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變電站在現(xiàn)代化發(fā)展過程中,為保證高壓輸電設(shè)備運行穩(wěn)定,開始廣泛采用隔離開關(guān)實現(xiàn)電力隔離[1]。從實踐應(yīng)用效果來看,當前戶外隔離開關(guān)存在設(shè)計工藝標準較低、絕緣介質(zhì)選取不合理等問題,極易引發(fā)隔離開關(guān)運行故障[2]。以降低隔離開關(guān)故障發(fā)生頻率為目標,近年來提出選用環(huán)保氣體作為絕緣介質(zhì),再以此為核心設(shè)計全封閉隔離開關(guān)結(jié)構(gòu)。但是,目前全封閉隔離開關(guān)設(shè)計過程中,對環(huán)保氣體應(yīng)用效果的研究還不夠深入,阻礙了隔離開關(guān)的推廣應(yīng)用。因此,需要開展環(huán)保氣體用于全封閉隔離開關(guān)試驗研究。
文獻[3]深入分析電壓隔離開關(guān)的組成結(jié)構(gòu),運用AnsysWorkbench仿真軟件建立有限元分析模型,并獲取隔離開關(guān)的物理場耦合特點。根據(jù)應(yīng)用環(huán)境溫度考和風速,獲取全封閉隔離開關(guān)的應(yīng)用性能。但是,該方法研究結(jié)果誤差較大。文獻[4]從隔離開關(guān)分段速度等參數(shù)入手,建立開關(guān)性能分析模型。根據(jù)隔離開關(guān)的絕緣能力需求,設(shè)計多斷口結(jié)構(gòu)布局,形成以場路耦合為基礎(chǔ)的斷口均壓方案,將上述設(shè)計的超多斷口隔離開關(guān),應(yīng)用在選定回路上,獲取試驗結(jié)果。但是,該試驗結(jié)果存在片面性。文獻[5]依據(jù)隔離開關(guān)的組成結(jié)構(gòu),構(gòu)建氣體模型和磁流體動力學模型,施加不同充氣壓力后,計算隔離開關(guān)應(yīng)用過程中的燃弧性能。但是,該試驗方法耗時較長。
本文針對環(huán)保氣體用于全封閉隔離開關(guān)的效果,進行試驗研究。通過試驗樣機制作、試驗回路設(shè)計兩個步驟,完成本次試驗研究的準備工作。再從燃弧性能、絕緣性能、開斷性能、耐溫性能四方面分別進行測試,獲取全面的研究結(jié)果。
參考門型全封閉隔離開關(guān),制作試驗研究所需的樣機。其中,選用環(huán)保氣體作為主要絕緣介質(zhì),再應(yīng)用硅橡膠復(fù)合套管作為外部絕緣裝置,最終形成的全封閉隔離開關(guān)結(jié)構(gòu)如圖1所示。按照圖1門型隔離開關(guān)結(jié)構(gòu)制作試驗樣機,該設(shè)備總高度為2500mm。制作過程中,采用高度為1200mm的錐形絕緣套管,并在其中添加接地斷口,搭建支撐絕緣子結(jié)構(gòu),達到增強隔離開關(guān)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的目的。根據(jù)220kV變電站內(nèi)斷路器滅弧室所應(yīng)用的復(fù)合絕緣套管,制作高度為1000mm的同款隔離斷口套管。在絕緣套管內(nèi)部合理布置隔離斷口,形成三工位門型全封閉隔離開關(guān)。
圖1 門型隔離開關(guān)結(jié)構(gòu)圖
