新型72.5_kV真空断路器的研发设计_姚灿江.pdf

新型72.5 kV真空断路器的研发设计姚灿江，孙龙勇，刘英英（河南平高电气股份有限公司，河南 平顶山467001）摘要：为了适应国家“碳达峰、碳中和”的发展需求，研制具有结构简单、环境适用范围广、免维护和可靠性高等优点的开关设备是发展第三代环保智能变电站的产品基础。文中以72.5 kV真空断路器为研究对象，通过有限元仿真分析确定了真空灭弧室关键零部件的具体尺寸、动静触头开距和动静触头类型，并对断路器主回路进行温升仿真校核，计算结果表明，新设计的72.5 kV真空断路器具有额定通流3 150 A和开断40 kA故障电流的能力，各项型式试验的顺利通过验证了72.5 kV真空断路器结构设计的合理性。关键词：真空灭弧室；绝缘特性；磁场强度；温升；型式试验Development and Design of New 72.5 kV Vacuum Circuit BreakerYAO Canjiang，SUN Longyong，LIU Yingying（Henan Pinggao Electric Co.，Ltd.，Henan Pingdingshan 467001，China）Abstract:In order to meet the development needs of“carbon peaking and carbon neutrality”in China，the development of switchgear with such advantages as simple structure，wide range of environmental applications，maintenancefree and high reliability is the base for the development of the third generation of environmentally friendly intelligentsubstations.72.5 kV vacuum circuit breaker is taken as the research object in this paper，the specific dimensions ofthe key parts of the vacuum interrupter，the clearance and type of dynamic and static contacts are determined throughfinite element simulation analysis，and the temperature rise simulation verification of the main circuit of the circuitbreaker is carried out.The calculation results show that the newly designed 72.5 kV vacuum circuit breaker has theability of rated current at 3 150 A and the breaking fault current at 40 kA.The various positive type tests verify therationality of the structural design of the 72.5 kV vacuum circuit breaker.Key words:vacuum interrupter；insulation properties；magnetic field strength；temperature rise；type test0引言目前，中国电力系统处于高度发展阶段，电力开关设备中使用的 SF6气体总量呈现高速增长态势，而新增及改造的72.5 kV及以上开关设备几乎全部使用SF6型高压电器，另外，电力开关设备中使用的SF6气体在电弧作用下的分解物有强烈的腐蚀性和剧毒性，如 SF4，S2F2，SF2，SOF2，SO2F2，SOF4和 HF等1-3。在SF6开关设备损坏时，如内部电弧故障使压力释放装置动作或者外壳烧穿，会有大量SF6气体及其分解物向外排放到大气中，直接威胁到人身生命安全并污染大气环境。SF6气体为温室效应气体，世界各国都在积极采取措施来减少温室气体排放，对环境友好型开关设备的需求日益增加，市场潜力巨大。且SF6气体在高寒地区存在液化现象，严重影响开关设备的可靠性，威胁电网安全3-5。