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1、 第 30 卷 第 7 期 中 国 电 机 工 程 学 报 Vol.30 No.7 Mar.5, 2010 2010 年 3 月 5 日 Proceedings of the CSEE 2010 Chin.Soc.for Elec.Eng. 131 文章编号:0258-8013 (2010) 07-0131-06 中图分类号:TM 56 文献标志码:A 学科分类号:47040 SF6断路器强电流开断喷管内压力测量 刘卫东 1,吴俊勇2,黄瑜珑1,吴军辉2,关永刚1,张华2,田刚领2 (1电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室(清华大学电机系),北京市 海淀区 100084; 2河南平高电气
2、股份有限公司,河南省 平顶山市 467001) Pressure Measurement in SF6 Circuit Breakers Nozzle in Heavy Current Interruption LIU Wei-dong1, WU Jun-yong2, HUANG Yu-long1, WU Jun-hui2, GUAN Yong-gang1, ZHANG Hua2, TIAN Gang-ling2 (1. State Key Lab of Control and Simulation of Power Systems and Generation Equipments (Dep
3、t. of Electrical Engineering, Tsinghua University), Haidian District, Beijing 100084, China; 2. Henan Pinggao Electric Co., Ltd., Pingdingshan 467001, Henan Province, China) ABSTRACT: Investigation was performed on the method of transient pressure measurement in SF6 circuit breakers nozzle in heavy
4、current interruptions. Tests were conducted with a 252 kV SF6 circuit breaker; the measurement was implemented by means of piezoresistive pressure transducers and Pitot tubes; and the sites of pressure measurement include the piston chamber, the upstream, throat and downstream of the nozzle. The Pit
5、ot tubes provided protection for the pressure transducers against the high temperature and high voltage in the nozzle. Wave reflections inside Pitot tubes made interference on the measurement. The interference can be suppressed by filling in the Pitot tubes with particles to damp the wave. The press
6、ure measurement method established is effective for measuring the pressure variation in the piston chamber and the upstream of nozzle in all operating process, and measuring the pressure variation in the throat of nozzle in blasting process. KEY WORDS: SF6 circuit breaker; nozzle; pressure measureme
