高压断路器恢复电压下喷口表面电场状态分析_潘世岩.pdf

上海电气技术 ，（）收稿时间：第一作者简介：潘世岩（），男，硕士，高级工程师，主要从事高压开关设备研究与设计工作高压断路器恢复电压下喷口表面电场状态分析潘世岩马明南京合继思瑞电力科技有限公司南京 正泰电气股份有限公司上海 摘要：对高压断路器进行额定短路电流开断试验，按照试验标准，当额定短路电流过零之后，恢复电压需加载于高压断路器的两端，此时高压断路器断口间的狭小空隙将被绝缘介质高速填充，形成具有绝缘能力的空间。在试验中，断口间因绝缘能力不足，无法克服恢复电压造成的电场强度，形成断口间击穿，或者喷口表面无法耐受恢复电压造成的电场强度，形成表面击穿，均可能造成额定短路电流重燃，使试验失败。针对某 高压断路器额定短路电流开断试验，采用两种不同接线方式，利用有限元方法计算恢复电压条件下大喷口与小喷口表面的电场强度，从而为高压断路器喷口材质选择、喷口形态设计，以及喷口周围绝缘介质流速与流量设计提供理论依据。关键词：高压断路器；恢复电压；喷口；电场；分析中图分类号：文献标志码：文章编号：（）：，：；研究背景高压断路器作为重要的电力系统设备，在运行中需要时刻具备开断关合各类故障电流，保障运维人员及其它电气设备安全的能力，从而保障电力系统的安全和稳定运行。型式试验中的额定短路电流开断试验可以检验高压断路器是否具有开断关合的能力。按照试验要求，当额定短路电流过零之后，高压断路器处于断路状态，两端施加恢复电压，从而验证高压断路器是否会发生因系统特性产生恢复电压 ，（）上海电气技术而导致的额定短路电流重燃，继而造成额定短路电流开断失败。额定短路电流开断试验中，除了因高压断路器断口间电场强度高于绝缘介质形成的绝缘耐受强度而导致的断口间击穿，也会因为喷口表面无法耐受恢复电压形成的电场强度而导致喷口表面击穿。两种击穿均会导致额定短路电流重燃，从而证明被试高压断路器不具备额定短路电流开断能力。对于恢复电压的形成、条件及控制方法，有众多学者进行了讨论。但由于高压断路器的结构特殊性，对喷口表面电场强度的研究还较少，而喷口表面耐受电场强度的能力却是设计喷口时必须考虑的问题。笔者在额定短路电流开断试验中研究恢复电压下喷口表面电场强度的耐受要求，以尚在研制中的某 高压断路器模型为例，采用两种不同接线方式，分别对高压断路器两侧按型式试验标准施加恢复电压，应用有限元法计算喷口表面的电场强度，为高压断路器的喷口形态、材质及绝缘介质的物理状态对喷口的影响提供理论依据。这一方法也可以校验已设计完成的高压断路器喷口是否具备耐受额定短路电流开断试验中恢复电压造成的表面电场强度的能力。恢复电压条件恢复电压的组成如图所示。恢复电压指在额定短路电流经过零点之后加载于高压断路器两端的具有高上升率的规定试验电压，当有机材质喷口无法耐受表面电场时，可能发生表面放电，形成电流通道，使额定短路电流重燃，造成高压断路器额定短路电流开断试验失败。喷口表面放电如图所示。图恢复电压组成恢复电压波形是由起始瞬态恢复电压、瞬态恢复电压、工频恢复电压组成的连续的电压波形。在试验标准中，额定电压为 ，额定短路电流为 的高压断路器，进行额定短路电流开断试验 ，恢复电压的参数要求见表。图喷口表面放电表恢复电压参数要求项目数值额定电压 额定短路开断电流 首开极因数 起始瞬态恢复电压短路开断电流函数的乘数（）电压 时间 瞬态恢复电压第一参考电压 到达第一参考电压时间 瞬态恢复电压峰值 到达瞬态恢复电压时间 延时 参考电压 到达时间 上升率（）工频恢复电压 高压断路器模型研制中的 高压断路器灭弧室简化如图所示，由静侧、动侧及外壳组成。动侧为与操动机构连接侧，一般由有机材质的大喷口、有机材质的小喷口、金属材质的动弧触头组成。静侧均为金属材上海电气技术 ，（）质组成。在电场计算中，静侧可以简化为完整的金属部分。高压断路器灭弧室其余空间充入额定气压的六氟化硫气体，作为绝缘介质。图高压断路器灭弧室简化高压断路器动侧相对运动距离与恢复电压时间参照点的对应关系见表。表高压断路器动侧相对运动距离与恢复电压时间参照点对应关系项目数值设计分闸速度（）预期最短燃弧时间 额定短路电流过零时刻行程 额定短路电流过零后 行程 额定短路电流过零后 行程 额定短路电流过零后 行程 额定短路电流过零后 行程 额定短路电流过零后 行程 恢复电压下喷口表面电场强度分析在高压断路器中，喷口优先选用聚四氟材质，介电常数为 。作为绝缘介质的六氟化硫气体介电常数为 。对高压断路器模型按恢复电压时间参照点进行整理，并按两种不同的接线方式对模型中喷口进行有限元法表面电场计算。其中，设置额定短路电流过零后 时间参考点，电压仍取瞬态恢复电压峰值，考量试验中可能存在的时间漂移，同时方便判断喷口表面电场强度的演化状态及趋势。