750kV罐式断路器合闸电阻操动冲击下应力分布数值模拟及影响因素分析.pdf

750 kV罐式断路器合闸电阻操动冲击下应力分布数值模拟及影响因素分析刘康1，温定筠1，包艳艳1，丘子诚2，李斯盟2，汲胜昌2（1.国网甘肃省电力公司电力科学研究院，兰州730070；2.西安交通大学电力设备与电气绝缘国家重点实验室，西安710049）摘要：作为断路器中的关键组件，断路器合闸电阻在长期运行的过程中会承受巨大的机械和电流冲击，可能造成合闸电阻乃至断路器设备发生损坏。基于此，文中以典型LW13800型罐式断路器为研究对象，建立了断路器合闸电阻数值仿真模型，计算了操动冲击力作用下合闸电阻的应力分布，分析了不同优化设计中的影响因素对合闸电阻应力的影响。研究结果表明：在同一电阻串上，最底端电阻片所受应力最大；合闸电阻串平均应力与操动冲击波形大致吻合；合闸电阻所受应力的平均值与操动冲击载荷呈正比例关系；在加装了纯铝过渡片后，可以对电阻串两端电阻片应力分布起到一定程度的改善。关键词：罐式断路器；合闸电阻；应力分布；优化设计；变化规律Stress Distribution Numerical Simulation and Influencing Factor Analysis of Stress UnderOperating Shock of Preinsertion Resistor of 750 kV Dead Tank Circuit BreakerLIU Kang1，WEN Dingyun1，BAO Yanyan1，QIU Zicheng2，LI Simeng2，JI Shengchang2（1.State Grid Gansu Electric Power Co.，Ltd.Electric Power Research Institute，Lanzhou 730070，China；2.State Key Laboratory ofElectrical Insulation and Power Equipment，Xi an Jiaotong University，Xi an 710049，China）Abstract:The preinsertion resistor，as the key part of circuit breaker，can withstand huge mechanical and currentimpulse in the term operation，may cause the damage of the preinsertion resistor and even circuit breaker.Based onthis，the typical LW13800 dead tank circuit breaker is taken as the research object in this paper，a numerical simulation model for the preinsertion resistor of the circuit breaker is set up and the stress distribution of the preinsertion resistor under the action of operating shock force is calculated，and the influence of different influencing factorson the stress of the preinsertion resistor is analyzed.The research results show that on the same resistor string，thestress withstood by the bottom resistor is the highest.The average stress of the preinsertion resistor string is roughlyin agreement with the operating shock waveform.The average stress on the preinsertion resistor is positively proportional to the operating shock load.After installing pure aluminum transition pieces，the stress distribution of the resistor discs at both ends of the resistor string can be improved to a certain extent.Key words:dead tank circuit breaker；preinsertion resistor；stress distribution；optimization design；variation rule0引言随着超高压、特高压的快速发展，GIS、HGIS、罐式断路器等装设合闸电阻(preinsertion resistor，PIR)的开关设备被广泛应用1-3。