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真空斷路器在中國應用的經驗

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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。真空隔離器現已完成了產品設計，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，完全可勝任開斷發電機組出現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。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出不同的形態。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，通過數值分析的方法還找到了一些可繼續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密切相關，即操動機構兩并聯支路動作的時間差，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，當電流通過的某一瞬間，VD打開，這時電流發生轉移，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、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
　　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、計算和實際開發試制工作等。
　　據悉，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上投入運行。1980年美國通用電氣公司正式生產了雙斷口的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，按現有國內的制造技術來看，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。根據我們的理論分析和設計計算對于開發110kV和220kV的真空斷路器過程中的實踐經驗，認為只要合理地解決真空滅弧室的內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，實現高電壓等級的真空斷路器也是可能的。
　　根據我國國內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的布置情況。為了獲得較強和較均勻的縱向磁場，已將產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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