而真空作为绝缘和灭弧介质具有绝缘性能优良、开断能力强的特点，且不会产生环境污染。真空断路器体积小、重量轻、结构简单、使用寿命长，第59卷第2期：002300302023年2月16日High Voltage ApparatusVol.59，No.2：00230030Feb.16，2023DOI:10.13296/j.10011609.hva.2023.02.004_收稿日期：20220824；修回日期：20221027基金项目：平高集团有限公司科技项目资助(72.5 kV环保型柱式断路器的研制)。Project Supported by Technology Projects of Pinggao Group Co.,Ltd.(Development of 72.5 kV Environmental Protection Columntype Circuit Breaker).2023年2月第59卷第2期适合频繁操作和快速开断，相对于SF6气体断路器而言，真空断路器有以下几个方面的优势6-8：1)熄弧过程在密封的真空容器中完成，电弧和炽热气体不会向外界喷溅，不会污染周围环境。2)真空的绝缘强度高，熄弧能力强，触头的行程短，一般均在几个厘米以内，因此操作功率小，整个断路器体积小、重量轻，使得真空断路器在箱式变电站、开关柜等装置中成为首选。3)熄弧时间短，电弧电压低，电弧能量小，触头的电磨损小，因而分断次数多，电寿命长，适合于频繁操作和快速切断。4)灭弧介质为真空，因而与海拔高度无关，同时没有火灾和爆炸的危险。5)真空断路器结构简单，维修和维护工作量小。真空灭弧室的性能决定了真空开关的综合性能，只有灭弧室技术的重大突破，才可带来真空开关技术水平的大幅提高，因此，针对真空断路器的绝缘性能、通流能力及小型化发展等突出问题，对真空灭弧室绝缘、通流和开断技术进行研究，并基于真空灭弧室绝缘、开断关键技术的研究成果研制72.5 kV单断口真空灭弧室，及以真空灭弧室作为断路器开断单元的72.5 kV的真空断路器产品，制造试验样机，研制出满足智能电网完善提升需求的新一代高压开关产品。172.5 kV真空断路器的结构特点72.5 kV真空断路器具有结构紧凑、体积小、操作功小、可靠性高和安装方便等优点。该产品主要包括真空灭弧室、支柱和弹簧机构等基本元件。72.5 kV真空断路器三维结构示意见图1，主要技术参数见表1。272.5 kV真空灭弧室绝缘性能优化研究真空灭弧室的绝缘性能决定了真空断路器的整体绝缘性能，因此，对真空灭弧室绝缘特性进行优化研究，提高真空灭弧室内部零部件设计的合理性。真空灭弧室内部的绝缘性能会随着开距的增加而逐渐趋于饱和，仅增加动静触头开距，不仅会增大真空灭弧室的整体尺寸，而且真空灭弧室内部绝缘性能依旧不能达到相关的要求，同时，极大地增加了真空灭弧室动端运动质量9-13。真空灭弧室结构设计见图2。在真空灭弧室中，其绝缘特性与内部关键零部件(动静触头、端部屏蔽罩、主屏蔽罩和瓷壳)的结构存在密切关系，关键零部件的优化设计，不仅可以有效提高真空灭弧室内部绝缘裕度，而且有利于真空灭弧室的小型化和轻量化，因此，借助有限元仿真分析，研究端部屏蔽罩和主屏蔽罩长度及喉部直径、动静触头开距对内部电场分布的影响，从而设计出最优的真空灭弧室内部结构。图2真空灭弧室结构设计图Fig.2Structure design diagram of empty arc interrupter有限元仿真分析时，72.5 kV真空灭弧室静触头施加电压为 0 kV，动触头施加雷电冲击电压为439 kV，主屏蔽罩为悬浮电位。图172.5 kV真空断路器三维结构示意图Fig.13D structure diagram of 72.5 kV vacuumcircuit breaker表172.5 kV真空断路器主要技术参数Table 1Main technical parameters of 72.5 kV vacuumcircuit breaker主要参数额定电压/kV额定电流/A额定短时/峰值耐受电流/kA额定短路持续时间/s1 min额定短时工频耐受电压(相间/断口)/kV额定雷电冲击耐受电压(相间/断口)/kV端子静负载(纵向/横向/垂直)/N数值72.53 15040/1004160/160(+42)380/380(+59)1 250/750/1 000242.1端部屏蔽罩对绝缘特性的影响分析当72.5 kV真空灭弧室动静触头开距、主屏蔽罩长度及喉部直径和端部屏蔽罩喉部直径固定为某一个值时，调整端部屏蔽罩长度，得到灭弧室内部电场强度随屏蔽罩长度变化的关系曲线见图3。