許猛 ，陳宇 ，高洋 ，沈豐慧

(1.遼寧高壓電器產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110025； 2.新東北電氣集團(tuán)高壓開關(guān)有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110025)

0 引言

我國(guó)能源分布的地域特點(diǎn)是西部多、東部少，而負(fù)荷分布是西部少、東部多，為解決這個(gè)不對(duì)等問(wèn)題，國(guó)家制定了西電東送的戰(zhàn)略方針，特高壓±800 kV和±1 100 kV直流輸電技術(shù)是解決能源與負(fù)荷逆向分布的關(guān)鍵途徑。800 kV交流SF6斷路器在換流站濾波器場(chǎng)中是最為關(guān)鍵的一環(huán)，運(yùn)行工況十分苛刻[1-3]。根據(jù)相關(guān)參數(shù)計(jì)算，整個(gè)斷路器承受的恢復(fù)電壓峰值達(dá)到2 200 kV，是交流輸電系統(tǒng)中的1.4倍。如此高的恢復(fù)電壓極易引起重燃弧，在輸電系統(tǒng)中會(huì)產(chǎn)生危險(xiǎn)的過(guò)電壓，嚴(yán)重危害其他電力設(shè)備，影響電網(wǎng)安全[4-10]。

目前，對(duì)斷路器開斷小容性電流的研究有很多，文獻(xiàn)[11-12]研究了220 kV斷路器開斷交流系統(tǒng)空載長(zhǎng)線小容性電流的能力；文獻(xiàn)[13]研究了800 kV斷路器在交流系統(tǒng)中開斷容性小電流的能力；文獻(xiàn)[14]對(duì)一起斷路器開斷小電流工況失敗的原因進(jìn)行分析。多數(shù)的研究是在交流輸電系統(tǒng)環(huán)境下的理論分析且電壓等級(jí)不是很高，對(duì)斷路器開斷特高壓直流輸電系統(tǒng)±800 kV和±1 100 kV濾波器組小容性電流的研究非常少。在具體的型式試驗(yàn)中，對(duì)于斷路器的設(shè)計(jì)或者改進(jìn)僅僅是定性分析，然后進(jìn)行型式試驗(yàn)，這種方式無(wú)法保證斷路器一次性通過(guò)型式試驗(yàn)的成功率，造成不必要的損失。

燃弧時(shí)間越短、動(dòng)靜弧觸頭之間的距離越小、恢復(fù)電壓作用的時(shí)間越早，滅弧室越容易發(fā)生重燃弧，所以對(duì)斷路器來(lái)說(shuō)最苛刻的工況是最短燃弧時(shí)間為0 ms。本文根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)及實(shí)驗(yàn)室條件，利用仿真分析軟件對(duì)800 kV交流SF6斷路器開斷特高壓直流輸電系統(tǒng)濾波器組小容性電流的能力進(jìn)行分析計(jì)算，主要包括以下五方面內(nèi)容：一是根據(jù)斷路器的開斷特點(diǎn)制定數(shù)值采集方案；二是對(duì)現(xiàn)有斷路器的單斷口進(jìn)行氣流場(chǎng)和電場(chǎng)的數(shù)值計(jì)算，并分析數(shù)據(jù)規(guī)律；三是對(duì)斷路器的開斷能力采用流注理論進(jìn)行分析判斷；四是根據(jù)理論分析和數(shù)值計(jì)算的結(jié)果，確定3種優(yōu)化設(shè)計(jì)方案并逐一計(jì)算；最后對(duì)比各個(gè)方案的計(jì)算結(jié)果，找到介質(zhì)強(qiáng)度最弱的點(diǎn)的位置及影響介質(zhì)強(qiáng)度的關(guān)鍵因素，并確定進(jìn)行型式試驗(yàn)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

1 數(shù)據(jù)采集方案設(shè)計(jì)

根據(jù)流注理論，斷路器在開斷小容性電流的過(guò)程中，整個(gè)弧隙區(qū)域介質(zhì)強(qiáng)度最弱區(qū)域決定電弧熄滅后斷口是否發(fā)生重?fù)舸?，而介質(zhì)強(qiáng)度取決于斷路器開斷過(guò)程中斷口間的每一點(diǎn)的氣體密度和電場(chǎng)強(qiáng)度。由于斷路器的開距和恢復(fù)電壓都隨時(shí)間變化，再加上氣吹的作用，滅弧室弧隙區(qū)域內(nèi)每一點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度和氣體密度都隨時(shí)間變化。為了準(zhǔn)確地計(jì)算出介質(zhì)強(qiáng)度的數(shù)值，計(jì)算量也不過(guò)于大，數(shù)據(jù)采集方式需要合適的時(shí)間間隔、取點(diǎn)位置及數(shù)量。

