基于SF替代气体的高压混合断路器开断特性

Interruption Characteristics of High-voltage Hybrid Circuit Breaker Based on the Alternative of SF Gas

程显1, 陈占清1, 葛国伟1, 焦连曜1, 廖敏夫2

1. 郑州大学电气工程学院,郑州450001

2. 大连理工大学电气工程学院,大连116024

CHENG Xian1, CHEN Zhanqing1, GE Guowei1, JIAO Lianyao1, LIAO Minfu2

1. School of Electrical Engineering, Zhengzhou University, Zhengzhou 450001, China
2. School of Electrical Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China

  • 程 显 1982—,男,博士,副教授,硕导 主要从事高压电器及高电压新技术的研究,着重研究混合断路器技术、多断口真空开关技术 E-mail: chengxian@zzu.edu.cn

  • 葛国伟(通信作者) 1987—,男,博士,讲师 现主要从事智能化高压电器及高电压新技术研究。着重研究多断口真空开关技术、真空电弧动态恢复特性 E-mail: ggw@zzu.edu.cn

基金项目: 国家自然科学基金(51407163; 51477024); 中国博士后科学基金(2014M552012; 2015T80778); 河南省国际科技合作计划项目(152102410019); Project supported by National Natural Science Foundation of China (51407163, 51477024), China Postdoctoral Science Foundation (2014M552012, 2015T80778), International Science & Technology Cooperation Project of Henan Province of China (152102410019);

摘要

为研究基于SF6替代气体的高压混合断路器的开断特性,搭建了气体间隙与真空间隙串联的混合断路器实验样机,向气体间隙分别充入SF6气体与CO2气体。基于合成回路,实验对比两种混合断路器的开断性能差异,分析气体灭弧介质对混合断路器开断性能的影响,讨论影响CO2气体间隙开断能力的主要因素。实验结果表明:合理的开断控制策略下,真空间隙可为气体间隙提供约100 μs的介质强度恢复时间,但受限于旋弧灭弧室中CO2气体较慢的介质强度恢复速度,相较于SF6气体间隙,CO2气体间隙难以配合真空间隙获得理想的开断效果;CO2气体间隙充气压力自0.6 MPa增大至0.8 MPa对其开断能力提升有限;电流过零后500 μs,0.8 MPa的CO2气体间隙耐压水平仅为8 kV。建议结合CO2气体自身特性优化气体灭弧室结构,提升其开断能力,为发展基于CO2气体的大容量混合断路器奠定基础。

关键词 : SF6气体间隙; CO2气体间隙; 真空间隙; 介质强度恢复速度; 开断性能;

DOI:10.13336/j.1003-6520.hve.20171127006

ABSTRACT

To investigate the interruption characteristics of a high-voltage hybrid circuit breaker based on the substitute for SF6 gas, we prepared a test prototype of the hybrid circuit breaker composed of gas gap and vacuum gap, while the gas gap was filled with SF6 gas and CO2 gas, respectively. Based on the synthetic test circuit, the interruption performances of two types of hybrid circuit breakers were tested and compared. Moreover, the influences of different gas interruption dielectrics on the interruption performance of hybrid circuit breaker were analyzed. The influential factors on the interruption capacity of CO2 gas gap were discussed. As the test results convey, under favorable operating strategies, vacuum gap can provide about 100 μs for the dielectric strength recovery in gas gap. But limited by the slow dielectric strength recovery speed of CO2 gas in rotating arc gas interrupter, CO2 gas gap cannot cooperate with vacuum gap to achieve satisfied interruption performances compared to SF6 gas gap. The improvements in the interruption performance of CO2 gas gap are limited while increasing the gas pressure from 0.8 MPa to 0.6 MPa, as the breakdown voltage of 0.8 MPa CO2 gas gap is only 8 kV after 500 μs since current zero. It is suggested that the structure of gas interrupter should be optimized after combining with the properties of CO2 gas so as to enhance its interruption capacity and provide a basis for the development of hybrid circuit breaker based on CO2 gas.