图3端部屏蔽罩长度与最大电场强度的关系曲线Fig.3The relationship between the length of the endshield and the maximum electric field strength由图3可知，真空灭弧室内部最大电场强度值随着端部屏蔽罩的长度先减小后增大，当端部屏蔽罩长度为52 mm时，灭弧室内部最大电场强度值最小，当端部屏蔽罩长度小于52 mm时，无法有效屏蔽端部焊接面，当端部屏蔽罩大于52 mm时，端部屏蔽罩与主屏蔽罩的间距会变小，会导致外瓷壳区域局部电场畸变，影响真空灭弧室内部绝缘性能，因此，端部屏蔽罩长度最优值为52 mm，灭弧室内部电场强度最大值为24.1 kV/mm。当72.5 kV真空灭弧室动静触头开距、主屏蔽罩长度及喉部直径为某一固定值时，端部屏蔽罩长度为52 mm时，调整端部屏蔽罩喉部直径尺寸时，灭弧室内部电场强度随端部屏蔽罩喉部直径变化的曲线见图4。图4端部屏蔽罩喉部直径与最大电场强度的关系曲线Fig.4The relationship between the throat diameter of theend shield and the maximum electric field strength由图4可知，随着端部屏蔽罩喉部直径变大，灭弧室最大电场强度值逐渐增大，因此，适当减小端部屏蔽罩喉部直径，可以提高真空灭弧室内部绝缘性能，但端部屏蔽罩喉部直径变小，会增大端部屏蔽罩加工难度，因此，综合考虑其加工工艺和绝缘特性，端部屏蔽罩喉部直径设计为104 mm，此时真空灭弧室内部电场强度最大值为21.5 kV/mm。2.2主屏蔽罩对绝缘特性的影响分析当72.5 kV真空灭弧室动静触头开距、主屏蔽罩喉部直径固定为某一个值时，端部屏蔽罩长度为52 mm，喉部直径为104 mm时，调整主屏蔽罩长度，得到灭弧室内部最大电场强度随主屏蔽罩长度变化的曲线见图5。图5主屏蔽罩长度与最大电场强度的关系曲线Fig.5The relationship between the length of the mainshield and the maximum electric field strength由图5可知，当主屏蔽罩长度增加时，真空灭弧室内部最大电场强度逐渐增大，因此，在确保完全屏蔽动静触头燃弧区间的前提下，主屏蔽长度设计的越短越好，综合考虑各方面的因素，主屏蔽长度设计为208 mm，真空灭弧室内部电场强度最大值为20.5 kV/mm。当72.5 kV真空灭弧室动静触头开距固定为某一个值时，端部屏蔽罩长度为52 mm，喉部直径为104 mm，主屏蔽罩长度为208 mm时，调整主屏蔽罩喉部直径尺寸，得到灭弧室内部最大电场强度随主屏蔽罩喉部直径变化的曲线见图6。图6主屏蔽罩喉部直径与最大电场强度的关系曲线Fig.6The relationship between the throat diameter of themain shield and the maximum electric field strength研究与分析姚灿江，孙龙勇，刘英英.新型72.5 kV真空断路器的研发设计252023年2月第59卷第2期由图6可知，当主屏蔽罩喉部直径尺寸逐渐增大时，灭弧室内部最大电场强度逐渐减小，当主屏蔽罩喉部直径大于114 mm时，最大电场强度减小的速率变小，但随着主屏蔽罩喉部直径增大，主屏蔽罩与瓷壳的间距越来越小，使瓷壳表面的沿面场强逐渐增大，容易发生瓷壳表面放电击穿现象，从而影响灭弧室内部绝缘特性，当选择主屏蔽罩喉部直径较小时，会增大主屏蔽罩的变径比，从而导致零部件加工难度增大，因此，主屏蔽罩喉部直径选择 114 mm时，真空灭弧室内部电场强度最大值为19.8 kV/mm。2.3动静触头开距对绝缘特性的影响分析当72.5 kV真空灭弧室主屏蔽罩和端部屏蔽罩尺寸均为上述最优值时，调整动静触头开距，得到真空灭弧室内部最大电场强度随开距变化的曲线见图7。图7动静触头开距与最大电场强度的关系曲线Fig.7Curve of the relationship between the distancebetween the dynamic and static contacts and the maximumelectric field strength由图7可知，当动静触头开距小于35 mm时，随着动静触头开距的增大，灭弧室内部电场强度值迅速减小，而当动静触头开距大于35 mm时，灭弧室内部电场强度值随开距的增大而缓慢减小，因此，72.5 kV 真空灭弧室动静触头开距选择应大于35 mm，但随着开距的增加，灭弧室内部零部件的复杂程度会增加，且对应的真空断路器机械性能要求也越来越高，综合考虑灭弧室内部绝缘性能、零部件复杂程度和断路器机械特性，选定灭弧室动静触头开距为37 mm，此时对应的真空灭弧室内部电场强度最大值为17.9 kV/mm，电场强度分布云图见图8。