通過(guò)不同的取點(diǎn)方式進(jìn)行計(jì)算，發(fā)現(xiàn)如下的取點(diǎn)方式采集到的氣體密度值和電場(chǎng)強(qiáng)度值可以準(zhǔn)確地表征弧隙區(qū)域的信息。

1)時(shí)間間隔：從動(dòng)靜弧觸頭剛分時(shí)刻開始，每隔1 ms取一次電場(chǎng)強(qiáng)度值和氣體密度值。

2)取點(diǎn)位置及數(shù)量：如圖1所示，圖中X坐標(biāo)軸為負(fù)方向，Y坐標(biāo)軸是正方向，虛線范圍內(nèi)是取點(diǎn)區(qū)域。水平方向上每5 mm取一點(diǎn)，豎直方向上最上面2行每1.1 mm取一點(diǎn)(由于動(dòng)弧觸頭和噴口邊界幾何形狀比較復(fù)雜，所以最上面2行間距較小)外，其余每2 mm取一點(diǎn)，靜弧觸頭端部取點(diǎn)位置靠近金屬邊緣。

整個(gè)弧隙區(qū)域一共取325個(gè)點(diǎn)，為了方便分析說(shuō)明，將這些點(diǎn)進(jìn)行編號(hào)，點(diǎn)1位置為坐標(biāo)原點(diǎn)，點(diǎn)325坐標(biāo)為(-170，15.1)，點(diǎn)的序號(hào)是從右向左、從下向上依次增大，從1到325。

圖1 滅弧室內(nèi)取點(diǎn)圖

2 氣流場(chǎng)計(jì)算

2.1 計(jì)算模型及設(shè)置

800 kV交流SF6斷路器是雙斷口結(jié)構(gòu)，兩個(gè)滅弧室是相同的軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)。對(duì)單斷口進(jìn)行氣流場(chǎng)計(jì)算，采用二維軸對(duì)稱模型，如圖2所示。其中序號(hào)1、3、4、6為運(yùn)動(dòng)邊界，從右向左運(yùn)動(dòng)，其余邊界靜止。SF6密度由密度壓力求解軟件計(jì)算，比熱容為665.18 J/(kg·℃)，導(dǎo)熱系數(shù)為0.012 06 W/(m·℃)，黏度系數(shù)為1.42×10-5kg/(m·s)。

注：1-壓氣缸邊界；2-軸對(duì)稱中心線；3-動(dòng)弧觸頭邊界；4-輔助噴口邊界；5-靜弧觸頭邊界；6-主噴口邊界；7、8-出口邊界。

氣流場(chǎng)仿真計(jì)算關(guān)鍵的一步就是網(wǎng)格設(shè)置，不僅決定著計(jì)算的成敗，也影響著計(jì)算的精度。滅弧室的動(dòng)側(cè)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，如果網(wǎng)格劃分不合理，極易產(chǎn)生奇異點(diǎn)、負(fù)體積等畸形突變，使動(dòng)網(wǎng)格運(yùn)動(dòng)失敗[15-16]。

根據(jù)分閘過(guò)程中的速度變化，將形狀復(fù)雜的吹弧區(qū)域和需要數(shù)據(jù)采集的弧隙區(qū)域進(jìn)行1 mm的高密度劃分，其余部分采用4 mm的自由劃分，如圖3所示。在氣流場(chǎng)仿真計(jì)算時(shí)，采用用戶自定義功能(UDF)的方式，將斷路器的分閘過(guò)程離散成足夠小的區(qū)間運(yùn)動(dòng)。氣流場(chǎng)仿真計(jì)算的初始條件為：滅弧室出口邊界壓力為斷路器的充氣壓力，常溫，滅弧室內(nèi)氣體無(wú)運(yùn)動(dòng)，滅弧室動(dòng)側(cè)初始速度為0。

圖3 模型網(wǎng)格劃分

2.2 計(jì)算結(jié)果及分析

如圖4所示，先按現(xiàn)斷路器的行程曲線1和充氣壓力為0.6 MPa進(jìn)行計(jì)算，并根據(jù)數(shù)據(jù)采集方案進(jìn)行點(diǎn)的密度值采集。