7、nt 摘要: 研究了 SF6断路器强电流开断时喷管内暂态压力测量 的方法。对一台 252 kV SF6断路器进行了强电流开断试验, 采用压阻式压力传感器和毕托管, 测量了压气缸、 喷管上游、 喷管喉部和喷管下游的暂态压力。毕托管有效地保护传感 器, 免受喷管中高温和高电压的影响。 毕托管内压力波的来 回反射对压力测量产生干扰, 在毕托管内放置颗粒可阻尼压 力波, 抑制干扰。 文中所建立的压力测量方法能够有效测量 断路器开断全过程中压气缸和喷管上游的压力变化; 有效测 量断路器吹弧过程中喷管喉部的压力变化。 关键词:SF6断路器;喷管;压力测量 0 引言 决定 SF6断路器开断性能的重要因素之一
8、是灭 弧室结构设计。 围绕 SF6断路器的电弧现象和机制, 已有大量的理论和试验研究,但研究结果还不能充 分满足断路器设计的需要。 在理论和仿真研究方面,人们从电弧等离子体 和流体力学的角度,研究了灭弧室中电弧发展过程 的数学模型和仿真方法,由此分析影响电弧过程的 各种因素,预测断路器开断性能1-6。然而,由于 SF6断路器中电弧现象的复杂性,以及一些物理参 数的缺乏,数学仿真还是建立在大量假设的基础 上,存在较大的近似性。要进一步完善仿真分析方 法,还有待于深入的试验研究。 在 SF6断路器电弧现象的试验研究方面,已经 开展的工作主要包括:断路器开断过程中电弧电压、 电弧电流和电弧电阻的测量
9、7-8;电弧辐射和粒子浓 度测量9-10;灭弧室内不同位置暂态压力测量11-15。 测量 SF6断路器开断过程中灭弧室内不同位置 处的暂态压力,可以帮助分析灭弧室内的气流场分 布,分析灭弧性能,并校核仿真分析方法。1991 年 英国利物浦大学使用压电式传感器和毕托管测量 了 SF6断路器强电流开断时的喷管内暂态压力12; 1999 年他们采用光纤压力传感器测量强电流开断 时的压气缸内暂态压力13。 2008 年沈阳工业大学和 河南平高电气股份有限公司测量了 SF6断路器空载 开断时的压气缸和喷管内的暂态压力14-15。目前, SF6断路器空载开断情况下的灭弧室暂态压力测量 已达到良好的准确性,
10、但在强电流开断条件下,由 于灭弧室内的高温和高电压,暂态压力测量十分困 难,测量的准确性受到影响。 132 中 国 电 机 工 程 学 报 第 30 卷 针对 SF6断路器强电流开断时灭弧室暂态压力 测量面临的问题,本文进行了试验研究。以一台 220 kV SF6断路器为对象,采用压阻式压力传感器 和毕托管,对强电流开断时的压气缸、喷管上游、 喷管喉部和喷管下游的暂态压力进行了测量。通过 增加毕托管中压力传播的阻尼,消除了压力波在毕 托管中振荡产生的干扰,获得了良好的测量结果。 1 试验和测量 1.1 压力传感器和安装 SF6断路器强电流开断时的灭弧室暂态压力测 量,对传感器和测量系统的基本技
11、术要求如下: 1)压力量程。断路器内基础压力(充气压力) 通常为 0.7 MPa(绝对压力), 考虑强电流开断时灭弧 室内最大压力上升为基础压力的 5 倍,则压力传感 器的压力量程应达到 3.5 MPa。 2)频率响应特性。灭弧室暂态压力上升时间 在 ms 量级,要求传感器频率范围高于 1 kHz。 3)抗机械冲击。压力传感器安装在喷管和压 气缸上,需要承受它们运动产生的机械冲击,不被 损坏,也不产生测量干扰。根据 SF6断路器的行程 特性,动触头运动的最大加速度约为 2 000 m/s2。 4)高温隔离。在强电流开断时,喷管内燃弧 和高温,目前未能找到能够直接耐受电弧温度的压 力传感器,需要
12、采取高温隔离措施。 5)高电压隔离。强电流开断时,断路器触头 断口出现高电压,需要采取高电压隔离措施,使压 力传感器不影响触头断口间的电场分布,也不被高 电压所损坏。 6)抗电磁干扰。有效克服高电压、强电流和 燃弧等产生的电磁干扰,保证测量准确性。 综合性能和价格因素,选择了 Endevco 公司 8530B500 型压阻式压力传感器, 主要性能参数为: 1)压力量程,3.45 MPa(绝对压力);2)灵敏度, (1005) mV/MPa;3)频率响应,750 kHz;4)抗 冲击极限,20 kg;5)温度范围,54+121 。 测量了空载开断和强电流开断 2 种情况下的压 力。空载开断时不存