合闸电阻通常被用以抑制断路器分合闸过程中的合闸涌流与暂态过电压4-6。在长期运行的过程中，断路器合闸电阻承受巨大的机械和电流冲击，轻则出现触头电弧、零部件第59卷第8期：018001852023年 8月16日High Voltage ApparatusVol.59，No.8：01800185Aug.16，2023DOI:10.13296/j.10011609.hva.2023.08.021_收稿日期：20230311；修回日期：20230509基金项目：国家电网有限公司科技项目(5500202333113A11ZN)。Project Supported by Science and Technology Project of the State Grid Corporation of China(5500202333113A11ZN).松动、及卡涩等故障，严重可引起着火或爆炸7-8。此外，合闸电阻在长期受到分合闸操动冲击的作用下其表面可能出现损坏，散落的电阻片碎屑可能导致断路器在运行过程中发生停电，对电网运行可靠性产生严重影响9-11。因此开展对断路器合闸电阻在操动冲击下应力分布研究以及优化研究对于电网安全可靠运行具有重要意义。近年来，中国对于断路器合闸电阻的研究主要集中于典型故障的检测与分析以及优化12-14。针对ACF用断路器西门子公司以及部分设备运维单位主要通过提高灭弧室SF6气体的额定压力，以增强内绝缘强度，确保断路器在交直流复合过电压作用下开断容性电流时不发生重燃。北京ABB公司提出采用选相合闸断路器替换常规带合闸电阻断路器，但相关电压等级产品尚未在工程中得到应用。针对线路用断路器，厦门ABB公司与新东北公司提出合闸电阻堆结构单独气室布置方式，以降低合闸电阻堆运行故障，相关产品已在GIS设备中得到应用。文中以典型LW13800型罐式断路器为研究对象，建立了断路器合闸电阻数值仿真模型，计算了操动冲击力作用下合闸电阻的应力分布，分析了不同影响因素对合闸电阻应力的影响，对罐式断路器合闸电阻仿真以及优化方案具有重要意义。1断路器合闸电阻数值模拟计算模型1.1罐式断路器结构及操动原理750 kV 断路器内部主要组成为：机械传动装置、并联电容器装配、合闸电阻装配、灭弧室装配、绝缘拉杆装配等。LW13800型罐式断路器结构示意图见图1。图1LW13800型罐式断路器结构Fig.1Structure of LW13800 circuit breaker在罐式断路器分合闸过程中主要有两个断口参与投切，其中一个为主断口，另一个为合闸电阻断口。其中LW13800型号罐式断路器为并联式合闸电阻，合闸电阻与合闸电阻断口并联，合闸时合闸电阻的提前接通时间为812 ms，防止产生合闸过电压。1.2数值计算模型及参数针对断路器合闸电阻装配，其结构为每一件电阻片串联装配在绝缘杆上，绝缘杆的两端为螺纹结构，一端与连板直接连接，另一端装配有弹簧、连板和螺母，螺母与绝缘杆紧固时，通过连板压缩弹簧，弹簧的弹力施加在电阻片之间，保证电阻之间可靠导通。6柱电阻串装配完成后，用连接板和铜板串联，随后通过绝缘支撑装配于灭弧室法兰之上。对合闸电阻堆进行建模，建模过程中省略了螺母等结构件，并在电阻片和绝缘杆之间建立接触关系，为保证计算精度，整个模型采用六面单元占主导进行网格划分。对重点关注区域进行网格加密，最终建立的几何模型见图2。图2断路器合闸电阻仿真模型Fig.2Simulation model of circuit breakerpreinsertion resistor合闸电阻装配中合闸电阻主要含有氧化铝、粘土和碳3种成分，采用粉末冶金工艺烧结得到。此外，绝缘杆的材质为环氧玻璃布板，合闸电阻底盘材质为铝合金，其余金属连接件、弹簧、触头均为金属铜，各材料物理参数见表1。表1各材料物理参数Table 1Physical parameters of each material材料牌号电阻片铝合金铜绝缘杆密度/(kgm-3)2 2002 8008 9802 040弹性模量/GPa30.068.0117.740.0泊松比0.280.360.340.322断路器合闸电阻暂态应力分布仿真分析考虑到作用于底盘面的绝缘支撑在建立仿真几何模型的过程中被省略，在底盘面施加固定约束以替代绝缘支撑。另一方面合闸电阻堆分、合过程受电阻触头的冲击作用，故在静触头施加冲击荷开关设备刘 康，温定筠，包艳艳，等.750 kV罐式断路器合闸电阻操动冲击下应力分布数值模拟及影响因素分析 1812023年8月第59卷第8期载，冲击荷载采用高斯脉冲的方式进行加载，加载时间为12 ms，符合在运断路器操动冲击时长，冲击载荷加载示意图见图3。图3冲击载荷加载示意图Fig.3Schematic diagram of impact load loading通过数值计算，得到LW13800型号罐式断路器在一次操动过程中各组件随时间变化的应力分布，其中合闸电阻串应力分布见图4。通过分析合闸电阻串应力分布，可以发现电阻串最底端电阻片所受应力最大，且随时间的变化合闸电阻串的幅值也出现变化，在6 ms时操动冲击载荷达到最大，此时合闸电阻串应力也达到最大，绘制合闸电阻串平均应力与时间的关系见图5。