KEY WORDS : SF6 gas gap; CO2 gas gap; vacuum gap; dielectric strength recovery speed; interruption performance;

0 引言

高压开关对保障电力系统安全稳定运行具有重要意义。现有高压开关主要分为SF6气体断路器与真空断路器,SF6气体断路器在高压输电网中占据绝对垄断地位,真空断路器则被广泛用于中低压配电网。SF6气体具有优异的绝缘和灭弧性能,目前尚未发现任何一种气体的灭弧能力可与之匹敌。但SF6气体极高的全球变暖潜能值(global warming potential, GWP)带来的温室效应影响及其在高寒地区液化对电力系统安全稳定运行造成的威胁等问题不容忽视[1-4]。限制SF6气体使用,开发环保型高压断路器成为本领域研究的热点问题之一。

目前针对环保型高压断路器的主要研究途径可分为3种,分别是寻找SF6替代气体、提升真空断路器电压等级以及研究混合断路器[5]。近年来国内外多家研究机构在探索SF6替代气体方面进行了大量卓有成效的研究[6-7]。在诸多SF6替代气体中,CO2气体具有相对优异的灭弧性能,且其物理化学性能较为稳定,液化温度低,GWP远低于SF6

[8-11]。东芝公司T. Uchii等人通过筛选多种替代气体,选取CO2气体为断路器灭弧介质,研制出充气压力0.8 MPa、电压等级72.5 kV、额定开断能力31.5 kA的CO2气体断路器实验样机,样机通过了相关开断测试,表现出令人满意的开断性能[12]。ABB公司P. C. Stoller等人基于高压断路器样机测试了SF6气体、CO2气体及压缩空气的热开断性能与弧后介质恢复特性,结果表明CO2气体的灭弧性能优于压缩空气,弱于SF6气体,仿真发现优化灭弧室内部结构等措施对提升CO2气体断路器的开断能力有积极作用[13-14]。西安交通大学研究人员基于可拆卸式气体灭弧室对比了SF6气体、N2气体和CO2气体的燃弧特性,发现CO2气体的电弧特性更接近于SF6气体[15]。CO2气体作为SF6替代气体展现出极大的发展潜力,现有CO2气体断路器额定电压等级已达145 kV[16]。但受CO2气体自身有限的绝缘和灭弧性能限制,单纯地依赖CO2气体发展更大开断容量的环保型高压断路器较为困难。

真空短间隙灭弧能力极强,但真空断口间耐压水平与其间隙长度具有非线性增长关系,限制了单断口真空断路器向更高电压等级发展[17]。传统的混合断路器是将SF6气体间隙与真空间隙串联,利用真空间隙优异的短间隙灭弧能力辅助SF6气体间隙度过电流过零后初始暂态阶段,两间隙配合完成开断,可获得较为理想的开断容量增益效果[18]。基于上述SF6替代气体及混合断路器相关理论,若以CO2气体替代SF6气体,将CO2气体间隙与真空间隙串联组成新型混合断路器,控制两间隙配合动作,实现真空间隙辅助CO2气体间隙完成短路电流开断,将有望提升基于CO2气体的高压断路器的开断能力,满足电力系统需求。气体间隙采用不同灭弧介质时,其介质强度恢复速度及耐压水平将有较大差别,受此影响,基于SF6替代气体的混合断路器与基于SF6气体的混合断路器在控制策略及开断性能等方面会存在较大差异。

为研究气体间隙灭弧介质对混合断路器开断性能的影响,文中搭建了气体间隙与真空间隙串联组成的混合断路器实验样机,分别向气体间隙内充入SF6气体与CO2气体。基于合成回路,实验对比分析基于SF6气体的混合断路器与基于CO2气体的混合断路器中气体间隙与真空间隙的协同配合开断特性的差异;讨论影响基于CO2气体的混合断路器开断能力的主要因素,并根据实验结果对环保型混合断路器的设计提出一些建议。

1 混合断路器开断机理

混合断路器利用气体间隙与真空间隙各自的灭弧优势完成短路电流开断。电流过零后暂态恢复电压(transient recovery voltage, TRV)上升的初始阶段,两间隙均未完全恢复其介质强度,此时间隙间TRV分布关系主要受两间隙各自的电弧电阻影响。根据Cassie&Mayr气体电弧黑盒模型与连续暂态真空电弧黑盒模型可知,此时电弧电阻与燃弧时间、灭弧介质自身特性、灭弧室结构及外部电路条件有关[2,15,19-20]。其中,燃弧时间主要由两间隙操动机构的分闸时刻和分闸速度决定,灭弧介质自身特性及灭弧室结构则影响两间隙的介质强度恢复速度。因此,调整操动机构动作时刻可改变两间隙承担初始TRV时序。图1为较为理想的混合断路器协同配合开断效果。真空间隙承担电流过零后陡峭的初始TRV为SF6气体介质强度恢复提供短暂时间。SF6气体间隙可迅速恢复其介质强度,在合适的布置方式及并联分压电容影响下,气体间隙开始承担后续较高的峰值恢复电压。SF6气体间隙优异的耐压特性可保证即使此后真空间隙发生击穿,混合断路器仍能成功开断。