372.5kV真空灭弧室触头磁场研究真空灭弧室能够开断大的电流和触头结构密切相关，不同的触头结构在空间中形成两种类型的磁场使得大电流可以被开断。在高电压等级的真空灭弧室中，一般选择纵磁布置的触头结构，常用的纵磁触头分为线圈式和马蹄铁式触头结构14-16。对于线圈式触头而言，为了提高其增强磁场强度，经常采用增加线圈匝数的方式，使电流路径增加，但同样会带来触头电阻加大，影响其通流性能的问题16-19。马蹄铁式触头结构是将触头里面的铁磁材按照一定规律排列成马蹄铁形状，并使其构成磁阻小的磁回路，且通流模块与导磁结构为两套独立的系统，从而使马蹄铁式触头结构具备较强的通流和开断能力19-23。磁场强度和磁滞性时间是影响真空灭弧室触头开断性能的重要因素，通过有限元仿真分析来研究两种触头的磁场强度和磁滞性时间，并对触头结构进行优化设计。通过三维软件简化电弧模型直径为80 mm，长度为37 mm，在动触头施加电流1 kA，静触头流出。通过仿真分析可知，线圈式和马蹄铁式触头在1 kA峰值电流时开距中心平面上沿AA轴方向的纵向磁场对比情况见图9，线圈式和马蹄铁式触头的磁滞性时间在开距中心平面上沿AA轴方向的对比情况见图10。由图9可知，线圈式触头结构中心位置处磁场强度最大，沿着中心位置向电弧边缘磁场强度越来越小，线圈式触头磁场强度约为3.25.4 mT。马蹄铁式触头中心位置磁场强度最小，沿着中心位置向电弧边缘磁场强度越来越大，马蹄铁式触头磁场强度约为0.810 mT，马蹄铁式触头在开距中心平面图8动静触头开距为37 mm时，真空灭弧室电场强度分布云图Fig.8When the distance between the dynamic and staticcontacts is 37 mm，the electric field distribution clouddiagram of the vacuum interrupter26的纵向磁场强度分布情况见图11。线圈式触头磁场强度两个极值之间相差不大，说明线圈触头磁场强度分布相对均匀，有利于开断过程中电弧的均压扩散。马蹄铁式触头结构磁场强度最大值约为线圈式触头的2倍，更加有利于真空灭弧室的大容量开断。图11马蹄铁式触头开距中心平面纵向磁场强度分布图Fig.11Distribution of longitudinal magnetic field in thecenter plane of the horseshoe contact由图10可知，线圈式触头磁滞性时间中间位置变化缓慢，在电弧边缘位置相对减小，其总体趋势变化平缓，线圈式触头磁滞性时间约为1.211.39 ms。马蹄铁式触头结构磁滞性时间中间位置最小，在靠近边缘1/2的位置，出现了最大磁滞性时间位置，马蹄铁式触头磁滞性时间约为0.470.72 ms。马蹄铁式触头磁滞性时间小于线圈式触头磁滞性时间，使真空灭弧室在开断故障电流时，触头间磁场强度迅速降为0，有利于带电粒子的扩散。472.5kV真空断路器温升特性优化研究通过上述真空灭弧室绝缘和开断性能的优化研究，设计出72.5 kV真空灭弧室结构，并进行结构选配，完成 72.5 kV 真空断路器结构设计。针对72.5 kV真空断路器温升特性问题，通常采用有限元仿真分析的方法，简化其内部结构，节省计算资源，提升计算效率24-25。在完成模型简化后，设置通流电流为3 465 A，仿真结果见图12。图1272.5 kV真空断路器温升仿真云图Fig.12Simulation cloud diagram of temperature rise of72.5 kV vacuum circuit breaker由图12可知，真空灭弧室动静触头温升值高达98.8 K，而动静触头棒与动静支座对接区域温升值为65K左右，满足IEC标准规定的不高于75K的要求。为验证仿真结果的准确性，设计72.5 kV真空断路器温升试验，布置的温升测量点见图13，温升试验状态见图14。通过对72.5 kV真空断路器施加3 465 A的电流，并使之达到热平衡，各个测量点的温升测量值见表2。图9沿AA轴方向的纵向磁场强度对比曲线Fig.9Contrast curve of longitudinal magnetic field alongthe AA axis图10沿AA轴方向的磁滞性时间对比曲线Fig.10Comparison curve of hysteresis time along theAA axis研究与分析姚灿江，孙龙勇，刘英英.