此外,試驗樣機制作過程中,由于開關(guān)隔離斷口處于復(fù)合絕緣套管內(nèi)部,接地開關(guān)位于兩側(cè)錐形絕緣套管內(nèi)部,所以設(shè)置左側(cè)接地開關(guān)和隔離斷口應(yīng)用相同的傳動系統(tǒng)和接地開關(guān),而右側(cè)接地開關(guān)采用獨立的接地開關(guān)。由于本次試驗研究制作的樣機是門型結(jié)構(gòu),屬于全封閉隔離開關(guān)的變種設(shè)計,所以相比傳統(tǒng)隔離開關(guān)結(jié)構(gòu),需要經(jīng)歷兩個演變步驟。首先,從下接線端合適位置彎曲接地開關(guān),形成L形隔離接地開關(guān),再將其與單接地開關(guān)進行組合處理,形成門型雙接地結(jié)構(gòu)。其中,隔離斷口的靜端、動端結(jié)主要結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 隔離斷口靜、動端結(jié)構(gòu)圖示
支架和表計氣路裝配,是全封閉隔離開關(guān)設(shè)計的兩項重要組成部分之一,本次試驗設(shè)置支架裝配結(jié)構(gòu)尺寸為250mm×250mm×1150mm,支架主體和斜筋均采用∠80×80×10的角鋼。密度表的連接氣路如圖3所示。
圖3 氣路示意圖
通過上述設(shè)計,完成以環(huán)保氣體為主絕緣的全封閉隔離開關(guān)樣機,為了便于后續(xù)試驗分析,設(shè)置全封閉隔離開關(guān)樣機設(shè)計參數(shù)見表1。
將開關(guān)樣機看作本次試驗研究的主要對象,應(yīng)用在試驗回路內(nèi),進行全方位測試,獲取環(huán)保氣體用于全封閉隔離開關(guān)的應(yīng)用效果。
為保證本次試驗的順利進行,按照全封閉隔離開關(guān)實際應(yīng)用環(huán)境,設(shè)計試驗回路。其中,隔離開關(guān)母線轉(zhuǎn)換電流為1600A,而氣體絕緣母線、空氣絕緣母線的轉(zhuǎn)換電壓分別為50V、115V。設(shè)置瞬態(tài)恢復(fù)電壓的波形變化,呈現(xiàn)出振蕩衰減趨勢,且振幅系數(shù)高于1.5,振幅頻率高于15kHz。同時,為了確保設(shè)計的試驗回路滿足環(huán)保氣體用于全封閉隔離開關(guān)試驗研究需求,應(yīng)用小容量溫升變壓器充當試驗電源,得到圖4所示的最終開斷試驗回路。
圖4 試驗回路
圖4中,L表示用來試驗電流的電感,T表示溫升變壓器,LT表示變壓器短路電感,R表示電阻,RT表示變壓器直流電阻,V表示TRV調(diào)節(jié)單元電壓有效值,U表示穩(wěn)態(tài)電壓,C表示調(diào)節(jié)單元參數(shù)。
圖4所示的試驗回路應(yīng)用時,當開關(guān)拉弧處于開斷狀態(tài),試驗回路內(nèi)剩余能量會外泄處理,生成TRV調(diào)節(jié)單元。為了避免試驗回路出現(xiàn)故障影響研究結(jié)果出現(xiàn)偏差,在正式試驗研究之前,測量試驗回路正常狀態(tài)下的試驗電流和電壓波形穩(wěn)態(tài)值。利用泰克P2220探頭和工頻電流互感器進行測量,得到回路的最大電壓值為350V,最大電流值為10kA。
試驗回路內(nèi)溫升變壓器是核心組成部分,由4個繞組串聯(lián)組成,且每個繞組的最高輸出電壓值為35V,試驗研究過程中,通過單個繞組獲取溫升變壓器輸出值,設(shè)置溫升變壓器短路阻抗計算公式為:
式中,ZT表示溫升變壓器短路阻抗。
利用公式(1)進行計算可知,試驗回路的變壓器短路阻抗值為0.50mΩ,變壓器直流電阻值為0.37mΩ,在此基礎(chǔ)上,進行試驗回路總阻抗計算公式:
式中,Z表示試驗回路總阻抗。
根據(jù)上述計算得出的回路電流值、電壓值、阻抗值等信息,運用ATP-EMTP軟件建立仿真模擬回路,得到開斷前后隔離開關(guān)電流、電壓波形變化情況,如圖5所示。以圖5中電流和電壓波形圖為參考,確保試驗研究過程中試驗回路保持正常狀態(tài),將試驗回路與全封閉隔離開關(guān)樣機相連接,明確環(huán)保氣體作為主要絕緣體后,隔離開關(guān)的應(yīng)用性能。
圖5 開斷前后隔離開關(guān)電流、電壓波形圖