圖4 行程曲線

動(dòng)靜弧觸頭剛分后第4 ms、6 ms、8 ms、10 ms滅弧室內(nèi)的密度如圖5所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，在動(dòng)靜弧觸頭剛分的初期0～5 ms，弧隙區(qū)域SF6的密度逐漸變大，隨著主噴口逐漸打開，弧隙區(qū)域氣體噴出位置有一個(gè)密度很高的球形區(qū)域，以該區(qū)域?yàn)橹行臍怏w密度逐漸向兩側(cè)遞減，然后上升到分閘開始時(shí)刻的密度。靜弧觸頭和主噴口形成了一個(gè)類似于拉法爾管形狀的環(huán)形區(qū)域，而且該環(huán)形區(qū)域兩側(cè)有一定的壓力差，使得主噴口直徑變大位置有一個(gè)氣體密度非常小的區(qū)域，一直持續(xù)約8 ms。在8 ms時(shí)刻，雖然類似于拉法爾管的環(huán)形區(qū)域仍然存在，但是由于兩側(cè)的壓力差非常小，環(huán)形區(qū)域截面變大，該環(huán)形區(qū)域無(wú)法形成高速的氣吹，從而氣體密度逐漸變大。

(a)剛分后4 ms(b)剛分后6 ms

(c)剛分后8 ms(d)剛分后10 ms

靜弧觸頭前端圓弧附近的氣體密度的變化規(guī)律是：由下到上，密度越來(lái)越小。整個(gè)開斷過(guò)程中，弧隙區(qū)域內(nèi)每一點(diǎn)的氣體密度均有一個(gè)先變大再變小，最后恢復(fù)到分閘之前的密度的過(guò)程，且軸線上的氣體密度變化范圍最大。

3 電場(chǎng)計(jì)算

3.1 計(jì)算模型和邊界條件

根據(jù)圖4中行程曲線1，計(jì)算不同開距下氣體的電場(chǎng)強(qiáng)度，并根據(jù)數(shù)據(jù)采集方案進(jìn)行電場(chǎng)強(qiáng)度值的采集。將斷路器簡(jiǎn)化成二維軸對(duì)稱模型，如圖6所示。 各個(gè)部分的相對(duì)介電常數(shù)如下：SF6氣體是1，序號(hào)6是2.2，序號(hào)3中的絕緣筒是5，其余零部件是1×1011[17-18]。

考慮到目前實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)條件，需要采用單相單斷口方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。根據(jù)斷路器分閘的機(jī)械特性，斷口間不均勻系數(shù)取1.05，所以單相單斷口實(shí)驗(yàn)電壓峰值為1 155 kV[19]，恢復(fù)電壓一個(gè)周期的波形如圖7所示。斷口右側(cè)的靜側(cè)屏蔽罩、靜側(cè)固定支撐和靜弧觸頭加載恢復(fù)電壓，其余零部件加載零電壓。斷口開距根據(jù)行程曲線1進(jìn)行變化，每隔1 ms計(jì)算一次，恢復(fù)電壓和斷口開距一一對(duì)應(yīng)。

圖7 恢復(fù)電壓波形

3.2 計(jì)算結(jié)果及分析

不同時(shí)刻電場(chǎng)強(qiáng)度如圖8所示，從圖中發(fā)現(xiàn)，電場(chǎng)強(qiáng)度的大小隨著恢復(fù)電壓的增加而增加，不同的點(diǎn)都在不同的時(shí)刻達(dá)到峰值，并且離靜弧觸頭越近，電場(chǎng)強(qiáng)度越高，達(dá)到峰值的時(shí)間越短，靜觸頭前端的氣體離軸線越近，電場(chǎng)強(qiáng)度越高。隨著時(shí)間的變化，從靜弧觸頭附近氣體的電場(chǎng)強(qiáng)度大于動(dòng)弧觸頭附近氣體的電場(chǎng)強(qiáng)度，到這二者大小關(guān)系相反。

(a)剛分后4 ms (b)剛分后6 ms

(c)剛分后8 ms (d)剛分后10 ms

4 介質(zhì)強(qiáng)度計(jì)算

4.1 氣體擊穿判據(jù)

根據(jù)流注理論，SF6氣體擊穿判據(jù)[20]是：

E/N>3.56×10-15V/cm

(1)

式中：E為電場(chǎng)強(qiáng)度，V/cm；N為SF6氣體每立方厘米氣體粒子的數(shù)量。

為了方便對(duì)比，將SF6氣體擊穿判據(jù)做轉(zhuǎn)換如下：

(2)

式中：K為計(jì)算的電場(chǎng)強(qiáng)度E*和SF6粒子密度N*的商與SF6氣體擊穿判據(jù)之間的比值，K如果大于或等于1，則SF6氣體被擊穿。

