1.5 kV 低頻真空斷路器開斷能力的研究與驗(yàn)證

孫文藝

（廣東明陽電氣股份有限公司，廣東中山 528451）

0 引言

2020 年9 月，我國提出將提高國家自主貢獻(xiàn)力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030年前達(dá)到峰值，努力爭取2060 年前實(shí)現(xiàn)碳中和。為了實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)，國家發(fā)改委和國家能源局等印發(fā)了《“十四五”可再生能源發(fā)展規(guī)劃》指出在山東半島、長三角、閩南、粵東、北部灣五大海上風(fēng)電基地，加快推動(dòng)海上風(fēng)電集群化開發(fā)，推動(dòng)深遠(yuǎn)海風(fēng)電技術(shù)創(chuàng)新，建設(shè)深遠(yuǎn)海示范項(xiàng)目［1］，根據(jù)環(huán)保與公用事業(yè)周報(bào)指出，我國海域風(fēng)力資源豐富，“十四五”期間各地區(qū)新裝機(jī)超過50 GW［2］，未來海上風(fēng)電承擔(dān)著清潔能源排頭兵角色，將成為電網(wǎng)能源重要組成部分。

隨著海上風(fēng)電的快速發(fā)展，輸電容量、離岸距離不斷增加，將面臨復(fù)雜多變的問題，海上風(fēng)電的技術(shù)問題日益嚴(yán)峻，其包含輸電方式的選擇［3］。

目前海上風(fēng)電輸電方式主要以下幾種：工頻交流系統(tǒng)、直流輸電系統(tǒng)及西安交通大學(xué)王錫凡教授課題組提出的分頻（低頻）交流系統(tǒng)［4］。文獻(xiàn)［5－8］介紹了3種不同的輸電方式的可行性及優(yōu)缺點(diǎn)，工頻交流輸電發(fā)展時(shí)間長、技術(shù)體系成熟，具有電磁變壓、過零開斷、多級組網(wǎng)的優(yōu)勢，但長距離輸電受電壓降、靜穩(wěn)極限的影響，輸送容量難以達(dá)到其熱極限。直流輸電系統(tǒng)適用于遠(yuǎn)距離大容量輸電，基于電力電子設(shè)備，具備調(diào)控能力，但沒有電磁變壓、過零開斷特性，組網(wǎng)難度大成本高。分頻（低頻）交流系統(tǒng)適用于新能源輸送并網(wǎng)等場合，兼具以上兩種輸電方式的優(yōu)點(diǎn)。

海上風(fēng)電場主要傳輸設(shè)備為海底電纜，在工頻50 Hz下的合理輸電距離在80 km以內(nèi)。當(dāng)海上風(fēng)電場的離岸距離超過80～150 km［9］，采用低頻輸電可以降低電纜的并聯(lián)電容效應(yīng)，進(jìn)一步擴(kuò)展海上交流輸電的距離。隨著海上風(fēng)電深遠(yuǎn)海發(fā)展及低頻輸電的優(yōu)勢，使斷路器低頻輸電的工況日益增加，目前包括海上風(fēng)電低頻輸電線路、低壓交流開關(guān)設(shè)備、高壓交流開關(guān)設(shè)備、發(fā)電機(jī)保護(hù)斷路器等均對大容量分頻開斷能力提出要求。國內(nèi)外很多專家學(xué)者對低頻輸電展開了相應(yīng)的研究。文獻(xiàn)［10］從變壓器、電纜等方面對3 種輸電方式的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行綜合比較，得出低頻輸電的經(jīng)濟(jì)適用區(qū)間。文獻(xiàn)［11］詳細(xì)介紹了低頻輸電變頻裝置的研發(fā)，提出了具體方案。文獻(xiàn)［12］從國內(nèi)外已發(fā)展史，基本原理，經(jīng)濟(jì)性等方面進(jìn)行了系統(tǒng)分析，對低頻輸電的應(yīng)用場景進(jìn)行了模擬分析，得出低頻輸電的適用場景。文獻(xiàn)［9］提出了交流斷路器低頻開斷等效試驗(yàn)方法設(shè)計(jì)。本文論述了1.5 kV真空斷路器低頻交流開斷性能分析以及試驗(yàn)驗(yàn)證工作，采用直接試驗(yàn)型試對1.5 kV斷路器進(jìn)行低頻交流開斷性能的驗(yàn)證，對在實(shí)際工況下斷路器開斷情況有了實(shí)際認(rèn)知，能為后續(xù)提升1.5 kV 斷路器低頻開斷性能提供依據(jù)，為1.5 kV及以下真空斷路器的研究、商業(yè)化提供了理論參考。

