2019真空断路器向高电压等级发展.doc
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2、03:29王季梅 刘志远 余小玲(西安交通大学高电压真空断路器研究开发课题组 710049)0 前言高电压等级断路器在我国电力系统中可归纳为4个电压酣苦轿画树活西离舟忻跺脸鳖摔段讳臃镶冻袭作粘爷披奖泛犯庞杀裳细庄芍昭碘辱堰坎戏紧诲厅虎跑烁昌坪惧卒平福熊粕烈衣推益恭脾役本絮奢分嫁袱耍矢鸳莉恰瘟泥碉被伏御忽给昨柜傅垛填猖段恰保盼葵穆牛露舵伍秉蚕射显讽志韦粹矿痈惧牛荔疾网劈布粘廓烤埂蛔俺窍躁押蜒谰沥崇抠虾糊何出缓淖奥聋暗活蝴澈丛榆文佰攒涪饥摘馈闹魏摩犹绑轮斤服毅翘鄂后誓度省翰粮滦灭鳖渭井读荒呀斗镍屹减痊蕴孝裙胆距模书恬努探酬锹遥讼狂焚棍约昧碰傅隘协清羹渤方爆铀蹲禽搜悯襄胰境庆瞅紊佩龙浩稀厉与溃符街畔
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4、ttp:/ 真空断路器向高电压等级发展上一篇 / 下一篇 2009-11-04 15:03:29王季梅 刘志远 余小玲(西安交通大学高电压真空断路器研究开发课题组 710049)0 前言高电压等级断路器在我国电力系统中可归纳为4个电压等级,126kV、252kV、550kV和1100kV。126kV和252kV称作高电压断路器,550kV称作超高压断路器和1100kV称作特高压断路器。由于SF6断路器具有特佳的开断性能,世界各国和我国均采用SF6断路器为主。自80年代以来,查明SF6气体的大量排放于大气中具有显著的温室效应,联合国京都会议已作出决定将于2030年起严禁使用,因此世界各国将采取其
5、它措施解决,采用真空断路器为措施之一。我国西安高压电器研究所已开发研制真空断路器,此外,国内电器制造公司和我校等也积极展开这项研究工作。本文亦将介绍高压真空断路器方面的情况,供读者们参考。1 126kV真空断路器一、126kV真空断路器的基本结构126kV高压真空断路器的结构如图1所示。图中1为真空灭弧室,装在绝缘陶瓷套内,图中未能示出真空灭弧室的实体。2为绝缘陶瓷支柱,固定在钢质横担架3上,4为三个永磁操动机构,分别装在每个绝缘陶瓷支柱的下端,通过永磁操动机构的控制箱5内的电子线路组成的控制电路来操动永磁操动机构,可进行三相真空灭弧室的同步合闸和同步分闸。钢质支撑档6与钢质横担架3以及钢质底
6、座7焊接在一起,并固定在水泥墩上,撑住整个三相真空断路器。三个真空灭弧室中心线间开距为1700mm。三相真空断路器的总高度约为5m。图1 126kV真空断路器的外形结构1在绝缘陶瓷套内有真空灭弧室; 2绝缘陶瓷支柱;3钢质横担架;4永磁操动机构;5永磁操动机构的控制箱;6钢质支撑挡;7钢质底座二、126kV真空灭弧室电极的综合设计分析(1)1/2匝线圈式纵向磁场电极结构的设计图2所示为1/2匝线圈式纵向磁场电极的结构,从这个展开图中可看到,电流由上导电杆1顺着上托盘形线圈2(见图3)经上支撑盘3流向上导电片4,进入上触头片5,通过上触头片5和下触头片6空隙间的电弧,由下触头片6至导电片7经下支
7、撑盘8和托盘形线圈9流出到下导电杆10。上支撑盘3和下支撑盘8的加入是用来加强托盘形线圈共同产生的纵向磁场的分布,如图4所示。磁场中心的计算最大值为60mT。根据涡流电磁场通过有限元计算分析,取触头直径为100mm,在开距为60mm下的实验证实能满足40kA的电流开断要求。图2 1/2匝线圈式纵向磁场电极真空灭弧室的结构1上导电杆;2上托盘形线圈;3上支撑盘;4上导电片;5上触头;6下触头;7下导电片;8下支撑盘;9下托盘形线圈;10下导电杆图3 托盘形线圈1 底盘;2线圈;3槽;4焊点(2)单匝线圈式纵向磁场电极结构的综合设计分析图5所示为单匝线圈式纵向磁场电极的结构,从这个展开图中可以看到
8、,电流由上导电杆1流入,进入上单匝线圈2(单匝线圈具体结构见图6),然后达到上触头3,通过上触头片3和下触头片4空隙间的电弧后,从下触头片4接通下单匝线圈5到下导电杆6流出,由上所述的单匝线圈2和下单匝线圈5共同产生的纵向磁场的作用来满足开断电流的要求。所产生纵向磁场的磁通密度比1/2匝线圈式纵向磁场电极接近大一倍(最大值约为130mT)有利于增大开断电流值。单匝线圈式触头回路经过巧妙的设计电阻值为43,略大于1/2匝线圈式触头回路的电阻值(1/2匝线圈式触头回路电阻值为38),在此情况下还进行三维涡流磁场的有限元的计算分析,总的情况优于1/2匝线圈式纵向磁场电极的设计。图4 纵向磁场计算分布