13、在高温和高电压,压力传感器 直接安装在灭弧室的各个测点;强电流开断时,采 用聚四氟材料的毕托管隔离高温和高电压,图 1 为 毕托管和传感器安装示意图。毕托管内直径 4 mm; 喷管上游测点的毕托管长度为 40 mm;喉部测点为 70 mm;下游测点为 130 mm。毕托管传递压力时, 管内存留的常温气体阻挡高温气体到达传感器,起 喷管 下游测点 喉部测点 上游测点 传感器 电缆 动弧触头 动主触头 压气缸测点 毕托管 传感器 绝缘过渡 静弧触头 图 1 压力传感器和毕托管安装 Fig. 1 Installation of pressure sensors and Pitot tubes 高温隔
14、离作用。采用毕托管后,传感器的安装位置 离开了触头断口,不再影响触头断口间的电场分 布,也不再受此电场的影响。 1.2 试验电路和测量系统 图2是试验电路。采用LC振动电路产生强电 流, 当电容器组充电电压为5 kV时, 产生的工频振 荡电流的峰值为113 kA, 改变电容器组的充电电压 可改变电流幅值。该试验电路无电压回路,无法试 验续弧和长燃弧开断的情况。 试验断路器为252 kV SF6断路器,额定短路开断电流50 kA,动弧触头行 程220 mm。 压力 行程 电弧电压 电流 充电开关 电容 C 合闸开关 试验断路器 电流互感器 电感 L 充 电 电 路 图 2 试验电路 Fig. 2
15、 Experimental circuit 试验控制步骤为: 1)关合试验断路器,分断合闸开关,关合充 电开关,给电容器组 C 充电。 2)完成充电后,分断充电开关。 3)联动控制合闸开关和试验断路器,关合合 闸开关产生工频强电流,试验断路器延时分断,开 断工频强电流,在此过程中进行灭弧室压力测量。 调整试验断路器和合闸开关之间的动作时延,可控 制试验断路器动作的电流相位,控制燃弧时间。 第 7 期 刘卫东等:SF6断路器强电流开断喷管内压力测量 133 试验测量内容包括: 断路器触头行程、 回路电 流、电弧电压和灭弧室内不同测点的暂态压力。 压力测点有:喷管上游、喷管喉部、喷管下游和 压气缸
16、。 抗电磁干扰措施有:断路器动触头为试验电路 的接地点,传感器安装位置尽量靠近地电位;通过 毕托管和压气缸上的绝缘过渡,使压力传感器及其 测量电路与强电流电路之间电气绝缘;对压力传感 器、信号电缆和测量仪器进行屏蔽。 2 试验结果和分析 2.1 压缩氮气和空载开断的压力测量 首先测量了断路器充氮气和空载开断下的压 力 P,基础压力为0.7 MPa(绝对压力),压力传感器 直接安装在各个测点。图3为试验波形。 1 2 3 5 4 t1 t2 t3 t4 t(10 ms/格) Sd(92 mm/格),P(0.5 MPa/格) 1压气缸压力;2喷管上游压力;3喷管喉部压力; 4动触头行程 Sd;5触
17、头断口信号。 图 3 0.7 MPa 氮气和空载开断的压力试验波形 Fig. 3 Waveforms in condition of 0.7 MPa N2 and no current interrupted 压力变化过程分析如下: 1)t1t2时间,动触头和压气缸运动,产生压 气作用;喷管的喉部被静弧触头堵塞,没有气体吹 出;压气缸内气体被压缩,压气缸测点和喷管上游 测点的压力不断增大,但喷管喉部测点被静弧触头 遮挡,压力没有变化。 2) t2时刻, 喷管喉部测点离开静弧触头的遮挡, 喉部测点压力快速上升,达到喷管上游的压力值。 3) t3时刻, 喷管喉部离开静弧触头, 喷口打开, 灭弧室内
18、气体开始吹出。t3时刻以后,喷管喉部出 现高速气流,压力快速减小,出现相对于基础压力 的负压。t2和 t3的时间差很小,导致喉部测点的压 力出现一个窄脉冲。 4)t3时刻以后,压气活塞压气和喷口吹气同时 存在,压气缸和喷管上游的压力变化取决于两者的 共同作用。压力测量波形显示,从 t3时刻起,压气 缸和喷管上游的压力开始减小,压气缸的压力减小 略微延后于喷管上游,这是由于压气缸离开喷口稍 远一些。 5)t4时刻,动触头接近行程终点,压气作用终 止,压气缸和喷管上游的压力以更快速度下降,回 到背景压力。 试验结果表明:在压缩氮气情况下,喷口一旦 打开,吹气作用即大于压气作用,灭弧室压力开始 下降
