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高速真空断路器及其电弧特性的基本研究
xiao_xiao1 发表于 2009/9/1 14:16:39 642 查看 0 回复 [上一主题] [下一主题]
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1 引言
真空断路器被广泛应用于供配电系统中。它们通过减少从故障发生到故障电流成功开断的持续时间为带重要负荷电力系统设备提供了良好的保护性能。传统的断路器开断故障电流从故障发生时刻起需要几个工频周期的时间，目前，已经开发出了一个周期之内开断故障电流的真空断路器，这种断路器的灭弧室能在一个工频周期内开断故障电流。一个工频周期内开断的真空断路器是汽轮机保护的良好方案，但我们认为，其性能还不是足够好，需要在更短的时间内完成故障开断。
通过在故障电流中叠加高频电流来减少故障的持续时间是减少故障时间的一种方法，叠加的高频电流与故障电流的方向相反。在燃弧时间较短的情况下，通过反响叠加高频电流来开断大故障电流时的电弧特点及开断能力还难以清楚地确定。
首先，我们研究了在私营电厂运行的一种高速真空断路器的高速开断效果，电厂采用了汽轮发电机并与工频电网系统联网运行。当故障发生时，汽轮机和发电机之间的机械连接系统可能被损坏。我们估算了在不同故障电流情况下的汽轮发电机的转矩大小，计算结果显示：若采用叠加反向电流来限制故障持续时间，高速真空断路器比传统断路器对汽轮发电机有更好的保护效果。
然后，通过合成试验电路的方法对真空电弧和其开断能力进行了试验观察和验证试验。特别是当电弧燃烧时间很短时，确定这种电弧是否满足高速真空断路器的要求。这种测试电路由真空断路器、操动机构，带有开关、电容器和电抗器的高频电流源组成。真空灭弧室是由铜烙制作触头和纵向磁场电极构成。这中灭弧室因其高开断能力而著称。在纵向磁场电极中，真空电弧弧柱与纵向磁场平行。改变高频电流源中电容器和电抗器的值来计算在电流开断时电流变化率对开断性能的影响。
试验结果展示了高速真空断路器的电弧特性和开断能力。在触头分开的瞬间电弧被点燃并集中在燃烧点。触头分开后的几个毫秒内，电弧被纵向磁场扩散。灭弧限制电流随着电流变化率的增加而逐步减少。电弧时间减少的同时，开断限制也在减少。
本文描述了高速真空断路器技术和在与采用汽轮发电机并与商业电网系统联网的私营电厂中的应用。
2 发电机转矩的计算
我们研究了在私营电厂运行的一种高速真空断路器的高速开断效果，电厂采用汽轮发电机并与工频电网系统联网。电路模型、汽轮发电机的额定值及变压器如图.1、表1和表2所示。负载由电机、电容器及电阻组成。我们用电磁瞬态计算软件计算了不同的故障模型，故障位置及开断时间等情况下的汽轮发电机的转矩。在计算中，考虑了由于电流截断而引起的过电压因数。
我们计算了故障位置对汽轮发电机转矩的影响，对变压器原边和副边的计算结果如图2所示。由于变压器阻抗的原因，使得变压器副边故障比原边故障时的发电机转矩高。
转矩与真空断路器的型号之间的关系如图3所示。图中给出了两个故障模型，一个是三相短路故障，一个是两相短路故障。如图所示，在这三种故障类型中，高速真空断路器的转矩是最低的。这一点表明了高速真空断路器对汽轮发电机提供很好的保护。单周期开断真空断路器在开断三相短路故障电流时比传统断路器转矩稍高。这是因为在电流开断时开断电流相对较大。
图4显示了转矩与灭弧时间之间的关系。在8毫秒之内转矩随着开断时间的增大而增大。当开断时间大于8毫秒后，由于电流的开断发生在峰值电流之后，因此转矩几乎是常数。故障电流的峰值大约为5kA，而且故障电流中含有直流成分。结果显示，若把开断时间减少到8毫秒以内，将能给发电机提供更好的保护。
3 电弧行为和开断特性的试验判定
3.1试验方法