全封閉隔離開關(guān)工作時,通過燃弧作用產(chǎn)生高頻率的操作過電壓,從而實現(xiàn)電力隔離。以環(huán)保氣體為核心的全封閉隔離開關(guān)的應(yīng)用效果研究過程中,燃弧性能分析是主要方向之一。驅(qū)動試驗電路和試驗樣機,觀察電弧燃燒時形態(tài)變化。本次試驗向全封閉隔離開關(guān)分別施加0.6MPa、0.8MPa充氣壓力,選定2ms、4ms、6ms、8ms四個時刻,獲取圖6所示的隔離開關(guān)內(nèi)環(huán)保氣體氣室內(nèi)部溫度分布云圖,明確電弧形態(tài)特征。
根據(jù)圖6可知,從整體來看隨著全封閉隔離開關(guān)工作時間的延長,環(huán)保氣體電弧溫度擴展范圍不斷增大。當隔離開關(guān)的燃弧時刻為2ms時,觸頭呈現(xiàn)出拉開狀態(tài),兩種充氣壓力條件下電弧都表現(xiàn)出膨脹趨勢,如圖6(a1)和圖6(b1)所示。電弧膨脹半徑的擴張,使得隔離開關(guān)內(nèi)環(huán)保氣體轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷貧怏w,并聚集在動靜觸頭之間的區(qū)域,而觸頭空心區(qū)域是高溫環(huán)保氣體的主要流向方向。但是,0.6MPa充氣壓力下電弧最高溫度為16500K,而0.8MPa充氣壓力下電弧最高溫度僅為10500K。
圖6 不同氣壓下環(huán)保氣體電弧溫度分布云圖
當燃弧時間為4ms和6ms時,短路電流表現(xiàn)出持續(xù)擴展特點,引起電弧能量注入量的增長,作為主絕緣體的環(huán)保氣體受熱膨脹,使得高溫氣體進一步擴散。但是,由于觸頭間距變大能量耗散強度較高,電弧高溫區(qū)域增長并不明顯。
最后,燃弧8ms時試驗回路內(nèi)電流減弱到0.58kA,僅存在極少的電弧輸入能量。0.6MPa和0.8MPa條件下,環(huán)保氣體電弧高溫區(qū)域依舊在擴散,整體來看0.8MPa時高溫區(qū)域明顯要低于0.6MPa。因此,壓強的增加可以有效抑制電弧燃燒,調(diào)整開關(guān)的燃弧性能。
由于本次試驗研究的樣機是以環(huán)保氣體作為主絕緣體,為了更好地體現(xiàn)全封閉隔離開關(guān)的開斷性能,設(shè)置不同的環(huán)保氣體混合比,形成表2所示的4組試驗對比組,并在160V、2200A條件下,展開100次開斷試驗。
表2 開斷性能試驗相關(guān)方案
針對表2所示的多個試驗方案,進行全封閉隔離開關(guān)開斷性能測試,記錄每個試驗方案下對應(yīng)燃弧時間,形成圖7所示的燃弧時間對比結(jié)果。根據(jù)圖7可知,所有環(huán)保氣體混合比條件下,燃弧時間主要集中在10~29ms,且應(yīng)用環(huán)保氣體設(shè)計的全封閉隔離開關(guān),相比10%SF6氣體、20%SF6氣體和30%SF6氣體,總體燃弧時間提升了35%、27%與25%,表明環(huán)保氣體應(yīng)用于全封閉隔離開關(guān),有效提升了開關(guān)的開斷性能。
圖7 不同氣體的燃弧時間對比
針對全封閉隔離開關(guān),進行絕緣性分析,是驗證開關(guān)性能的關(guān)鍵內(nèi)容。本次試驗選用環(huán)保氣體充當絕緣氣體,作為隔離開關(guān)的開斷介質(zhì)。因此,本文從環(huán)??諝庵羞x擇干燥空氣、氮氣和二氧化氮三種氣體,分別充當絕緣介質(zhì),應(yīng)用在試驗樣機中,分別在50Hz工頻環(huán)境下,和雷電沖擊環(huán)境下進行耐壓試驗,最終得到圖8所示的電壓變化結(jié)果。根據(jù)圖8可知,環(huán)保氣體用于全封閉隔離開關(guān)后,無論是在工頻擊穿電壓條件下,還是在雷電沖擊擊穿電壓條件下,絕緣性能均會隨電壓的升高而提升。工頻擊穿電壓測試結(jié)果顯示,干燥空氣的絕緣性能最高達到0.5MPa,而氮氣和二氧化氮的最高絕緣性能分別為0.47MPa、0.34MPa。雷電沖擊擊穿電壓測試環(huán)境下,干燥空氣的絕緣性能也要高于其他兩種氣體。因此,全封閉隔離開關(guān)設(shè)計時,選用干燥空氣作為絕緣介質(zhì),既符合環(huán)保要求又可以滿足開關(guān)設(shè)備絕緣需求。