通过图6可以发现，合闸电阻串平均应力与操动冲击波形大致吻合，在冲击载荷上升沿合闸电阻串平均应力上升，在冲击载荷下降沿合闸电阻串平均应力上升，冲击载荷结束后，合闸电阻串平均应力出现了一定程度的振荡，这是由于在操动冲击结束后，电阻片仍保持相对位移，产生应力。下面针对单一电阻片上的应力分布进行具体分析，通过对电阻串整体应力分布的仿真分析，可以发现电阻串最底层电阻片所受应力最大，而最顶层电阻片由于和弹簧结构以及绝缘杆上端固定部分紧密接触，其应力分布与中间层的电阻片也不相同，因此选取电阻串中最上层电阻片、中间层电阻片、最下层电阻片分别进行分析，应力分布见图6。通过对不同位置电阻片进行应力分析，可以得出如下结论：各个合闸电阻串上电阻片应力分布基本一致；针对同一电阻串上的电阻片而言，其最下层电阻片的外侧靠近触头部分应力较大；针对同一电阻串上的电阻片而言，其最上层电阻片的内侧与绝缘杆接触部分应力较大；针对同一电阻串上的电阻片而言，其中间层电阻片的应力呈两侧大，中间小的规律，且其应力要小于同一电阻串上两端电阻片应力。图4合闸电阻串随时间变化的应力分布Fig.4The stress distribution of the preinsertion resistorstring over time3合闸电阻应力影响因素分析要改善合闸电阻串的应力分布，可以从两方面 182入手，一是优化设计机械传动装置，使连杆机构达到更好的传动效果，提升传动效率，进而实现减小传动作用力和作用时间15-19；二是优化设计合闸电阻串结构，改善合闸电阻串应力分布。下面以两方面优化设计为基础，改变仿真几何建模或边界条件，探究合闸电阻应力的影响因素。3.1改变载荷大小通过设置边界条件，调整载荷大小为实际操动冲击作用力的60%、80%、100%、120%，通过数值计算得到断路器合闸电阻应力分布见图7。图7不同载荷下断路器合闸电阻应力分布Fig.7Stress distribution of circuit breaker preinsertionresistor under different loads通过合闸电阻串不同载荷大小下的应力分布，可知合闸电阻串所受应力随操动冲击载荷的增加而增大。绘制合闸电阻在6 ms时刻所受应力的平均值与操动冲击载荷的关系曲线见图8，观察得合闸电阻所受应力的平均值与操动冲击载荷大致呈正比例关系。图8合闸电阻应力与操动冲击作用力的关系Fig.8The relationship between preinsertion resistorstress and operating shock load3.2改变操动时间通过设置边界条件，调整操动时间为10、12、14、16 ms，通过数值计算得到断路器合闸电阻应力分布见图9。通过分析，可知改变操动时间长度时，合闸电阻平均应力峰值时间发生变化，但是应力大小未发生明显变化。3.3改变合闸电阻串结构目前针对合闸电阻串的结构优化方面较为流行的措施是在电阻片两端加上过渡用铝片，从而改善合闸电阻应力分布，通过改变几何建模，仿真得到装设有纯铝过渡片的优化合闸电阻结构的应力图5合闸电阻串平均应力与时间的关系Fig.5The relationship between the average stress of thepreinsertion resistor string and time图6同一电阻串上电阻片应力分布Fig.6Stress distribution of resistor pieces on the sameresistor string开关设备刘 康，温定筠，包艳艳，等.750 kV罐式断路器合闸电阻操动冲击下应力分布数值模拟及影响因素分析 1832023年8月第59卷第8期分布仿真结果见图10。图9不同操动时间下断路器合闸电阻应力分布Fig.9Stress distribution of circuit breaker preinsertionresistor under different operating times图10加装纯铝过渡片后不同时间下断路器合闸电阻应力分布Fig.10Stress distribution of circuit breaker preinsertionresistor at different times after installing purealuminum transition pieces通过图10可以得出，两端加上纯铝过渡片的优化后合闸电阻应力分布与未加装纯铝过渡片的合闸电阻应力分布相比并未发生什么变化，下面针对两端电阻片表面应力分布进行具体分析，其应力分布见图11。通过图11，可知在加装了纯铝过渡片后，电阻串两端电阻片应力分布均有所改善，对于顶端电阻片，其应力最集中的区域由内侧变为顶面上，可以有效避免因应力损坏电阻片，对于底端电阻片，其应力大小得到了一定程度的减少，可以起到保护电阻片的作用。