真空灭弧室与SF6灭弧室串联的混合断路器开断容量增益特性分析

2012-05-09 程显大连理工大学电气工程学院

　　基于真空和SF6气体两种不同灭弧介质的灭弧特点,分析真空灭弧室与SF6灭弧室串联组成的混合断路器可获得更大开断能力的机理。根据混合断路器开断能力提高机理提出对其操动控制机构的要求,并将额定电压12 kV,开断电流20kA的真空断路器与额定电压12 kV,开断电流6.3 kA的SF6断路器串联搭建光控模块式混合断路器实验模型。对实验模型进行短路电流开断测试,并对比单个SF6断路器与基于相同SF6断路器串联真空断路器的混合断路器的短路电流开断能力。得出SF6断路器与混合断路器的开断容量曲线,混合断路器相比SF6断路器开断容量增益倍数在1.4以上。证明混合断路器可在不增加SF6气体使用量的前提下提高短路电流开断容量。

　　A novel type of hybrid,light-controlled circuit-breaker was developed by combining the vacuum interrupter and the SF6 interrupter in series to improve the breaking capacity.To characterize its breaking capacity gain,a prototyped hybrid circuit breaker was designed and constructed,consisting of a vacuum interrupter (a rated voltage of 12 kV and a breaking current of 20 kA),a SF6 interrupter(a rated voltage of 12 kV and a break current of 6.3 kA) and a light-control module.The preliminary test results show that the breaking-capacity gain of the newly-developed hybrid circuit breaker is 1.4 times higher than that of the SF6 interrupter,without increasing the amount of SF6 gas.The operating mechanisms and possible improvements of the hybrid circuit-breaker were also tentatively discussed.

　　目前超高压大容量领域开关介质由SF6 气体一统天下, 而SF6 废气的毒性以及泄漏后对环境的危害近年来受到广泛关注, 因此一种新型的大容量开关设备亟需开发。基于真空灭弧室与SF6 灭弧室串联的混合断路器是新型大容量开关研究的一个方向。混合式断路器技术实质是在不增加SF6 气体使用量的前提下, 利用真空断路器和SF6 断路器各自的技术特点与优势完成更大短路电流的开断。在现代电子操动技术和光电控制技术日趋成熟的条件下, 把混合式断路器应用到超高压大容量开关领域已成为可能。

　　基于真空灭弧室与SF6 灭弧室串联的混合断路器(HCB) 研究始于上世纪60 年代。各国研究者经过大量实验发现, 具有完全不同物理性质的两个灭弧室串联在开断短路电流时有着积极作用: 在电流过零前瞬间, SF6 电弧帮助真空电弧熄灭, 而当电流过零后, 真空电弧帮助SF6 电弧抑制恢复电压的上升过程。这是因为在开断过程中真空灭弧室处理瞬态初始恢复电压(TRV) 陡峭上升部分时具有卓越性能, 而SF6 灭弧室能够很好地承受瞬态恢复电压峰值。然而目前国内外关于HCB 相对于SF6断路器的开断容量增益特性尚未见报道, 两灭弧室间的最优协同动作时刻仍未量化确定, HCB 的工业化应用与推广还有待进一步研究。

　　本文在讨论HCB 获得更高电流开断能力的机理、分析其瞬态电压恢复过程的基础上搭建了光控模块式HCB 实验模型。实验模型中真空灭弧室与SF6 灭弧室协同动作时间分散性小, 可满足分析其在不同协同动作时刻开断容量增益特性的要求。过短路电流开断实验比较了SF6 断路器与相同SF6断路器串联真空断路器的HCB 开断能力, 并得出SF6 断路器与HCB 的开断容量曲线及HCB 对于SF6断路器的容量增益曲线, 证明真空断路器可以部分承担SF6 断路器开断电流的责任, HCB 具有比SF6断路器更加优越的开断能力。

结论

　　在介质恢复过程中, 真空断路器快速的介质强度恢复特性利于SF6 断路器介质强度恢复; 如承受恢复电压较早的真空灭弧室发生重击穿, 只要恢复电压的峰值和上升速度低于SF6 灭弧室介质强度的极限值, 整个HCB 并不会因为真空灭弧室发生重击穿而导致开断失败;

　　基于真空断路器与SF6 断路器串联的光控模块式混合断路器结构简单、可控性强、动作分散性小, 能满足真空断路器与SF6 断路器在不同时刻协调动作研究其开断容量增益特性的需要;

　　实验证明, 真空灭弧室首先开断短路电流并承担瞬态起始恢复电压, 替SF6 灭弧室承担部分开断短路电流的责任有助于SF6 断路器介质强度恢复。HCB 短路电流开断容量明显高于SF6 断路器,开断容量增益倍数在1.4 以上, 证明了HCB 可在不增加SF6 气体使用量的前提下提高短路电流开断容量。