19、;压力峰值出现在喷口打开时刻,高出基础压 力约0.5 MPa;从灭弧室压力上升到压力消失,持 续时间约30 ms。 2.2 SF6气体和空载开断的压力测量 将断路器充0.7 MPa(绝对压力)SF6气体, 在空 载开断下进行压力 P 测量,喷管上游和喷管喉部 同时采用了直接测量和经过毕托管测量,图4为 试验波形。 1 2 3 4 5 t1t2t3 t(10 ms/格) Sd(92 mm/格),P(0.5 MPa/格) 4 6 7 1压气缸压力;2直接测量的喷管上游压力;3毕托管测量的 喷管上游压力;4直接测量的喷管喉部压力;5毕托管测量的 喷管喉部压力;6动触头行程 Sd;7触头断口信号。 图
20、 4 0.7 MPa SF6气体和空载开断的压力试验波形 Fig. 4 Waveforms in condition of 0.7 MPa SF6 and no current interrupted 试验结果分析如下: 在 t3时刻,喷管喷口开始吹气,但灭弧室内的 压力仍继续升高,至动触头行程终点,压气缸和喷 管上游的压力达到最大值,高出基础压力约 1.1 MPa。SF6气体和压缩氮气2种情况下的试验结 果存在显著差别,其原因分析为,SF6气体的密度 远高于氮气,吹气过程中气体流失相对缓慢,使压 气作用大于吹气作用,灭弧室的压力上升持续到压 气过程结束。 在SF6气体情况下,直接测量的喷管上
21、游压力 波形和压气缸压力波形很接近,说明喷管上游的压 134 中 国 电 机 工 程 学 报 第 30 卷 力变化和压气缸的压力变化是基本一致的。 比较喷管上游直接测量和经过毕托管测量的 压力波形,毕托管测量的压力波形包含有小的高频 振荡,且略高于直接测量的压力。压力波在毕托管 内的来回反射,是产生高频振荡的原因。在空载开 断时,灭弧室内的压力变化平缓,毕托管中的压力 波振荡幅值较小,对压力测量没有显著影响。 再比较喷管喉部直接测量和经过毕托管测量 的压力波形,两者的差别出现在由于静弧触头遮挡 喉部测点所产生的压力脉冲上,毕托管测量的压力 脉冲幅值高于直接测量。此压力脉冲的幅值应该等 于对应时
22、刻喷管上游的压力,直接测量的结果是准 确的,毕托管测量的结果偏大,误差的原因依然是 压力波在毕托管内反射。 此试验结果显示: 1)SF6气体和氮气的压气特性具有显著差别, 采用SF6气体时的压力峰值靠近动触头行程的终 点,高出基础压力约1.1 MPa,从压力上升到压力 消失,持续时间约50 ms。 2)喷管上游和压气缸的压力变化基本一致。 3)毕托管内的压力波振荡产生压力测量误差; 对于变化平缓的压力过程,如喷管上游的压力和喷 管喉部吹气过程的压力,毕托管测量的误差不显 著;但对于陡变的压力过程,如喷管喉部的压力脉 冲,毕托管测量产生显著的误差。 2.3 SF6气体和强电流开断的压力测量 测量
23、强电流开断情况下的压力,断路器充 0.7 MPa(绝对压力)SF6气体,喷管上游、喉部和下 游的压力测量采用毕托管。 图5为采用毕托管测得的强电流开断时的压力 波形,开断电流第1峰值为66 kA、燃弧时间约为 20 ms(由于合闸开关和试验断路器动作的分散性, 燃弧时间的控制也呈分散性)。 此波形显示, 喷管上 游、喉部和下游的压力波形上均叠加了严重的高频 振荡。对此振荡的分析解释为:在强电流开断时, 电弧过程不平稳,在灭弧室内产生陡的压力脉动, 在毕托管内激励出高频振荡。压力波形上的高频振 荡不是灭弧室内的实际压力,属于干扰信号。 2.4 强电流开断和毕托管加阻尼的压力测量 为消除毕托管内压
24、力波振荡对压力测量的干 扰,采取了毕托管加阻尼的措施,在毕托管内放置 无规则形状的聚四氟颗粒,尺寸为12 mm左右。 为确定毕托管加阻尼的作用,采用普通毕托管和加 阻尼毕托管同时进行测量。图6为试验测量波形, 1 2 3 t(10 ms/格) I(32 kA/格),Sd(92 mm/格),P(0.5 MPa/格) 5 4 1毕托管测量的喷管上游压力;2毕托管测量的喷管喉部压力; 3毕托管测量的喷管下游压力;4动触头行程 Sd;5电流 I。 图 5 0.7 MPa SF6气体、开断 66 kA 峰值电流和 燃弧时间 20 ms 的试验波形 Fig. 5 Waveforms in conditio