通过合成电路来进行电弧观察和开断测试，其电流波形图如图5所示。进行了两种类型真空断路器的电弧观察和开断测试。一种可装卸的真空灭弧室用于电弧观察，一种真空断路器用作开断测试。开断用真空断路器带有纵向磁场电极，触头采用广泛应用于传统商业用真空断路器中的铜烙合金制成。这种电极的开断速度大约1.7m/s。电极在50赫兹大电流源主交流电峰值到来前开断，当主电流达到峰值前，高频电流注入。来自于电压源的电流在电流过零前叠加，电流过零后两电极间就会出现恢复电压。图7给出了测试用真空断路器典型的开断电流、电弧电压及恢复电压的波形图。研究了在固定恢复电压的情况下，开断电流的时间变化率与触头分开瞬间电弧燃烧到电弧熄灭时间之间的关系，其结果如图7b所示。通过设置高频电流源的电容器和电抗器值来改变电流变化率。
在试验中，采用可拆卸的真空灭弧室来观察纵向磁场电极的电弧行为。触头材料采用铜烙合金。图6显示了电弧观测的试验步骤。一对电极被安装在可拆卸的真空灭弧室内，室内真空度为 Pa，高速真空断路器在电弧燃烧过程中用于电弧观测，视频照相机的拍照速度和曝光时间分别为2000次每秒和42 。 电弧图像数据采用计算机加工处理。
3.2 电弧观测结果
在电极分开瞬间，观察了测试用的纵向磁场电极的电弧现象。观察时间是主电流注入后的2ms左右。
图8给出了电弧现象的例子。放在图形右边的时间变量表示触头分离瞬间的时间点。开断电流表示测试用真空断路器的峰值电流。电弧集中在触头电弧燃烧点附近2ms左右后被纵向磁场扩散。弧柱在电弧扩散前几乎处于同一位置。
阳极表面电弧发光随时间变化关系如图9所示，水平轴表示触头分断时间，垂直轴被发光度的最大值均匀等分。坐标轴的深度方向表示沿电极表面的位置变量。高亮度电弧面积是很小的并只能在触头分断后持续2ms。电弧亮度变得越来越低，在0.5ms内变得均匀分布。这表明了电弧集中在电弧燃烧点的一个很小的区域内，而且很快被纵向磁场均匀扩散到整个触头区域。图10显示了电流开断与触头分断到电弧扩散的持续时间之间的关系。持续时间随着开断电流的增大而增大。它大概与电弧的收缩有关，因为收缩效果随电弧电流的增大而增强。结果显示：当开断电流很大、由于电弧集中从而电弧时间短时，电流开断是很困难的。
3.3 开断测试结果
通过测试，研究了不同开断电流、电流变化率及燃弧时间等情况下的电弧特性。图11给出了电流过零点的电流变化率与开断电流之间关系。开断电流和电流变化率随着恢复电压和电弧燃烧时间而变化。符号 和 分别表示开断成功和失败。随着电流变化率的增加，开断电流相应减少。原因是电极之间的真空电弧的扩散时间随着电流变化率的增加而增加。
图12给出了电弧燃烧时间与开断电流之间的关系。开断电流和燃弧时间随着恢复电压和电流变化率而变化。符号 和 分别表示开断成功和失败。当开断电流为1p.u时，由于燃弧时间太短而造成开断失败。这似乎与电极间隙和电弧特性有关。电极间隙长度由于短燃弧时间要比长燃弧时间短，因此电极之间的介质绝缘强度对短时间电流开断来说是不够的。当触头在初始分断点时电弧集中仅仅几个毫秒的时间很快被纵向磁场扩散。当开断电流大约25kA左右时，电弧集中大约3ms时间，如图8所示。此时，在开断电流较大、燃弧时间较短时电弧大部分时间是集中的。
4 讨论
计算显示：大于8ms的故障持续时间将引起汽轮发电机的超载运行，超载运行将造成严重的损害。由于要求在故障电流峰值到来前开断电流，因此故障持续时间必须小于8ms。为了实现短时的故障电流持续时间，采用单周期开断真空断路器还是不够的，应该推荐使用快速开断真空断路器。
当我们应用真空断路器达到快速开断目的时，必须弄清开断能力和短燃弧时间状态下的电弧现象以及通过叠加反向高频电流来迫使电流过零时的开断现象。我们进行了电弧观测试验，找出了高速真空断路器合适的燃弧时间及合适的开断电弧状态。
结果显示：在电流开断时，当燃弧时间短时，电流变化率应该较低。因为大电流电弧在触头分开瞬间被集中。而且我们可得出：对于与商业电力网络系统相连的私营电厂来说，带有电容器和电抗器的高频电流源的快速真空断路器是一种最合适的选择。
5 结论
通过性能计算、电弧观测及开断测试等手段研究了高速真空断路器。得出以下结论：
高速真空断路器由于减少电弧燃烧时间而且在故障电流的峰值到来之前开断故障电流，所以它为汽轮发电机比传统断路器提供更好的保护。
较短的故障电流持续时间对在电流开断时减少电流变化率具有好的效果，因为开断电流限制随着电流变化率的减少而减少。并且随着燃弧时间的减少开断电流极限也在减少。