动侧施加恢复电压下大喷口表面电场强度高压断路器动侧运动至 、时，在动侧施加相对应的恢复电压，大喷口表面电场强度计算结果如图图所示。图运动至 动侧施加恢复电压下大喷口表面电场强度图运动至 动侧施加恢复电压下大喷口表面电场强度图运动至 动侧施加恢复电压下大喷口表面电场强度 静侧施加恢复电压下大喷口表面电场强度高压断路器动侧运动至 、时，在静侧施加相对应的恢复电压，大喷口表面电场强度计 ，（）上海电气技术图运动至 动侧施加恢复电压下大喷口表面电场强度图运动至 动侧施加恢复电压下大喷口表面电场强度算结果如图图 所示。图运动至 静侧施加恢复电压下大喷口表面电场强度 动侧施加恢复电压下小喷口表面电场强度高压断路器动侧运动至 、时，在动侧施加相对应的恢复电压，小喷口表面电场强度计图 运动至 静侧施加恢复电压下大喷口表面电场强度图 运动至 静侧施加恢复电压下大喷口表面电场强度图 运动至 静侧施加恢复电压下大喷口表面电场强度算结果如图 图 所示。静侧施加恢复电压下小喷口表面电场强度高压断路器动侧运动至 、时，在静侧施加相对应的恢复电压，小喷口表面电场强度计上海电气技术 ，（）图 运动至 静侧施加恢复电压下大喷口表面电场强度图 运动至 动侧施加恢复电压下小喷口表面电场强度图 运动至 动侧施加恢复电压下小喷口表面电场强度算结果如图 图 所示。分析结果各状态下喷口表面电场强度比较如图 所示。可见高压断路器在额定短路电流开断试验 中，图 运动至 动侧施加恢复电压下小喷口表面电场强度图 运动至 动侧施加恢复电压下小喷口表面电场强度图 运动至 动侧施加恢复电压下小喷口表面电场强度动侧加载恢复电压时，大小喷口表面电场强度均高于静侧加载恢复电压时，这一接线方式可以使高压断路器处于更苛刻的试验条件下。电场强度最高值出现在小喷口表面，最高电场强度达到 。，（）上海电气技术图 运动至 静侧施加恢复电压下小喷口表面电场强度图 运动至 静侧施加恢复电压下小喷口表面电场强度图 运动至 静侧施加恢复电压下小喷口表面电场强度之后，随着高压断路器动侧继续运动，喷口表面电场强度呈下降趋势。因此，在喷口形态设计时，要注意最高电场强度区域的优化。同时在喷口材料选择时，要注意材质对电场强度的耐受能力，以及绝缘介图 运动至 静侧施加恢复电压下小喷口表面电场强度图 运动至 静侧施加恢复电压下小喷口表面电场强度质流动对喷口表面绝缘能力造成的影响。图 喷口表面电场强度比较结束语笔者建立试验标准中恢复电压及高压断路器恢复电压参考时间点，采用有限元法对喷口表面电场上海电气技术 ，（）强度进行计算。在额定短路电流开断试验 中，不同的恢复电压接线方式直接影响喷口表面电场强度，采用型式试验标准试验条件判断高压断路器所处的试验环境，作为喷口的设计条件。对喷口表面电场强度进行计算，可以确定喷口表面电场强度的分布情况，有利于喷口设计时优化喷口形态，选择喷口材料，并考虑绝缘介质对喷口产生的影响。这一研究方法也可以反向应用于判断研制过程中的高压断路器在额定短路电流开断试验及其它相似开断试验中大、小喷口发生表面放电的可能性。参 考 文 献高压交流断路器：黎斌 高压电器设计 版北京：机械工业出版社，王仁甫断流容量试验回路中四参数瞬态恢复电压的计算 高压电器，（）：王春艳，魏建巍 高压开关用灭弧喷口材料改进及制造工艺研究河南科技，（）：袁端鹏，陈蕊，郝留成，等 成型工艺对高压开关灭弧喷口的性能影响研究绝缘材料，（）：袁端鹏，罗军，林生军，等 基于 填料的高压开关用灭弧喷口材料性能研究 绝缘材料，（）：张无波基于数值仿真的可分离连接器电场分析和结构优化 上海电气技术，（）：，冯亚清，马志瀛高压真空断路器灭弧室处表面电场计算与绝缘设计 电工技术，（）：林秀岳，聂一雄，朱铁超，等高压开关柜三维瞬态电场计算研究高压电器，（）：施源 杂散电感对混合式限流直流断路器影响的分析上海电气技术，（）：（编辑：岚）（上接第 页）结束语铝合金作为轻质高强度材料，具有良好的耐腐蚀性、装饰性及循环回收性，符合我国绿色发展的基本战略，在智慧城市建设中大有可为。笔者结合铝合金材料自身优势，设计了一种 铝合金智慧路灯灯杆。通过设计建模，有限元分析，制订挤压、焊接等技术路线，最终完成样件试制，并应用于实际道路中，取得良好效果。铝合金智慧路灯灯杆在智慧城市建设中切实可行，具有一定的发展前景。参 考 文 献方亮智能灯杆在智慧城市中的应用探讨智能城市，（）：陈颖智慧灯杆在智慧城市中的应用电脑编程技巧与维护，（）：肖辉，李文超，朱应昶，等多功能智慧灯杆系统应用研究照明工程学报，（）：焦奕硕，张雷智慧灯杆在新型智慧城市中的应用智能城市，（）：庄晓波，黄峰 路灯、智能路灯和多功能路灯的标准进展 年中国照明论坛 半导体照明创新应用暨智慧照明发展论坛，苏州，席美蕾，朱成虎，龚俊杰，等 太阳能路灯灯杆的有限元研究机械制造与自动化，（）：（编辑：尔东）规范先行诚信至上创新驱动合作共赢