图11加装纯铝过渡片后电阻串两端合闸电阻片应力分布Fig.11Stress distribution of the preinsertion resistorplates at both ends of the resistance string after installingpure aluminum transition plates4结论文中以LW13800型号罐式断路器为原型，建立了断路器合闸电阻应力仿真模型，并在此基础上，研究了不同影响因素作用下的断路器合闸电阻应力变化规律，得到以下结论：1)在同一电阻串上，最底端电阻片所受应力最大。合闸电阻串平均应力与操动冲击波形大致吻合，在冲击载荷上升沿合闸电阻串平均应力上升，在冲击载荷下降沿合闸电阻串平均应力上升，冲击载荷结束后，合闸电阻串平均应力出现了一定程度的振荡。2)合闸电阻所受应力的平均值与操动冲击载荷呈正比例关系。加装了纯铝过渡片后，可以对电阻串两端电阻片应力分布起到一定程度的改善，并使其应力大小得到了一定程度的减少，起到了保护电阻片的作用。参考文献：1刘振亚.特高压交直流电网M.北京：中国电力出版社，2013LIU Zhenya.Ultra high voltage AC&DC gridM.Beijing：China Electric Power Press，2013.2刘振亚.特高压直流电气设备M.北京：中国电力出版社，2009.LIU Zhenya.Ultrahigh voltage DC electrical equipmentM.Beijing：China Electric Power Press，2009.3牛勃，马飞越，丁培，等.800 kV交流滤波器场用断路器合闸电阻故障分析J.高压电器，2020，56(7)：3643.NIU Bo，MA Feiyue，DING Pei，et al.Fault analysis of preinsertion resistors for 800 kV circuit breakers in AC filtersfieldJ.High Voltage Apparatus，2020，56(7)：3643.4阳少军，石延辉，夏谷林.一起800 kV换流站投切交流 184滤波器用断路器故障原因分析J.电力建设，2015，36(9)：129134.YANG Shaojun，SHI Yanhui，XIA Gulin.Analysis ofconverter stations AC filter circuit breaker faultJ.ElectricPower Construction，2015，36(9)：129134.5徐鹏，林宝玉，刘玮，等.基于ATPEMTP对500 kV输电线路取消合闸电阻的仿真研究J.电瓷避雷器，2011(6)：7075.XU Peng，LIN Baoyu，LIU Wei，et al.Simulation researchon eliminating parallel resistor in circuit breaker for 500 kVtransmissionlines based on ATPEMTPJ.Insulators andSurge Arresters，2011(6)：7075.6HE Jinliang，LI Chen，HU Jun，et al.Elimination of closingresistors for breakers in 1 000 kV UHV system by surgearrestersJ.IEEE Transactions on Power Delivery，2012，27(4)：21682175.7周孝法，魏向向，王宾，等.一起交流滤波器用断路器击穿事故分析J.电力系统保护与控制，2017，45(20)：3843.ZHOU Xiaofa，WEI Xiangxiang，WANG Bin，et al.Anaccident analysis of circuit breaker explosion in AC filterbranch in substationJ.Power System Protection andControl，2017，45(20)：3843.8谢金鹏，张素慧，李军，等.750 kV变电站罐式断路器合闸电阻片失效分析J.电力安全技术，2022，24(7)：5861.XIE Jinpeng，ZHANG Suhui，LI Jun，et al.Analysis on aclosing resistor failure of tank circuit breaker in a 750 kVsubstationJ.Electric Safety Technology，2022，24(7)：5861.9马飞越，牛勃，黎炜，等.750 kV交流滤波器用断路器合闸电阻故障分析J.电力电容器与无功补偿，2019，40(4)：145151.MA Feiyue，NIU Bo，LI Wei，et al.Fault analysis of circuitbreaker s closing resistor for 750 kV AC filterJ.PowerCapacitor&Reactive Power Compensation，2019，40(4)：145151.10 牛勃，马飞越，相中华，等.断路器合闸电阻运行可靠性分析及故障诊断技术研究J.