4.2 K值的計(jì)算

根據(jù)電場(chǎng)計(jì)算和氣流場(chǎng)計(jì)算采集的數(shù)據(jù)，計(jì)算每一點(diǎn)的K值，提取每一時(shí)刻所有點(diǎn)的最大值，結(jié)果見表1，表中TRV(transient recovery voltage)為瞬態(tài)恢復(fù)電壓。K值、恢復(fù)電壓、開距與時(shí)間的變化曲線如圖9所示。

表1 K值的計(jì)算結(jié)果

圖9 不同時(shí)刻K值的變化曲線

從圖9中發(fā)現(xiàn)，K值的整體變化趨勢(shì)同恢復(fù)電壓的變化一致，但是出現(xiàn)峰值的時(shí)間不同。從表1中可以發(fā)現(xiàn)，雖然每一時(shí)刻K值的最大值位置隨著時(shí)間的變化而變化，但是大部分出現(xiàn)在電場(chǎng)強(qiáng)度較高的靜弧觸頭附近。K值的最大值是0.86，出現(xiàn)在7 ms時(shí)刻，位于點(diǎn)248，如圖9所示。從圖5和圖8中發(fā)現(xiàn)，該位置和該時(shí)刻并不是動(dòng)、靜弧觸頭之間的電場(chǎng)強(qiáng)度最大值點(diǎn)和氣體密度最小值點(diǎn)。

現(xiàn)斷路器K值的最大值為0.86，小于SF6氣體被擊穿的判據(jù)1，安全系數(shù)為1.16。該安全系數(shù)有以下幾點(diǎn)不滿足斷路器長(zhǎng)期安全運(yùn)行的要求：1)零部件的批量生產(chǎn)及裝配的離散性會(huì)降低斷路器的性能；2)斷路器頻繁地開斷操作會(huì)造成觸頭燒損等問(wèn)題，從而降低斷路器的性能；3)可能因型式試驗(yàn)過(guò)程中容性恢復(fù)電壓的調(diào)節(jié)精度等問(wèn)題，對(duì)斷路器的開斷性能考核加嚴(yán)；4)有限元計(jì)算普遍存在一定的誤差。

因此須提高安全系數(shù)，根據(jù)大量型式試驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)和眾多在運(yùn)產(chǎn)品的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，該安全系數(shù)應(yīng)為1.5左右，所以現(xiàn)斷路器不滿足要求，需要進(jìn)行改進(jìn)。

5 優(yōu)化設(shè)計(jì)分析

根據(jù)前面的計(jì)算結(jié)果得到點(diǎn)248不同時(shí)刻的電場(chǎng)強(qiáng)度變化和密度變化曲線如圖10和圖11所示。7 ms是該點(diǎn)氣體密度最小和電場(chǎng)強(qiáng)度最大時(shí)刻。提高斷路器的分閘速度，可以使得該點(diǎn)的密度最小值提前1 ms出現(xiàn)，這樣在之后的4 ms左右的時(shí)間內(nèi)該位置都有一個(gè)很高的密度值。而且根據(jù)拉普拉斯方程，在同一開距下，由于恢復(fù)電壓值低于7 ms時(shí)刻的電壓值，所以分閘速度的提高也使得該點(diǎn)同一時(shí)刻的電場(chǎng)強(qiáng)度降低。

此外根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程，可以提高充氣壓力來(lái)提高氣體密度。因此想要降低K值的大小可以從提高分閘速度和充氣壓力兩個(gè)方面考慮。

圖10 點(diǎn)248密度變化

圖11 點(diǎn)248電場(chǎng)強(qiáng)度變化

5.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

根據(jù)前面的分析，提高分閘速度后的行程曲線(圖4行程曲線2)平均分閘速度提高了5.7%，該曲線滿足剛分后7 ms的開距等于行程曲線1剛分后8 ms的開距。考慮到現(xiàn)有罐體機(jī)械強(qiáng)度的安全裕度，斷路器的充氣壓力可提高至0.7 MPa。

綜上，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案共有以下3種：方案1，分閘速度按行程曲線2，充氣壓力為0.6 MPa；方案2，分閘速度按行程曲線1，充氣壓力為0.7 MPa；方案3，分閘速度按行程曲線2，充氣壓力為0.7 MPa。

將這3種方案的計(jì)算結(jié)果與前面的計(jì)算結(jié)果對(duì)比，就可以分析出不同的充氣壓力和不同的分閘速度對(duì)K值的影響，從而確定試驗(yàn)斷路器的充氣壓力和行程曲線。

5.2 計(jì)算結(jié)果與分析

不同方案下的計(jì)算結(jié)果見表2。表2中K1位置、K2位置和K3位置代表不同時(shí)刻K值最大值的點(diǎn)號(hào)，根據(jù)表2繪制的不同方案下K值的變化曲線如圖12所示。