1 低頻輸電優(yōu)勢及對斷路器的影響

1.1 低頻輸電優(yōu)勢

低頻輸電就是通過降低輸電的頻率，可以大幅度提升輸電線路容量。本文研究的是將工頻50 Hz 降低到20 Hz時(shí)的情況。由式（1）和式（2）可以看出電抗與頻率成正比［12］，當(dāng)系統(tǒng)頻率由50 Hz 降低到20 Hz 時(shí)，電抗降低為原來的2／5，電壓損耗也降為原來的2／5，因此低頻輸電能大幅度提高輸電容量。

式中：Pmax為架空線靜穩(wěn)功率極限；U為輸電系統(tǒng)的額定電壓；X為線路的電抗；f為系統(tǒng)的頻率；L 為線路的電感；ΔU%為線路電壓降落百分比；Q為線路流過的無功功率，

海上風(fēng)電低頻輸電升壓系統(tǒng)如圖1 所示，低頻輸電系統(tǒng)是通過降低工作頻率從而降低線路阻抗以提升輸電容量的有效手段，由圖可以看出低頻斷路器是輸電系統(tǒng)中一個(gè)重要環(huán)節(jié)，下面將主要研究頻斷路器的開斷與試驗(yàn)情況。

圖1 風(fēng)電發(fā)電低頻輸電線路并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)

1.2 低頻輸電對斷路器影響

當(dāng)系統(tǒng)頻率降低時(shí)，斷路器的燃弧時(shí)間會變長。例如斷路器在50 Hz下，一個(gè)對稱短路電流的半波為10 ms，但在20 Hz時(shí)，一個(gè)半波為25 ms。較長的燃弧時(shí)間對各種滅弧介質(zhì)和滅弧機(jī)理的斷路器都會造成短路電流開斷困難，從而引起斷路器的開斷能力降低。

20 Hz 及以下頻率的短路電流對比于工頻電流，其周波時(shí)間是工頻周波的數(shù)倍，如圖2所示。斷路器的開斷原理為：要求斷路器在預(yù)期的燃弧時(shí)間內(nèi)能夠有效開斷，否則延后到下一個(gè)低頻電流半波，增加15 ms 以上的燃弧時(shí)間將會給試驗(yàn)帶來巨大風(fēng)險(xiǎn)，有可能造成開斷失敗。

圖2 20 Hz和50 Hz電流波形曲線對比

2 低頻開斷能力的研究

式中：isc為短路電流；T為周期；f為頻率。

介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度峰值為：

因此，對于一個(gè)給定的介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度峰值UTRV（peak），則有：

式中：f 為待求短路電流開斷能力的電流頻率，Hz；isc（f1）為在頻率f1下的短路電流開斷能力，kA；f2＝50為已知短路電流開斷能力的電流頻率，Hz；isc（f2）為在頻率f2下的已知短路電流開斷能力，kA。

