550kV单断口自能式断路器开断特性研究

【摘要】：近年来,特高压行业的迅猛发展,为输变电设备市场带来巨大利润的同时,极大程度上引领着输变电设备的发展方向。压气式SF6断路器因其优良的开断性能与绝缘性能,在高压开关市场占据主导地位。由于压气式断路器在开断过程中需要气缸持续对缸内气体做功,尤其对于特高压开关设备,需要配备大功率操动机构才能完成开断任务,这就对高压开关设备的可靠性提出了较高要求。而自能式断路器凭借其体积小、操作功低等优点,可以弥补这一不足。目前,由于对电弧理论的认知程度还不够,限制了高压自能式断路器的进一步发展,在550kV电压等级应用的断路器多为压气式SF6断路器,设备体积大、操作功高。因此,对于高压大容量自能式灭弧室的研究成为实现特高压开关设备“自能化”目标的重要一环。本课题依托国家电网公司总部科技项目“550kV单断口自能式灭弧室关键技术研究”,以一台550kV单断口自能式断路器为研究对象,建立了考虑喷口烧蚀的二维动态电弧数学模型。本文从小电流开断、大电流开断以及开断特性的影响因素三个方面入手,在小电流方面,研究灭弧室绝缘特性、容性小电流压气特性以及介质恢复特性,以及10%额定短路开断电流条件下气压与温度特性。大电流方面,研究不同短路电流、不同燃弧时间以及有无喷口烧蚀对气压与温度特性的影响,并通过电流过零时刻断口间气流参数分布情况来对比分析开断性能。此外,本文还对阀片动作特性以及气缸的压缩功特性进行研究,对比分析压气式结构与自能式结构的差异。最后,对比不同的喷口扩张角、膨胀室容积以及充气压强对开断特性的影响。计算结果表明:容性小电流开断条件下,能够成功开断的最短燃弧时间为2ms。大电流开断条件下,电流值越大,开断性能越强,喷口烧蚀质量越大;燃弧时间越长,开断性能越弱,喷口烧蚀质量越大而且膨胀室压强并不随着燃弧时间的加长而增大。短路电流与燃弧时间对过压阀动作时间的影响较小。喷口烧蚀对膨胀室压强贡献较小,但会将弧区平均温度降低3000K-5000K,弧后介质恢复能力也会相应提高。自能式气缸较压气式气缸压缩功率低约25%-40%,且气缸的压缩功相较于压气式气缸可以降低24%以上。结合本文的几种计算条件,现有设计方案,即50°喷口下游扩张角,100%膨胀室容积以及0.65MPa的充气压强能够获得较为优良的开断性能。