高壓交流六氟化硫斷路器開斷近區(qū)故障的探討

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(西安西電高壓開關有限責任公司，陜西 西安 710000)

1 引言

高壓斷路器是電力系統(tǒng)中重要的開關設備，擔負著控制和保護電路的任務[1]。目前，應用最為廣泛的斷路器是以六氟化硫氣體作為絕緣和滅弧介質(zhì)的高壓交流六氟化硫斷路器。

高壓交流六氟化硫斷路器作為輸變電線路的控制和保護的設備，必須具備開斷故障電流的能力，開斷近區(qū)故障電流是其最重要的能力之一。近區(qū)故障(簡稱SLF)指的是發(fā)生在距離斷路器幾百米至幾千米的短路，特點是斷路器電流大，瞬態(tài)恢復電壓(簡稱TRV)上升率很高，對于高壓交流六氟化硫斷路器，對瞬態(tài)恢復電壓起始上升率比較敏感。

根據(jù)GB1984-2014《高壓交流斷路器》規(guī)定，直接和架空線連接的、額定電壓72.5kV及以上，額定開斷斷路電流大于12.5kA的三極斷路器開斷近區(qū)故障試驗為強制性試驗，試驗時額定短路開斷電流應為額定開斷電流的75%和90%。近區(qū)故障由于TRV的初始部分上升率高，雖然幅值不高，但是上升率很高，電弧往往難以成功熄滅。近區(qū)故障往往比開斷出線端故障對斷路器性能要求更高[2]。

近區(qū)故障是否成功開斷，不僅與試驗回路參數(shù)有關，更重要的是與斷路器自身性能有關，比如氣壓、速度等。以下就126kV高壓交流六氟化硫斷路器近區(qū)故障試驗L90為例，簡要介紹了樣機自身在不同速度、氣壓、線路側(cè)是否增加時延對斷路器開斷性能的影響作分析和研究。

2 試驗故障試驗影響因素

2.1 平均分閘速度對開斷性能的影響

試驗前兩次產(chǎn)品的零部件一致，裝配方式一致，但機械特性中平均分閘速度不一樣，試驗前的空載特性曲線對比如圖1所示，試驗時開斷波形圖對比如圖2所示。

從圖1看出，兩次產(chǎn)品的滅弧室、接觸行程行程一樣，但平均分閘速度不一樣，1號產(chǎn)品的速度明顯高于2號產(chǎn)品的速度。從圖2看出，在短燃弧時間13ms點時，1號產(chǎn)品開斷成功，但2號產(chǎn)品熱擊穿，開斷失敗。

圖1 空載特性對比曲線

圖2 開斷波形對比圖

從中可以看出，對于采用壓氣式滅弧原理的斷路器，平均分閘速度直接影響到電流過零后弧觸頭間六氟化硫絕緣介質(zhì)強度恢復的速度。2號產(chǎn)品顯示的平均分閘速度較低，觸頭間的介質(zhì)強度恢復速度小于恢復電壓，造成電弧重燃，開斷失敗。因此，為防止斷口間電弧重燃及縮短燃弧時間，必須要有較高的平均分閘速度，但如果平均分閘速度太高，可能會導致待長燃弧時間開斷時，動觸頭會很快到達行程終點，使得電流過零后的噴口吹弧能力降低，影響氣吹效果，無法建立有效絕緣，容易造成重燃。所以針對不同的滅弧室結(jié)構(gòu)及性能，兼顧長燃弧開斷時間和斷路器滅弧室總行程，合適地選擇平均分閘速度。

2.2 氣體壓力對開斷性能的影響

試驗前兩次產(chǎn)品的零部件一致，裝配方式一致，但充入氣室的氣壓不一樣，試驗前的空載特性曲線對比如圖3所示，試驗時開斷波形圖對比如圖4所示。

提升滅弧室SF6氣壓后，從試驗前的空載特性曲線圖3看出，機械特性方面，將SF6氣壓從0.40MPa提高到0.50MPa后,空載時平均分閘速度由5.7m/s降低到5.65m/s，對產(chǎn)品的平均分閘速度有一定的影響，但是影響非常小。

圖3 空載特性對比曲線

圖4 開斷波形對比圖

從開斷波形對比圖4可以看出，提升滅弧室SF6氣壓對斷路器的開斷性能影響較大，從同一個燃弧時間上，1號產(chǎn)品開斷失敗，2號產(chǎn)品成功開斷。

六氟化硫氣體的介電強度很高且隨壓力的增高而增長，氣體間隙的擊穿電壓隨著六氟化硫氣體壓力的增大而提高，在斷路器開斷過程中，氣體壓力的提高有力的支持了斷口間的電壓恢復。在電流過零后，弧隙的介質(zhì)強度恢復快，有利于熄弧，氣壓的升高，加快了從噴口氣吹的六氟化硫氣體對電弧的冷卻，氣體迅速填充斷口間隙，以加快電流過零后斷口的介質(zhì)恢復速度，因此，滅弧室內(nèi)部氣壓的升高，對滅弧室開斷性能的影響非常大，尤其是對恢復電壓上升率很敏感的六氟化硫斷路器。

2.3 增加時延對開斷性能的影響

兩次試驗前樣機裝配方案、充氣壓力以及空載機械特性一致，1號產(chǎn)品未加時延，2號產(chǎn)品試驗時，線路側(cè)增加時延tdL=0.5μs。

從開斷波形圖圖5明顯看出，同一燃弧時間13ms，線路側(cè)增加時延斷路器開斷成功。增加時延對恢復電壓TRV的鋸齒波上升率影響較大，上升到電壓U1階段的時間延后(見圖6)。近區(qū)故障試驗，對暫態(tài)恢復電壓初始狀況很敏感,因而系統(tǒng)的故障電流與恢復電壓上升率非常重要。斷路器在開斷近區(qū)故障時,上升速率極高的瞬態(tài)恢復電壓，在斷路器在斷電流過零點后的數(shù)微秒內(nèi)，斷口間的介質(zhì)強度恢復的又比較緩慢，因此斷路器開斷SLF時容易產(chǎn)生熱擊穿[3]。為了解決這個問題,增加并聯(lián)電容是很有效的辦法之一，即增加線路側(cè)時延，以減緩瞬態(tài)恢復電壓的上升率，即減緩第一個三角波的上升率。三角波的起始部分受斷路器附加電容的影響而有所緩和，使三角波的初始部分有個時延，在電流過零后斷口的介質(zhì)恢復速度大于瞬態(tài)電壓的上升速度，從而保證電流開斷成功。因此，在斷路器加裝電容可有效的提高開斷SLF的能力。所以，增加線路側(cè)時延，對斷路器的開斷性能影響很大。

圖5 開斷波形對比圖

圖6 增加時延前后恢復電壓上升率對比

3 結(jié)束語

近區(qū)故障試驗作為斷路器重要的容量試驗，研究影響近區(qū)故障電流開斷與否的因素具有重要的意義。通過對高壓交流六氟化硫斷路器自身在不同速度、氣壓、線路側(cè)是否增加時延對斷路器開斷性能的影響作分析和研究，對設計人員在產(chǎn)品開發(fā)研究產(chǎn)品方面提供一定的借鑒。