宁夏电力，2021(1)：2335.NIU Bo，MA Feiyue，XIANG Zhonghua，et al.Research onoperation reliability and fault diagnosis technology of preinsertion resistors for circuit breakersJ.Ningxia ElectricPower，2021(1)：2335.11 BHARGAVA B，KHAN A H，IMECE A F，et al.Effectiveness of preinsertion inductors for mitigating remote overvoltages due to shunt capacitor energizationJ.IEEETransactions on Power Delivery，1993，8(3)：12261238.12 HEDMAN D E，JOHNSON I B，TITUS C H，et al.Switching of extrahighvoltage circuits IIsurge reduction with circuitbreaker resistorsJ.IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems，1964，83(12)：11961205.13 DA SILVA F F，BAK C L，GUOMUNDSDOTTIR U S，et al.Use of a preinsertion resistor to minimize zeromissing phenomenon and switching overvoltagesC/2009 IEEE Power&EnergySocietyGeneralMeeting.Canada：IEEE，2009：17.14 AWAD E A，BADRAN E A，YOUSSEF F M H.Mitigationof temporary overvoltages in weak grids connected to DFIGbased wind farmsJ.Journal of Electrical Systems，2014，10(4)：431444.15 孟凡刚，巫世晶，张增磊，等.特高压断路器连杆传动机构效率优化研究J.机电工程，2014，31(7)：819822.MENG Fangang，WU Shijing，ZHANG Zenglei，et al.Efficiencyoptimizationoftheconnectingroddrivemechanism of the ultra high voltage circuit breakerJ.Journal of Mechanical&Electrical Engineering，2014，31(7)：819822.16 巫世晶，孟凡刚，赵文强，等.特高压断路器机械传动机构动态特性优化J.高电压技术，2018，44(3)：727732.WU Shijing，MENG Fangang，ZHAO Wenqiang，et al.Dynamic characteristic optimization for transmission mechanism of UHV circuit breakerJ.High Voltage Engineering，2018，44(3)：727732.17 王之军，刘亚培，王刚，等.基于LsDyna的高压断路器传动系统瞬态动力学仿真与试验研究J.高压电器，2018，54(03)：5258.WANG Zhijun，LIU Yapei，WANG Gang，et al.Transientdynamic simulation and experimental study on high voltagecircuit breaker transmission system based on LsDynaJ.High Voltage Apparatus，2018，54(3)：5258.18 杨鑫.800 kV罐式断路器绝缘拉杆故障分析及仿真计算D.北京：华北电力大学，2014.YANG Xin.Analysis and simulation calculation of insulation rod fault in 800 kV tank circuit breakerD.Beijing：North China Electric Power University，2014.19 HEIERMEIER H.Testing of reactor switching for UHV circuit breakersJ.IEEE Transactions on Power Delivery，2015，30(3)：11721178.刘康(1988)，男，高级工程师，主要从事输变电设备状态评估、诊断工作(Email：)。开关设备刘 康，温定筠，包艳艳，等.750 kV罐式断路器合闸电阻操动冲击下应力分布数值模拟及影响因素分析 185