由上述混合断路器开断机理可知,混合断路器

图1 理想的混合断路器协同开断效果 Fig.1 Favorable cooperation interruption performance of hybrid circuit breaker

控制真空间隙与气体间隙协同配合完成大电流开断。两间隙对保障混合断路器成功开断均起到重要作用,其中真空间隙主要用于承受电流过零后初始阶段较高的恢复电压上升率(rate of rise of recovery voltage, RRRV),气体间隙则用于耐受较大的峰值TRV。发展较大开断容量的环保型高压断路器,要求基于SF6替代气体混合断路器中替代气体间隙具有与SF6气体间隙相近的特性,即相对较快的介质强度恢复速度和良好耐受电压水平。

2 实验测试电路

2.1 实验样机及实验电路

混合断路器实验样机如图2所示,样机由气体断路器与真空断路器串联组成。其中气体断路器采用额定开断能力10 kV/6.3 kA的旋弧式SF6气体断路器,间隙内SF6气体的初始充气压力为0.36 MPa,CO2气体充气压力分别为0.6、0.8 MPa;真空断路器开断能力为10 kV/5 kA,真空触头为定制的平板电极结构。气体断路器平均分闸速度约2.56 m/s,真空断路器平均分闸速度约为0.83 m/s。

混合断路器的开断特性测试电路采用大连理工大学电力电子研究所的110 kV/50 kA合成回路实验系统,实验电路原理如图3所示。其中ChcLhc组成电流源回路,ChvLhv构成电压源回路,C0R0为调节暂态恢复电压波形的调频电容与调频电阻,Kh为合闸开关,G为点火球隙,D为点火同步装置,Pt1、Pt2及Ct用于测量混合断路器上的电压与电流,Vg为真空间隙,Gg为气体间隙。实验中混合断路器开断的短路电流有效值为4 kA,真空间隙位于高压侧,气体间隙位于低压侧。

2.2 电弧电压测量

图4为未加TRV时CO2气体间隙、SF6气体间隙及真空间隙分别开断4 kA短路电流,各间隙上的电弧电压波形。如图4所示,气体间隙的电弧电压远高于真空间隙,SF6气体间隙的电弧电压略低于CO2气体间隙。多次测试发现,CO2气体电弧开始燃烧约4 ms后,电弧电压出现剧烈波动,而此时SF6气体电弧燃烧相对稳定。

这是由于SF6气体的导热性能优于CO2气体,SF6气体电弧燃烧产生的热量可迅速扩散,而CO2气体间隙燃弧过程中产生的高温未能快速扩散至弧柱外围区域,导致触头附近CO2气体大量分解,电弧燃烧不稳定。此外,受气体间隙较高的电弧电压

图2 混合断路器实验样机示意图 Fig.2 Schematic diagram of tested hybrid circuit breaker

图3 混合断路器实验电路 Fig.3 Synthetic test circuit for hybrid circuit breaker

图4 气体间隙与真空间隙电弧电压 Fig.4 Arc voltages of gas gaps and vacuum gap

影响,电流源回路产生的短路电流周期会有不同程度的畸变。

3 两种混合断路器开断特性对比

由混合断路器的开断机理可知,两间隙的燃弧时间及其灭弧介质自身特性等因素均会影响间隙间初始TRV分布关系。根据承担初始TRV时序不同,可将混合断路器的协同控制策略分为2种:(1)气体间隙先承担TRV;(2)真空间隙先承担TRV。其中,气体间隙先承担TRV时,真空间隙未能发挥其灭弧优势承担初始时刻较大的RRRV,未起到辅助灭弧作用;较大的初始RRRV作用下,气体间隙易发生电弧重燃导致混合断路器开断失败。此种开断控制策略下混合断路器难以获得较为理想的开断容量增益效果,文中对这种情况不予讨论。下文通过调整间隙的燃弧时间,着重研究真空间隙先承担TRV时,2种混合断路器中气体间隙与真空间隙的协同配合开断效果及真空间隙击穿时2种混合断路器的开断性能。