根據(jù)以上理論，現(xiàn)有1.5 kV真空斷路器在20 Hz 下理論開斷能力如表1 所示。

文獻(xiàn)［15］中描述了2 個(gè)12 kV 真空滅弧室試驗(yàn)情況，一個(gè)真空滅弧室采用橫向磁場觸頭，另一個(gè)真空滅弧室采用縱向磁場觸頭，開斷能力為12 kV／25～34 kA。12 kV 真空斷路器在10～60 Hz 頻率下開斷能力隨頻率下降而下降，如圖3 所示，對于縱向磁場真空滅弧室其開斷能力的下降程度也與橫向磁場真空滅弧室近似。

圖3 真空滅弧室開斷能力與頻率關(guān)系

由于斷路器的開斷能力由電流零點(diǎn)的di／dt 值和暫態(tài)恢復(fù)電壓TRV 的上升速度du／dt的乘積所決定的，在低頻輸電系統(tǒng)中，由于頻率降低，可有效降低斷路器開斷短路電流時(shí)電流零點(diǎn)的di／dt值，這對于斷路器的開斷是有利的。

3 開斷能力的驗(yàn)證

3.1 技術(shù)方案

本文研發(fā)了一臺在工頻50／60 Hz下開斷能力為100 kA的1.5 kV真空斷路器（圖4），設(shè)計(jì)方案為：包含3 只真空滅弧室、彈簧機(jī)構(gòu)、主導(dǎo)體、散熱片和二次燈組成，導(dǎo)體和滅弧室采用軟連接連接。觸頭壓力10 000 N，開距4.5 mm，真空滅弧室直徑為151 mm，真空滅弧室采用橫向磁場觸頭，觸頭直徑為100 mm，觸頭材料為CuCr25，分閘速度為0.8 m／s。

圖4 1.5 kV真空斷路器

對斷路器進(jìn)行分閘特性分析，初定仿真條件如下。主回路運(yùn)動(dòng)部分質(zhì)量為11.5 kg（滅弧室＋導(dǎo)電夾＋軟連接＋絕緣拉桿），超程簧k ＝557 N／mm，F(xiàn)1＝4 177 N，F(xiàn)2＝7 500 N，力變比為1.86，開距s ＝4.5 mm，超程Soverstroke＝6 mm／1.86≈3.2 mm。仿真模型如圖5 所示，仿真結(jié)果曲線如圖6 所示，由圖可知，仿真結(jié)果：運(yùn)動(dòng)行程s ＝3 mm，運(yùn)動(dòng)時(shí)間Δt ＝2.32 ms，分閘平均速度v ＝s／Δt ＝1.3 m／s。

圖5 仿真模型

圖6 仿真結(jié)果曲線

3.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

文獻(xiàn)［16－17］詳細(xì)介紹了產(chǎn)品的試驗(yàn)要求和方法，本文試驗(yàn)主要依據(jù)此方法進(jìn)行，試驗(yàn)結(jié)果符合國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。本開斷試驗(yàn)在三相直接實(shí)驗(yàn)回路上進(jìn)行，該回路包括短路發(fā)電機(jī)、電抗器和TRV調(diào)頻回路等，短路電流和暫態(tài)恢復(fù)電壓TRV都由該直接實(shí)驗(yàn)回路提供，試驗(yàn)回路如圖7 所示，現(xiàn)場測試連接如圖8 所示。

圖7 試驗(yàn)回路

圖8 現(xiàn)場測試連接

4 機(jī)械磨合、特性測試

依據(jù)文獻(xiàn)［16－17］中要求，開斷試驗(yàn)前對斷路器進(jìn)行空載特性檢測，在各操作電壓狀態(tài)下，斷路器分合閘正常，其性能參數(shù)正常，分合閘時(shí)間如表2 所示，測試曲線如圖9 所示。

