According to the temperature rise fielddistribution，the maximum temperature rise，which is 50.8 K，is at the contact of moving and stationary contact of thevacuum interrupter.In addition，the prototype passed the test of insulation to ground and between the terminals.Themaximum deviation between the temperature rise test of single break enclosure and the simulation calculation is lessthan 4 K，and the results comply with the requirements of standard.Key words:fast vacuum circuit breaker；multibreak；tank；insulation；temperature rise0引言断路器是电力系统中最重要的控制和保护设备之一，在电力系统中起着至关重要的作用1。随着电力负荷水平的不断提升，造成了短路容量与短路电流不断增大，高电压等级快速真空断路器成为断路器领域的热点研究方向2-4。真空断路器具有环保、体积小、动作速度快且可靠性高等优点5，由于真空间隙的击穿电压与间隙长度存在饱和效应，为了保持真空短间隙的优良特性，通常采用多个真空灭弧室串并联的方案，即多断口真空断路器4-5。同时，传统断路器存在开断时间长的缺点，固有分闸时间为2580 ms，使50 Hz的电力系统承受较大的短路电流冲击，因此，基于电磁斥力原理实现数第59卷第2期：001500222023年2月16日High Voltage ApparatusVol.59，No.2：00150022Feb.16，2023DOI:10.13296/j.10011609.hva.2023.02.003_收稿日期：20220907；修回日期：202211132023年2月第59卷第2期毫秒分闸的快速操作机构逐渐得到广泛应用2，6-7。罐式高压真空断路器具有可靠性高、占用空间小、恶劣环境保护等优点8，其设计核心是整体的电气可靠性与机械可靠性，而绝缘和温升是电气可靠性的两大重要组成部分。近年来，针对高压真空断路器的绝缘和温升已有较多的研究，多所高校采用40.5 kV真空灭弧室串联构成双断口或三断口真空断路器，对其电压、电场分布及绝缘性能进行了仿真分析9-11；文12对126 kV双断口罐式快速真空断路器建立仿真模型，获得电场、磁场和温度场分布特征，为设计优化提供依据；文13-14研究了具有串并联结构的363 kV高压多断口真空断路器三维电场，校核各部件的绝缘水平，同时，对126 kV及363 kV多断口断路器的温度场也进行了有限元仿真计算研究12，15；针对罐式结构全封闭、内部空间有限、热量相对集中等特点，目前多采用数值计算、有限元仿真结合试验测试的方法对GIS、GCB等罐式全封闭结构进行温升研究16-17。以上关于绝缘与温升的研究多局限在363 kV及以下的真空断路器，而对于550 kV及以上的超高压真空断路器的研究还很少。文中基于电磁斥力机构及多断口串联技术设计550 kV快速真空断路器，采用气体绝缘的罐式结构，并对绝缘和温升两大重要性能进行仿真计算校核及试验研究，为样机的设计改进及生产提供参考。1方案设计1.1 拓扑原理550 kV快速真空断路器的拓扑原理见图1，每相主回路由6个真空灭弧室QF1QF6串联组成，额定电流4 000 A，额定短路开断电流50 kA。由于杂散电容的影响，目前主要采用加装均压电容的方法来提高多断口断路器电压分布的均匀性9，18，因此在每个真空断口并联均压电容C；各真空断口配置独立电磁斥力操作机构及相应的储能单元，断口分闸指令由具备高速采样和故障识别算法的控制保护装置发出，实现对短路电流的快速检测识别和可靠快速开断。