| 真空斷路器在中國應用的經(jīng)驗 |
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由于額定電流主要由真空隔離器承擔，大大降低了真空滅弧室在額定電流下的負擔，對 真空滅弧室非常有利。另外由于觸頭為插入式，因此不存在觸頭彈跳的問題，這在很大程度上避免了熔焊。即使發(fā)生熔焊，由于觸頭打開時的力與熔焊方向垂直，因此僅需很小的力即 可拉開觸頭，因此大大減輕了操動機構的負擔，同時也降低了整機的成本。真空隔離器現(xiàn)已完成了產(chǎn)品設計，樣品正在試制中。由于溫升是真空隔離器最關心的內(nèi)容，因此下一步的工作，將利用溫度場有限元分析軟件，對其溫升進行計算。
在這種新型真空發(fā)電機斷路器中，使用的真空滅弧室，為中國第一個具有自主知識版權的真空滅弧室——鐵心式兩極縱向磁場電極結構的真空滅弧室。試驗表明，這種新型真空滅 弧室具有很強的開斷能力，完全可勝任開斷發(fā)電機組出現(xiàn)故障時的短路電流的要求。
鐵心式兩極縱向磁場電極結構的真空滅弧室的電極結構如圖8所示。圖中把鐵心移開以便看清電 極結構。當電流I從上導電桿1流入后，經(jīng)上拐臂2到上觸頭片3，通過上觸頭片3流向電弧4， 至下觸頭片5，再到下觸頭片6，最后由下導電桿7流出。由于上下拐臂中的電流向同一方向 流動，它們產(chǎn)生的磁通將垂直穿過兩個觸頭間的空隙，鐵心的磁導率很高，因此這種結構可 產(chǎn)生較強磁場。磁場的方向在拐臂兩側是相反的。
由于縱向磁場對真空電弧等離子體的控制技術，是提高縱向磁場真空滅弧室開斷能力的核心技術，它可保持真空電弧在大電流下仍處于擴散狀態(tài)。因此對鐵心式兩極縱向磁場電極 結構真空滅弧室的縱向磁場，進行詳細的分析是很有意義的。Vector Fields軟件包，是國 際上著名的電磁場有限元分析軟件，利用該軟件對鐵心式兩極縱向磁場電極結構真空滅弧室 的縱向磁場的計算表明，這種結構可產(chǎn)生很強且較均勻的縱向磁場。圖9為觸頭間隙正中間 與觸頭片平行平面上的三維靜態(tài)縱向磁場。當電流為40kA時此平面上縱向磁場最大值為1.44 T，這比其他許多真空滅弧室的縱向磁場要大得多，而且分布較均勻。真空電弧在不同的縱 向磁場下會呈現(xiàn)出不同的形態(tài)。用Vector Fields軟件包對此滅弧室交變磁場的分析表明， 在鐵心中可感應出較大的渦流。由于渦流的存在對成功開斷不利，因此應盡量減小渦流的影 響。采用鐵心疊片的方法可有效地抑制渦流。計算表明，當鐵心疊4片時(間距0.2mm)，在電 流峰值時的渦流最大值是鐵心不疊片情況的17.8％。而鐵心疊10片時(間距0.2mm)，電流峰 值時渦流最大值是鐵心疊4片時的56.7％。由此可見，可通過鐵心疊片的方式來抑制渦流， 有效地提高鐵心式兩極縱向磁場電極結構真
空滅弧室的開斷能力。另外，通過數(shù)值分析的方 法還找到了一些可繼續(xù)提高該真空滅弧室開斷能力的途徑，這些將在下一步的工作中進行。
這種新原理的真空發(fā)電機斷路器操動機構，是一種新型的操動機構，它是一種彈簧操動 機構，利用一種有效的方法，使真空隔離器VD和真空滅弧室VI先后動作，滿足設計要求。由 于VD先分開，當電流全部轉到VI后，VI才能打開，因此操動機構必須與此要求相適應。這里 的關鍵問題是電流能否轉移及轉移時間。其中轉移時間與操動機構的設計參數(shù)密切相關，即 操動機構兩并聯(lián)支路動作的時間差，必須大于電流轉移時間。為此，我們專門設計了一個試 驗線路來對電流轉移過程進行模擬，并建立一個數(shù)學模型對電流轉移過程進行仿真，以此來 探索電流轉移時間的規(guī)律。電流轉移試驗是在合成回路上進行的，試驗線路如圖10所示。
在圖中，Ci為合成回路電流源電容器，Li為電流源電抗器，Q為主合閘開關。當電容器 充電完畢以后，將Q閉合就可將電流引入VD、VI支路。VD、VI都處于閉合狀態(tài)，當電流通過 的某一瞬間，VD打開，這時電流發(fā)生轉移，全部電流通過VI支路。FL和FL1為分流器，分別 測量總電流和VD電流。試驗中還測量了VD上電壓。試驗電流最大為24kA，結果表明，在給定 的試驗參數(shù)下(如表1所示)，電流每次均能夠順利轉移，轉移時間為1～2ms。圖11為電流轉 移過程的典型示波圖。