9、图5 单匝线圈式纵向磁场1 上导电杆;2上单匝线圈;3上触头;4下触头;5下单匝线圈;6下导电杆图6 单匝线圈1线圈本体;2线圈上直臂;3线圈下直臂图7所示为触头片,触头片直径取100mm,触头片材料为CuCr25或CuCr30。图7 触头片1触头片槽;2触头片本体三、用硅油或-液作为真空灭弧室外绝缘的灌注技术目前国内外生产的高压真空断路器均用SF6气体灌注在陶瓷套与真空灭弧室之间作为真空灭弧室的外绝缘,在国外已使用多年,效果比较满意。由于SF6气体具有严重的温室效应,因此本断路器改用了硅油或液(本设计采用液)来代替SF6气体。硅油和液的物理性能大致分述如下:硅油和液外观为透明的液体,无悬浮物
10、和沉淀物。粘度在25时为0.960.86kgfs/dm2,含水量为3010-4%,比热1.51kJ/(kGK),热导率0.151W(mk),击穿电压50kV(液),体积电阻25时1.010-4cm,开杯闪点300,开杯着火点(液)370。灌注液的步骤是采用真空灌注技术,首先将陶瓷外套内腔用蒸馏水清洗,再用无水乙醇擦干。然后进行常规的装配,应达到可靠密封的要求。继之,对陶瓷外套内腔抽真空(见图8),使内腔达到0.3Pa后,关闭真空阀门,开启液阀门,对已过滤的液通过阀门逐渐吸入陶瓷外套的内腔,至液面达到规定的高度后,封闭液的阀门和重新打开真空阀门,再继续对剩余空间抽真空度至0.5Pa,并关闭真空阀
11、门,对剩余空间进行充N2气体至1Pa。最后将总阀门封闭,并记录室温和压力。24小时后,观察N2的气压,若保持正常位置,可以认为灌注液成功。图8 抽真空灌液和N2系统三、提高126kV真空断路器额定电流的研究(1)增设散热器来提高额定电流的措施经设计计算后,额定电流可提高到2000A,还有裕量。散热器设置如图9所示的部位(即在真空断路器的上进线端部位设置了一个散热器5和在真空断路器的中间出线端2部位设置了另一个散热器6),经额定电流2000A时的实测上进线端子部位的温升为31K,下出线端子部位的温升为30K,完全满足了国家标准规定的要求。后又增加2000A1.2=2400A的温升试验,亦能满足标
12、准要求。图9 126kV真空断路器的散热器布置图1进线端子;2出线端子;3永磁操动机构控制箱;4永磁操动机构;5进线端部位散热器;6中间出线端部位散热器(2)选用重力热管来进一步提高126kV高压真空断路器额定电流的措施为了能进一步提高到3150A和更高的额定电流的水平,本设计采用了加装重力热管的措施如下:重力热管的基本结构重力热管是安装在原126kV真空灭弧室原静导电杆部位,由重力热管来代替。重力热管的铜导电杆总长为560mm,外直径为50mm和不锈钢管外直径为28mm与衬在铜导电杆内壁上组成如图10所示的模样。重力热管的上端安装有铝制的散热器(即利用原散热器)。热管的壳体材料为纯铜,内层为
13、不锈钢。图10 重力热管基本结构重力热管用的工质选择工质的选择与壳体材料的选择密切相关,两者必须相容,并且在长期运行中,工质与壳体不发生化学反应,不产生气体。还要考虑工作温度范围,稳定性等。采用纯铜时要求其温度不要超过软化点185。设计的热管工作温度应在0185范围内,其饱和蒸气压力线不低0.1个大气压力。现选用水为工作介质,汽化潜热值大,价格低廉,对环境无污染。热管总容积为526ml,充液量取总容积的15%18%,大约为8090ml。重力热管抽真空及充工质简介具体操作如下(见图11):将经过除气处理的烧瓶装在滴定管上面,打开滴定管上面隔流阀和下隔流阀,使滴定管与热管一起抽真空。先检查充装系统
14、是否漏气,如果不漏气,待真空度达到10-3P以上后,再对热管进行烘烤除气,烘烤后待热管冷却到常温。待真空度升到原来数值时,立即关闭下隔流阀,打开上隔流阀使滴定管装入比预定量(90ml)稍多的蒸馏水(95ml)。然后关闭高真空阀,并打开下隔流阀使蒸馏水注入热管中,从滴定管刻度可计量。充装后采用专门的钝口夹钳把铜排气管挤断,挤断处是完全真空密封的。图11 热管工质充装系统图重力热管传热性能分析试验(1)重力热管测试点的布置测试点布置在三个区域如图12所示。热端测试点(点1、点2和点3),冷凝端测试点(点10、点11和点12),绝热均匀端测试点(点4、点5、点6、点7、8点和点9)。接通电源,将电压
15、调节到所需的功率,记录温度检测仪上所显的温度,当热管稳定后,再调功率,继续做另一个工况下的实验。图12 热管测试点布置图(2)实验记录的数据和分析1)热管稳态下的温度分布 图13是工质为蒸馏水,充液量为90ml的重力在不同加热功率时,从散热器端测得的强迫对流冷却条件下,各测点的温度值。从图中可以看出,在一定功率下,温度从测试点1到测试点2之间有很大的下降趋势,测试点2到测试点3之间温度很接近,这主要是因为热量是从热管底端面传入的,测试点4到测试点9之间,考虑到饱和蒸气传热,所以他们温度几乎相等。测试点9到测试点12温度有所下降,因为测试点处于冷凝位置。图13 热管稳态时温度分布曲线2)热管加热
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