圖9 分合閘波形

5 開斷能50 kA測試

開始試驗(yàn)，參考GB／T 1984 高壓交流斷路器［16］標(biāo)準(zhǔn)基本短路試驗(yàn)可分多段進(jìn)行，標(biāo)準(zhǔn)中取的T10、T30、T60及T100及考慮產(chǎn)品需有開斷老練過程、開斷試驗(yàn)穩(wěn)妥性及對產(chǎn)品不同電流下收集，確定第一階段開斷按50 kA進(jìn)行。為讓滅弧室開斷老練，進(jìn)行8 次50 kA開斷試驗(yàn)，其中4次O，4 次CO，試驗(yàn)電壓為：分閘線圈電壓143 V DC，合閘線圈電壓187 V DC，ABC 三相各均有首開，最小燃弧時(shí)間1.8 ms，最長燃弧時(shí)間21.4 ms。試驗(yàn)后，試品正常開斷，無異常情況出現(xiàn)，試驗(yàn)有效，選取其中兩次CO試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示，開斷波形如圖10～11所示。

表3 50 kA開斷測試數(shù)據(jù)

圖10 50 kA開斷波形1

圖11 50 kA開斷波形2

6 開斷能63 kA測試

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，斷路器可以開斷63 kA，確定第二階段開斷按63 kA 進(jìn)行，看計(jì)算結(jié)果與實(shí)際驗(yàn)證情況，進(jìn)行8 次63 kA 開斷試驗(yàn)，其中4 次O，4 次CO，試驗(yàn)電壓為：分閘線圈電壓143 V DC，合閘線圈電壓187V DC，ABC三相各均有首開，最小滅弧時(shí)間2.4 ms，最長滅弧時(shí)間18.9 ms。試驗(yàn)后，試品正常開斷，無異常情況出現(xiàn)，試驗(yàn)有效，選取其中兩次CO 試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4 所示，開斷波形如圖12～13 所示。

表4 63 kA開斷測試數(shù)據(jù)

圖12 63 kA開斷波形1

圖13 63 kA開斷波形2

7 開斷能70 kA測試

斷路器在經(jīng)過8 次50 kA和8 次63 kA開斷測試后，斷路器開斷性能完好，為探究此斷路器更真實(shí)的開斷能力及依據(jù)試驗(yàn)站現(xiàn)有直接試驗(yàn)?zāi)芰Γ_定按70 kA 來探尋斷路器真實(shí)開斷能力。進(jìn)行4 次70 kA 開斷試驗(yàn)，都為O，試驗(yàn)電壓為：分閘線圈電壓143 V DC，合閘線圈電壓187 V DC，C相首開，最小滅弧時(shí)間2.2 ms，最長滅弧時(shí)間19 ms。試驗(yàn)正常開斷，無異常情況出現(xiàn)，試驗(yàn)有效，選取其中兩次O 試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表5 所示，波形如圖14～15 所示。

表5 70 kA開斷測試數(shù)據(jù)

圖14 70 kA開斷波形1

圖15 70 kA開斷波形2

8 試后絕緣驗(yàn)證

斷路器完成開斷試驗(yàn)，為驗(yàn)證斷路器試驗(yàn)是否成功，按文獻(xiàn)［16－17］要求進(jìn)行絕緣測試，如果試驗(yàn)過程中出現(xiàn)破壞性放電，且不能給出任何證據(jù)來證明該破壞性放電出現(xiàn)在自恢復(fù)絕緣上，則在完成絕緣試驗(yàn)系列后應(yīng)對斷路器進(jìn)行解體檢查。如果發(fā)現(xiàn)非自恢復(fù)絕緣損壞（例如痕跡、擊穿等），則斷路器就沒有通過該試驗(yàn)。依照要求，在斷路器完成開斷試驗(yàn)后，進(jìn)行產(chǎn)品絕緣驗(yàn)證，測試產(chǎn)品的絕緣性能是否合格，現(xiàn)場試驗(yàn)照片如圖16所示。

圖16 絕緣測試

8.1 工頻電壓試驗(yàn)

