高速真空斷路器及其電弧特性的基本研究

　　1 引言

　　真空斷路器被廣泛應(yīng)用于供配電系統(tǒng)中。它們通過減少從故障發(fā)生到故障電流成功開斷的持續(xù)時(shí)間為帶重要負(fù)荷電力系統(tǒng)設(shè)備提供了良好的保護(hù)性能。傳統(tǒng)的斷路器開斷故障電流從故障發(fā)生時(shí)刻起需要幾個(gè)工頻周期的時(shí)間，目前，已經(jīng)開發(fā)出了一個(gè)周期之內(nèi)開斷故障電流的真空斷路器，這種斷路器的滅弧室能在一個(gè)工頻周期內(nèi)開斷故障電流。一個(gè)工頻周期內(nèi)開斷的真空斷路器是汽輪機(jī)保護(hù)的良好方案，但我們認(rèn)為，其性能還不是足夠好，需要在更短的時(shí)間內(nèi)完成故障開斷。

　　通過在故障電流中疊加高頻電流來減少故障的持續(xù)時(shí)間是減少故障時(shí)間的一種方法，疊加的高頻電流與故障電流的方向相反。在燃弧時(shí)間較短的情況下，通過反響疊加高頻電流來開斷大故障電流時(shí)的電弧特點(diǎn)及開斷能力還難以清楚地確定。

　　首先，我們研究了在私營電廠運(yùn)行的一種高速真空斷路器的高速開斷效果，電廠采用了汽輪發(fā)電機(jī)并與工頻電網(wǎng)系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行。當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，汽輪機(jī)和發(fā)電機(jī)之間的機(jī)械連接系統(tǒng)可能被損壞。我們估算了在不同故障電流情況下的汽輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩大小，計(jì)算結(jié)果顯示：若采用疊加反向電流來限制故障持續(xù)時(shí)間，高速真空斷路器比傳統(tǒng)斷路器對汽輪發(fā)電機(jī)有更好的保護(hù)效果。

　　然后，通過合成試驗(yàn)電路的方法對真空電弧和其開斷能力進(jìn)行了試驗(yàn)觀察和驗(yàn)證試驗(yàn)。特別是當(dāng)電弧燃燒時(shí)間很短時(shí)，確定這種電弧是否滿足高速真空斷路器的要求。這種測試電路由真空斷路器、操動機(jī)構(gòu)，帶有開關(guān)、電容器和電抗器的高頻電流源組成。真空滅弧室是由銅烙制作觸頭和縱向磁場電極構(gòu)成。這中滅弧室因其高開斷能力而著稱。在縱向磁場電極中，真空電弧弧柱與縱向磁場平行。改變高頻電流源中電容器和電抗器的值來計(jì)算在電流開斷時(shí)電流變化率對開斷性能的影響。

　　試驗(yàn)結(jié)果展示了高速真空斷路器的電弧特性和開斷能力。在觸頭分開的瞬間電弧被點(diǎn)燃并集中在燃燒點(diǎn)。觸頭分開后的幾個(gè)毫秒內(nèi)，電弧被縱向磁場擴(kuò)散。滅弧限制電流隨著電流變化率的增加而逐步減少。電弧時(shí)間減少的同時(shí)，開斷限制也在減少。

　　本文描述了高速真空斷路器技術(shù)和在與采用汽輪發(fā)電機(jī)并與商業(yè)電網(wǎng)系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)的私營電廠中的應(yīng)用。

　　2 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的計(jì)算

　　我們研究了在私營電廠運(yùn)行的一種高速真空斷路器的高速開斷效果，電廠采用汽輪發(fā)電機(jī)并與工頻電網(wǎng)系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)。電路模型、汽輪發(fā)電機(jī)的額定值及變壓器如圖.1、表1和表2所示。負(fù)載由電機(jī)、電容器及電阻組成。我們用電磁瞬態(tài)計(jì)算軟件計(jì)算了不同的故障模型，故障位置及開斷時(shí)間等情況下的汽輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩。在計(jì)算中，考慮了由于電流截?cái)喽�引起的過電壓因數(shù)。

　　我們計(jì)算了故障位置對汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的影響，對變壓器原邊和副邊的計(jì)算結(jié)果如圖2所示。由于變壓器阻抗的原因，使得變壓器副邊故障比原邊故障時(shí)的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩高。

　　轉(zhuǎn)矩與真空斷路器的型號之間的關(guān)系如圖3所示。圖中給出了兩個(gè)故障模型，一個(gè)是三相短路故障，一個(gè)是兩相短路故障。如圖所示，在這三種故障類型中，高速真空斷路器的轉(zhuǎn)矩是最低的。這一點(diǎn)表明了高速真空斷路器對汽輪發(fā)電機(jī)提供很好的保護(hù)。單周期開斷真空斷路器在開斷三相短路故障電流時(shí)比傳統(tǒng)斷路器轉(zhuǎn)矩稍高。這是因?yàn)樵陔娏鏖_斷時(shí)開斷電流相對較大。

　　圖4顯示了轉(zhuǎn)矩與滅弧時(shí)間之間的關(guān)系。在8毫秒之內(nèi)轉(zhuǎn)矩隨著開斷時(shí)間的增大而增大。當(dāng)開斷時(shí)間大于8毫秒后，由于電流的開斷發(fā)生在峰值電流之后，因此轉(zhuǎn)矩幾乎是常數(shù)。故障電流的峰值大約為5kA，而且故障電流中含有直流成分。結(jié)果顯示，若把開斷時(shí)間減少到8毫秒以內(nèi)，將能給發(fā)電機(jī)提供更好的保護(hù)。

　　3 電弧行為和開斷特性的試驗(yàn)判定

　　3.1試驗(yàn)方法

　　通過合成電路來進(jìn)行電弧觀察和開斷測試，其電流波形圖如圖5所示。進(jìn)行了兩種類型真空斷路器的電弧觀察和開斷測試。一種可裝卸的真空滅弧室用于電弧觀察，一種真空斷路器用作開斷測試。開斷用真空斷路器帶有縱向磁場電極，觸頭采用廣泛應(yīng)用于傳統(tǒng)商業(yè)用真空斷路器中的銅烙合金制成。這種電極的開斷速度大約1.7m/s。電極在50赫茲大電流源主交流電峰值到來前開斷，當(dāng)主電流達(dá)到峰值前，高頻電流注入。來自于電壓源的電流在電流過零前疊加，電流過零后兩電極間就會出現(xiàn)恢復(fù)電壓。圖7給出了測試用真空斷路器典型的開斷電流、電弧電壓及恢復(fù)電壓的波形圖。研究了在固定恢復(fù)電壓的情況下，開斷電流的時(shí)間變化率與觸頭分開瞬間電弧燃燒到電弧熄滅時(shí)間之間的關(guān)系，其結(jié)果如圖7b所示。通過設(shè)置高頻電流源的電容器和電抗器值來改變電流變化率。

　　在試驗(yàn)中，采用可拆卸的真空滅弧室來觀察縱向磁場電極的電弧行為