表2 三種方案的計(jì)算結(jié)果

圖12 不同方案下K值的計(jì)算結(jié)果

通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，同一壓力下速度越大K值越小，提高速度后K值不僅變小，而且曲線變化率變小，曲線更加光滑，K值的峰值到達(dá)時(shí)間也提前1 ms。同一速度不同壓力下，K值的變化趨勢(shì)相同，峰值大小不同。從表1和表2發(fā)現(xiàn)，各個(gè)方案中K值的最大值位置都是點(diǎn)248，速度和壓力的變化都不能影響K值最大值的位置。

點(diǎn)248在靜弧觸頭邊緣，相鄰的點(diǎn)有5個(gè)，如圖13所示，這5個(gè)點(diǎn)在不同方案下的K值達(dá)到最大值見表3。從表3中可以看出，從左下到右上，K值先增大后減小。采用點(diǎn)212、點(diǎn)248和點(diǎn)282的K值及相互之間的弧線長(zhǎng)度用多項(xiàng)式做極值圖，如圖14所示，從圖中發(fā)現(xiàn)點(diǎn)248的K值與該區(qū)域的極值相差無(wú)幾，可以認(rèn)為點(diǎn)248的介質(zhì)強(qiáng)度是所在區(qū)域的最大值。

表3 點(diǎn)248的相鄰點(diǎn)在不同方案下的K值

圖14 不同方案下K值的極值圖

不同方案下K值最大值對(duì)比見表4。充氣壓力提高16.7%，K值最大值降低了14%；平均分閘速度提高5.7%，K值最大值降低了26.7%。很明顯充氣壓力對(duì)K值的影響低于分閘速度對(duì)K值的影響，進(jìn)而得到電場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)K值的影響大于密度對(duì)K值的影響。

表4 不同方案下K值最大值對(duì)比表

方案2雖然降低了K值的最大值，但是安全系數(shù)只有1.35；方案1和方案3明顯減小了K值，方案1的安全系數(shù)已經(jīng)達(dá)到1.59，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)該方案可以進(jìn)行濾波器組容性電流的開斷試驗(yàn)，無(wú)須再進(jìn)行其他方式的優(yōu)化分析設(shè)計(jì)。

6 試驗(yàn)結(jié)果

在某檢測(cè)中心，采用方案1的條件進(jìn)行800 kV SF6斷路器開斷濾波器組小容性電流的試驗(yàn)，開斷試驗(yàn)過(guò)程中的最高恢復(fù)電壓峰值達(dá)到1 200 kV，開斷電流為400 A，最短燃弧時(shí)間為0.5 ms，試驗(yàn)過(guò)程中未發(fā)生一次重燃弧，該試驗(yàn)順利通過(guò)。

7 結(jié)論

本文對(duì)800 kV SF6斷路器開斷濾波器組容性電流的能力進(jìn)行氣流場(chǎng)和電場(chǎng)的仿真計(jì)算，通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比和理論分析得到如下結(jié)論：

1)現(xiàn)有的800 kV SF6斷路器的介質(zhì)強(qiáng)度的安全裕度無(wú)法滿足恢復(fù)電壓峰值1 155 kV的小容性電流開斷的要求，將平均分閘速度提高5.7%進(jìn)行型式試驗(yàn)，該試驗(yàn)順利通過(guò)，說(shuō)明本文采用的分析方法對(duì)定量分析斷路器開斷小容性電流的能力有實(shí)際的指導(dǎo)意義。

2)對(duì)于本文中這種常用的自能式滅弧室，在分閘過(guò)程中，介質(zhì)強(qiáng)度最弱的點(diǎn)的位置不受分閘速度和充氣壓力的影響，且是固定不變的，位于高壓側(cè)靜弧觸頭端部斜上方位置。受限于零部件機(jī)械強(qiáng)度的影響，分閘速度和充氣壓力的提高都有固定的范圍，當(dāng)達(dá)到極限仍然不滿足需要時(shí)，可以對(duì)靜弧觸頭端部的幾何形狀進(jìn)行優(yōu)化，改變電場(chǎng)強(qiáng)度的分布規(guī)律來(lái)提高介質(zhì)強(qiáng)度最小值。

改進(jìn)后的800 kV SF6斷路器順利通過(guò)了型式試驗(yàn)，為特高壓直流輸電±800 kV 和±1 100 kV系統(tǒng)可靠運(yùn)行提供了必要的技術(shù)保障，為用于更高電壓等級(jí)直流輸電系統(tǒng)的斷路器研發(fā)提供理論參考。