圖8 工頻和雷電沖擊擊穿電壓結(jié)果
高壓隔離開關(guān)工作時,觸頭接觸壓力是關(guān)鍵參數(shù)之一,也是保證隔離電路不放電的依據(jù)。本次實驗根據(jù)觸頭接觸壓力,分析以環(huán)保氣體為基礎(chǔ)的全封閉隔離開關(guān)后的耐溫性。在試驗樣機的靜觸桿內(nèi)附近,安裝壓力傳感器。通過測試可知,試驗環(huán)境內(nèi)自然溫度為16℃,全封閉隔離開關(guān)的額定接觸壓力為4535kg,且接觸壓力范圍為420.5~475.5N。在上述試驗環(huán)境中,設(shè)置4個溫度點,分別為-40℃、0℃、20℃與60℃,針對每個溫度點重復(fù)展開壓力檢測,最終得到表3所示的接觸壓力測試結(jié)果。
根據(jù)表3壓力測試結(jié)果可知,全封閉隔離開關(guān)的接觸壓力,會隨著環(huán)境溫度的增長而減小。60℃時全封閉隔離開關(guān)的平均接觸壓力為297.3N,在-40℃時動觸頭、靜觸頭之間的接觸壓力值最高,平均接觸壓力為369.2N。相比環(huán)境溫度為60℃時,接觸壓力增加了18.15%,這表明全封閉隔離開關(guān)的接觸壓力會受到外界因素影響。結(jié)合隔離開關(guān)的工作要求可知,環(huán)保氣體用于全封閉隔離開關(guān)后,隔離開關(guān)的合理工作溫度范圍在-40~40℃,超過這一范圍后,開關(guān)難以發(fā)揮良好的電力隔離效果。
表3 不同溫度下環(huán)保氣體全封閉隔離開關(guān)的接觸壓力
將環(huán)保氣體應(yīng)用在全封閉隔離開關(guān)中,利用試驗樣機和試驗回路,分析氣體電弧燃燒過程。從試驗結(jié)果可以看出,隔離開關(guān)工作過程中,隨著時間的增長環(huán)保氣體內(nèi)電弧燃燒范圍不斷擴散。同時,壓強對電弧燃燒具有重要影響,與0.6MPa相比,0.8MPa條件下電弧燃燒范圍更大,但是高溫氣體分布范圍更小。綜上所述,通過向隔離開關(guān)增大壓強,可以促進電弧能量耗散并控制電弧燃燒溫度,發(fā)揮更好的電力隔離效果。
在同等試驗環(huán)境下,環(huán)保氣體的燃弧時間,相比10%SF6、20%SF6、30%SF6混合氣體,增長了35%、27%與25%,表明環(huán)保氣體的開斷能力低于不同混合比的SF6氣體,與已知的研究結(jié)果相一致。
以干燥空氣為基礎(chǔ),建立的全封閉隔離開關(guān),其絕緣性能會隨著電壓的增長不斷提升,最高達到了0.5MPa,符合隔離開關(guān)設(shè)計的絕緣要求。并且,與其他氣體相比,具有更好的絕緣性能。
伴隨著環(huán)境溫度的減小,全封閉隔離開關(guān)的接觸壓力呈現(xiàn)出增加狀態(tài)。參考開關(guān)標準工作要求可知,隔離開關(guān)的最佳工作溫度范圍在-40~40℃,實際應(yīng)用時需要考慮這一條件。
為了實現(xiàn)良好的電力隔離,近年來涌現(xiàn)出多種全封閉隔離開關(guān),以環(huán)保氣體為核心的隔離開關(guān)逐漸投入應(yīng)用。文中為了了解全封閉隔離開關(guān)的實際應(yīng)用效果,特展開試驗研究。制作試驗樣機和試驗回路,搭建試驗研究環(huán)境,并從燃弧性能、開斷性能、絕緣性能和耐溫性能四個方面進行分析,全方位了解全封閉隔離開關(guān)的工作性能。在本次試驗研究過程中,也遇到了部分難以理解的問題,這些問題會對隔離開關(guān)的運行穩(wěn)定產(chǎn)生一定影響,未來需要對真空斷路器領(lǐng)域知識深入研究,開展進一步試驗。