25、n of 0.7 MPa SF6, 66 kA peak current interrupted and 20 ms arcing time t(10 ms/格) U(1 kV/格),I(32 kA/格),Sd(92 mm/格),P(0.5 MPa/格) 1 2 3 5 8 4 6 9 7 1普通毕托管测量的喷管上游压力; 2普通毕托管测量的喷管喉部压 力;3普通毕托管测量的喷管下游压力;4直接测量的压气缸压力; 5加阻尼毕托管测量的喷管上游压力; 6加阻尼毕托管测量的喷管喉 部压力;7动触头行程 Sd;8电流 I;9电弧电压 U。 图 6 0.7 MPa SF6气体、开断 66 kA 峰值电
26、流、 燃弧时间 12 ms 和 2 种毕托管测量的试验波形 Fig. 6 Waveforms in condition of 0.7 MPa SF6, 66 kA peak current interrupted, 12 ms arcing time and using Pitot tubes with and without damping 第 7 期 刘卫东等:SF6断路器强电流开断喷管内压力测量 135 开断电流第1峰值为66 kA、 燃弧时间约为12 ms(由 于合闸开关和试验断路器动作的分散性,燃弧时间 不同于前次试验)。测量结果分析如下。 1)压气缸压力为直接测量的结果,没有毕托
27、管的影响,测得的压力波形上没有严重的高频振 荡。此结果表明,在强电流开断时,灭弧室内的实 际压力变化是基本平稳的,前次试验测得的压力波 形上的高频振荡属于干扰。 2)比较喷管上游普通毕托管和加阻尼毕托管 测量的压力波形,普通毕托管的测量波形依然有 高频振荡,但加阻尼毕托管的测量波形消除了此 振荡。由此可见,毕托管加阻尼可有效抑制高频 振荡。 3)再比较喷管上游加阻尼毕托管测得的压力 波形和压气缸的压力波形,两者基本吻合。根据前 面已经得到的结果(喷管上游和压气缸的压力变化 基本一致), 可以得出结论: 加阻尼毕托管测得的喷 管上游压力波形是准确的。此结果还进一步表明: 对于喷管上游的变化相对平
28、缓的压力过程,采用加 阻尼毕托管进行测量是可行的,测量准确性满足工 程分析的需要。 4)比较喷管喉部采用普通毕托管和采用加阻 尼毕托管测量的压力波形,加阻尼毕托管有效抑制 了高频振荡。 5)喷管喉部压力变化可分为喷管喷口打开以 前和以后2个阶段。在喷管喷口打开以前,静弧 触头先是遮挡喉部压力测点,然后离开,造成压 力波形上的窄脉冲。对此窄脉冲的测量,普通毕 托管和加阻尼毕托管都不能保证准确性。不过, 此脉冲压力对于分析喷管的吹弧过程并不重要。 再看喷管喷口打开以后的吹弧过程,该过程中喷 管喉部的压力变化也是比较平缓的。根据前面已 有的经验可以确定:对于喷管喉部吹弧过程的压 力变化,采用加阻尼毕
29、托管进行测量也是可行的。 喷管喉部吹弧过程的压力变化是工程分析中十分 关注的物理量。 受传感器个数限制,喷管下游的压力测量只采 用了普通毕托管,测量波形上存在高频振荡,这是 这次测量中的不足。 3 结论 采用压阻式压力传感器和加阻尼的毕托管,实 现了SF6断路器强电流开断时的灭弧室暂态压力测 量,测点包括压气缸、喷管上游、喷管喉部和喷管 下游,研究结果总结如下: 1)SF6气体和氮气的压气特性具有显著差别。 2) 在SF6断路器强电流开断的灭弧室压力测量 中,毕托管可有效保护压力传感器,免受灭弧室中 高温和高电压的危害。 3)普通毕托管中的压力波振荡对强电流开断 时的灭弧室压力测量产生干扰,加
30、阻尼的毕托管可 抑制该高频振荡干扰。 4) 本文所建立的SF6断路器强电流开断时灭弧 室压力测量方法,能够有效测量断路器开断全过程 中的压气缸和喷管上游的压力变化;测量断路器吹 弧过程中的喷管喉部的压力变化,测量准确性满足 工程分析需要。 参考文献 1 Bizjak G,Zunko P,Povh DCombined model of SF6 circuit breaker for use in digital simulation programsJIEEE Trans. on Power Delivery,2004,16(1):174-180 2 魏俊梅,林莘SF6高压断路器压力特性与机械特
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