圖11所示情況的仿真結果如圖12a和圖12b所示。仿真結果與試驗結果較為接近。在下一 步工作中，我們將利用Pspice電路分析軟件，對電氣參數(shù)、電流特性等因素對電流轉移時間 的影響，做進一步的分析。
3.3 110kV、1250A和31.5kA真空斷路器的開發(fā)
近10多年來西安交通大學對110kV及以上電壓等級的高壓真空斷路器作了國內(nèi)外調查和分析 工作，并進行了廣泛的探索、理論研究、計算和實際開發(fā)試制工作等。
據(jù)悉，美國通用電氣公司早在60年代初，曾采用多個真空滅弧室串聯(lián)制成高壓和超高壓真空 斷路器和真空負荷開關，并實際投入了相應的電力系統(tǒng)上運行。這種高壓斷路器分別由3、7 、11和14個真空滅弧室組成145kV、362kV、550kV和800kV的真空斷路器。俄羅斯于1990年生 產(chǎn)了由四個35kV的真空滅弧室組成110kV、25kA的真空斷路器，亦在實際的電力系統(tǒng)上投入 運行。1980年美國通用電氣公司正式生產(chǎn)了雙斷口的168kV、40kA真空斷路器。1980年日本 日立電氣公司制造出123kV、31.5kA單斷口的真空斷路器。1987年日本東芝電氣公司開發(fā)了1 45kV、31.5kA的單斷口真空斷路器和168kV雙斷口的真空斷路器。
從上述調查和分析結果，按現(xiàn)有國內(nèi)的制造技術來看，要制造出單斷口的110kV和220kV電壓 等級的高壓真空斷路器是完全可能的，經(jīng)過一番努力研制出雙斷口的500kV電壓等級的真空 斷路器也是可能的。根據(jù)我們的理論分析和設計計算對于開發(fā)110kV和220kV的真空斷路器過 程中的實踐經(jīng)驗，認為只要合理地解決真空滅弧室的內(nèi)部電場均勻分布和解決采用縱向磁場 結構電極的磁場強度問題，實現(xiàn)高電壓等級的真空斷路器也是可能的。
根據(jù)我國國內(nèi)真空滅弧室制造廠的設備條件，決定先用兩個63kV真空滅弧室串聯(lián)組成110kV 雙斷口真空斷路器。圖13所示為63kV真空滅弧室的剖面結構圖，圖中5為主觸頭，2為陶瓷外 殼，4為主屏蔽罩，1為動端波紋管，7為均壓屏蔽罩，12為靜端緩沖波紋管，9為動導電桿， 3為靜端導電桿，6為均壓屏蔽罩和11為端部均壓屏蔽罩。圖14所示為63kV真空滅弧室的電場 計算結果的電場分布圖。目前設計的外屏蔽罩式真空滅弧室，已能滿足63kV電壓等級的各項 標準要求。雙斷口的110kV真空斷路器設計了二種不同的結構方案，如圖15所示。圖中方案a 正在試制中，真空滅弧室排列呈V形布置，總高度為2500mm。圖中b已由北京開關廠試制完成 ，真空滅弧室排列呈垂直布置，總高度為2650mm，將準備在我國西安高壓電器檢測中心進行 全面的型式試驗。
雙斷口110kV戶外真空斷路器的操動機構采用了電動彈簧式操動機構，由一個操動機構帶動三相連動。平均分閘速度為2.4m/s，平衡合閘速度為1.8m /s。在此基礎上，西安交通大學真空電弧理論研究中心，已對220kV電壓等級的真空斷路器的研 制工作作了大量的理論探討，并對真空滅弧室的具體結構進行了分析和設計，利用三維電磁 場隨時間變化的過程作了估計，得出了較合理的電極間縱向磁場的分布。圖16所示為115kV 真空滅弧室置于絕緣筒內(nèi)的布置情況。為了獲得較強和較均勻的縱向磁場，已將產(chǎn)生縱向磁 場線圈布置在真空滅弧室外殼中部，同時主屏蔽罩采用具有抗渦流作用的特殊結構和特殊材 料制造。220kV雙斷口真空斷路器的設計方案，它采用了并聯(lián)電容器作為真空滅弧室的支撐 結構，以減輕真空滅弧室單臂懸掛下垂的分力 |
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