图1550 kV快速真空断路器拓扑原理Fig.1Topological principle of 550 kV fast vacuumcircuit breaker1.2结构设计550 kV快速真空断路器采用气体绝缘的罐式结构方案，以真空灭弧室作为灭弧单元，以SF6作为外绝缘介质。见图 2，每个罐体立筒内分别放置一个真空灭弧室，进出线间通过弹簧触指电连接，整体呈“一字形”串联布置；两端进出线采用气体绝缘套管，套管根部外置CT，用于测量主回路电流。在各罐体底部给每个真空灭弧室配置独立电磁斥力操作机构，固有分闸时间仅1 ms左右。图2550 kV快速真空断路器结构Fig.2Structure of 550 kV fast vacuum circuit breaker2绝缘设计及电场仿真2.1绝缘设计及电场仿真简化模型在真空断路器绝缘设计中，有限元分析是电场数值计算的一种常用且高效的方法19-20。真空灭弧室内的电场分布决定端间绝缘及短路电流开断能力，外部电场分布影响断路器的整机绝缘特性14。550 kV快速真空断路器的绝缘设计主要包含真空灭弧室断口、内部SF6间隙、绝缘件等，这些关键部位初步计算得到设计值后还需通过电场仿真计算进行校核。单个快速开关模块电场仿真简化模型见图3，真空灭弧室外套有绝缘筒，绝缘筒四周并联均压电容；真空灭弧室上下进出线导体与罐体横筒同轴，进出线处设计上、中屏蔽罩均匀电场；灭弧室动触头与操作机构间通过绝缘拉杆和绝缘筒隔离电位。图3简化了不影响电场计算的结构，如去掉罐体底部外的操作机构，将屏蔽罩内结构简化，同时为了处理进出线导体端部电场，按实际结构保留两端的屏蔽罩等。2.2边界条件快速真空断路器存在合位与分位两种情况，需分别施加边界条件。断路器合位时，真空灭弧室与均压电容两端电位相等，均设置为高电位；罐体与16下屏蔽罩设置为零电位。断路器分位时，断口处通过真空隔离高低电位，设置灭弧室静触头为高电位，动触头为低电位，罐体与下屏蔽罩设置为零电位。根据相关标准21-22及实际运行工况，550 kV快速真空断路器需达到的绝缘水平见表1。表1550 kV快速真空断路器的绝缘水平Table 1Insulation level of 550 kV fast vacuumcircuit breaker额定绝缘水平短时工频耐压操作冲击耐受电压雷电冲击耐受电压相对地/kV6801 1751 550断口/kV6801 1751 550雷电冲击耐受电压为SF6电器最严苛的工况条件，一般可根据场强设计基准进行校核，对于同轴圆柱形电极结构，在相对气压 0.4 MPa(20 时)的SF6下，光洁导体场强设计基准值E1=24 kV/mm，绝缘件表面场强设计基准值为E1/2=12 kV/mm23。根据上述，合位时高电位端施加1 550 kV，罐体及低压端金具施加0 V；分位时，根据计算及试验均得出配置6 000 pF均压电容后，断口间不均压系数约为1.24且进线高压端第一个断口分压最大，因此在单断口上施加电压1 550/61.24=321 kV，即进线端电压施加1 550 kV，出线端施加1 229 kV，此为断口承压最为苛刻的情况，罐体及低压端金具施加0 V。2.3计算结果及分析2.3.1合位计算结果及分析单个快速开关模块合位时的场强云图见图4，最大场强在快速开关进出线处的屏蔽罩上。研究表明，屏蔽罩采用多曲率连接的圆弧平滑过渡更有利于均匀电场24。屏蔽罩设计中的关键尺寸R1、R2及R3，见图5。图5(a)中屏蔽罩采用三段圆弧R1、R2及R3实现平滑过渡，当罐体内径及与其同轴安装的真空灭弧室、均压电容尺寸确定，则屏蔽罩设计范围D确定，在此范围内，屏蔽罩到罐体内壁的距离d、过渡圆弧 R1、R2及R3的尺寸配合将影响到电场分布：若R1、R2或R3过小，则小圆弧处出现电场集中；若过渡圆弧均取较大值，则可能出现图5(b)中R3边缘未过渡到位的情况，造成边缘处电场集中；若尽可能满足R1-R3边渡圆弧取较大值且R3边缘过