新型72.5 kV真空断路器的研发设计272023年2月第59卷第2期图1372.5 kV真空断路器温升测量布点图Fig.13Layout of temperature rise of 72.5 kV vacuumcircuit breaker图1472.5 kV真空断路器温升试验状态图Fig.14State diagram of temperature rise test of 72.5 kVvacuum circuit breaker表2各个测量点的温升测量值Table 2Temperature rise measurement at eachmeasuring point序号12345678910接触类型N2连接母线与接线端子进线导流排静触头棒与静支座动触头棒与触指座表带触指表带触指N2连接母线与接线端子进线导流排实测值/K41.043.843.065.668.866.565.238.042.741.2允许值/K50.065.075.075.075.075.050.065.0由表2可知，72.5 kV真空断路器各个温升测量点的温升均满足IEC标准要求，其中动触头棒与触指座对接面温升值最大，未来在提升断路器通流能力时，可以考虑在动触头棒安装散热器，提高动触头棒的散热能力。通过仿真结果与试验数据对比分析可知，试验温升值略高于仿真结果，其主要原因是试验过程中，样机未安装散热帽，致使样机在试验过程中，达到热平衡耗时较长，其次，温升仿真过程中，简化了部分结构，从而引入了一定的误差。572.5kV真空断路器型式试验验证根据上述计算结果，新研制的72.5 kV真空断路器在国家高压电器质量监督检验中心(河南)顺利进行了IEC标准要求的全部型式试验26-30，并顺利通过。5.1绝缘试验72.5 kV真空断路器顺利通过了IEC标准要求的全部绝缘试验，包括：1 min工频耐受电压(干试和湿试)相间和对地为160 kV，断口为160(+42)kV；额定雷电冲击耐受电压(全波1.2/50 s峰值)相间和对地为380 kV，断口380(+59)kV。72.5 kV真空断路器绝缘试验状态见图15。图1572.5 kV真空断路器绝缘试验状态图Fig.15State diagram of insulation test of 72.5 kV vacuumcircuit breaker5.2基本短路和近区故障试验72.5 kV真空断路器顺利通过了T10、T30、T60、T100s、T100a、L75和L90等开断性能试验，试验后真空灭弧室未见异常，试验状态见图16。5.3额定短路耐受电流试验72.5 kV真空断路器通过4 s的额定短时耐受电流 40 kA 的试验，额定峰值耐受电流 100 kA 的试验。试验后真空断路器未见异常，试验状态见图 17。28图1672.5 kV真空断路器开断试验状态图Fig.16State diagram of 72.5 kV vacuum circuit breakerbreaking test图1772.5 kV真空断路器额定短时耐受电流试验、额定峰值耐受电流试验状态图Fig.17State diagram of rated shorttime withshandcurrent and peak withstand current test of 72.5 kVvacuum circuit breaker6结论通过72.5 kV真空断路器的研发设计及样机型式试验，得到以下结论：1)72.5 kV真空灭弧室端部屏蔽罩长度设计为52 mm，喉部直径为104 mm；主屏蔽罩长度设计为208 mm，喉部直径为 114 mm，动静触头开距设计为 37 mm，此时真空灭弧室内部电场强度最大值为17.9kV/mm。2)马蹄铁式动静触头结构在开断过程中，磁场强度更大，磁滞性时间更短，有利于断路器大容量开断，且马蹄铁式触头结构通流模块与导磁结构为两套独立的系统，从而使马蹄铁式触头结构具备较强的通流能力。3)温升仿真结果和试验中各个测量点的温升均满足IEC标准要求。4)72.5 kV真空断路器各项型式试验的顺利通过验证了结构设计的合理性，为新时代环保型变电站提供了产品基础。参考文献：1徐国政，张节容.高压断路器原理和应用M.北京：清华大学出版社，2006.XU Guozheng，ZHANG Jierong.The theory and applicationof high voltage circuit 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