依據(jù)文獻(xiàn)［16－17］中絕緣試驗(yàn)要求先進(jìn)行工頻電壓試驗(yàn)，試驗(yàn)條件如下：試品狀態(tài)為開關(guān)斷口合閘，加壓部位、接地部位依據(jù)文獻(xiàn)試驗(yàn)要求（A、B、C為被測試設(shè)備一側(cè)端子，a、b、c為被測試設(shè)備另一側(cè)端子，F(xiàn)為外殼或底座接地），試驗(yàn)電壓取10 kV，試驗(yàn)時(shí)間去1 min，試驗(yàn)相對濕度：51.0%，環(huán)境溫度：25.5 ℃，大氣壓：100.4 kPa，實(shí)驗(yàn)室海拔高度：5 m，大氣修正因數(shù)kt＝0.973，實(shí)際取1，工頻試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

表6 工頻試驗(yàn)

8.2 雷電沖擊電壓試驗(yàn)

依據(jù)文獻(xiàn)［16－17］中絕緣試驗(yàn)要求先進(jìn)行雷電沖擊電壓試驗(yàn)，試驗(yàn)條件如下：試品狀態(tài)為開關(guān)斷口合閘，加壓部位、接地部位依據(jù)文獻(xiàn)試驗(yàn)要求（A、B、C 為被測試設(shè)備一側(cè)端子，a、b、c為被測試設(shè)備另一側(cè)端子，F(xiàn)為外殼或底座接地），額定雷電全波耐受電壓取20 kV，試驗(yàn)相對濕度：51.0%；環(huán)境溫度：25.5 ℃；大氣壓：100.4 kPa，實(shí)驗(yàn)室海拔高度：5 m，大氣修正因數(shù)kt＝0.973，實(shí)際取1，雷電沖擊試驗(yàn)結(jié)果如表7 所示。

表7 雷電沖擊試驗(yàn)

9 斷路器滅弧室分析

對斷路器滅弧室進(jìn)行解剖（圖17），發(fā)現(xiàn)滅弧室內(nèi)屏蔽層有被弧光灼燒，出現(xiàn)破損，同時(shí)可看到動(dòng)、靜觸頭雖有痕跡但燒損并不嚴(yán)重，分析當(dāng)采用橫磁時(shí)，當(dāng)電流越大弧度越超外彎曲，在大電流開斷時(shí)，弧光已對屏蔽層造成破壞，在后續(xù)如需繼續(xù)提升滅弧室分?jǐn)嗄芰ΓＷC滅弧室屏蔽層不被灼燒，可采用大肚子型滅弧室即增大的滅弧室的外徑，為后續(xù)滅弧室設(shè)計(jì)提供重要設(shè)計(jì)依據(jù)。

圖17 滅弧室

10 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)一款1.5 kV工頻50 Hz下100 kA橫磁斷路器，驗(yàn)證頻率下降到20 Hz 時(shí)的開斷能力，前期依據(jù)Slade研究的真空斷路器開斷能力的降低與頻率降低的平方根有關(guān)，滿足關(guān)系，對斷路器理論開斷能力進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果為63 kA，然后通過實(shí)際試驗(yàn)對產(chǎn)品進(jìn)行開斷能力、絕緣驗(yàn)證，并對后續(xù)橫磁式低頻開斷設(shè)計(jì)給出指導(dǎo)意見。通過試驗(yàn)得出：用該公式可用來評估1.5 kV真空斷路器在低于工頻頻率下的開斷能力，當(dāng)頻率降低時(shí)開斷能力也跟著降低，同時(shí)通過試驗(yàn)得出實(shí)際開斷能力會高于該公式的計(jì)算結(jié)果，但在初始設(shè)計(jì)時(shí)可以通過公式進(jìn)行初步計(jì)算，使設(shè)計(jì)產(chǎn)品參數(shù)無限接近需求目標(biāo)，對后續(xù)1.5 kV低頻真空斷路器設(shè)計(jì)提供計(jì)算依據(jù)。