此外,受两间隙布置方式及杂散电容影响,实验中,位于高压侧的真空间隙在弧后阶段承担大部分暂态恢复电压,气体间隙分担少部分恢复电压。为减小杂散电容影响,可根据要求在真空间隙上并联合适大小的分压电容。

3.1 真空间隙先承担TRV

调整两间隙操动机构的动作时刻,改变各间隙 燃弧时间,实现真空间隙首先承担TRV。图5与图6分别为真空间隙先承担TRV时,基于SF6气体混合断路器与基于CO2气体混合断路器的TRV波形。真空间隙上并联500 pF分压电容。图5中电流过零后真空间隙承担初始TRV,为SF6气体间隙提供约90μs的介质强度恢复时间;气体间隙可有效恢复其介质强度,随后开始承担后续主要TRV。分压电容作用下,开断过程后期SF6气体间隙与真空间隙间分压关系逐渐趋于均匀。图6中CO2气体间隙在真空间隙辅助作用下,电流过零后约100 μs内几乎不承担恢复电压,CO2气体间隙并未能有效恢复其介质强度并接替真空间隙承担TRV,混合断路器的暂态开断过程基本依靠真空间隙完成。电流过零约400 μs后,CO2气体间隙恢复一定介质强度,此时混合断路器的暂态开断过程已基本结束,分压电容对两间隙电压分布起到了均压作用。

图5、6可知,相近的开断控制策略下,CO2气体间隙内介质强度恢复速度明显低于SF6气体间隙,CO2气体间隙不能及时接替真空间隙承担后续恢复电压,限制了基于CO2气体混合断路器的开断效果。为获得较好的开断容量增益效果,混合断路器需要气体间隙具有尽可能快的介质强度恢复速度。

3.2 真空间隙发生击穿

真空间隙首先承担TRV时,较大的RRRV使真空间隙两端的恢复电压迅速上升,超出其耐受电压时,真空间隙被击穿。若此时气体间隙能有效恢复其介质强度并及时接替承担后续TRV,混合断路器可成功开断;若气体间隙的介质强度不足以耐受

此时的暂态恢复电压,混合断路器开断失败。

图5 真空间隙先承担TRV时基于SF6气体的混合断路器TRV分布 Fig.5 TRV distribution of the hybrid circuit breaker based on SF6 gas while vacuum gap undertakes TRV first

图6 真空间隙先承担TRV时基于CO2气体的混合断路器TRV分布 Fig.6 TRV distribution of the hybrid circuit breaker based on CO2 gas while vacuum gap undertakes TRV first

通过后延真空间隙操动机构分闸时刻(即缩短真空间隙燃弧时间),减小电流过零时真空间隙的触头间距使其发生击穿。图7与图8为未并联分压电容下真空间隙击穿时2种混合断路器的TRV波形。图7与图8中真空间隙燃弧时间均<1 ms,电流过零时真空间隙内触头刚刚分离,触头间距不足1 mm。弧后初始阶段真空间隙迅速恢复其介质强度并承担大部分TRV,但触头间距过小,间隙的耐压水平较差,快速上升的TRV导致真空间隙击穿。电流过零后约60 μs真空间隙被击穿,此时图7中SF6气体间隙已恢复其介质强度并迅速接替真空间隙承担后续恢复电压,保证混合断路器能成功开断;而图8中CO2气体间隙介质强度恢复速度相对较慢,真空间隙击穿时气体间隙的耐压水平较差,CO2气体间隙接替真空间隙承担TRV后随即被击穿,此后两间隙多次交替击穿,基于CO2气体的混合断路器开断失败。此外,实验中设置CO2气体间隙比SF6气体间隙提前1 ms分闸(电流过零时CO2气体间隙长度比SF6气体间隙长约2.5 mm,增大其间隙长度以弥补其介质强度的不足),但受限于气体间隙较慢的介质强度恢复速度,CO2气体间隙仍被击穿。

根据图7与图8实验结果可知,混合断路器需要气体间隙能在较短时间内有效恢复其介质强度,若真空间隙击穿,气体间隙应能及时接替承担TRV,确保混合断路器成功开断。相较于SF6气体间隙,CO2气体间隙内介质强度恢复速度过慢,无法保证混合断路器的开断性能。

4 气体间隙开断能力影响因素

上述实验结果表明,合理的开断控制策略下真空间隙可辅助气体间隙承担电流过零后初始阶段较高的RRRV,避免气体间隙内电弧重燃,同时也可为气体间隙提供约100 μs的介质强度恢复时间;随后气体间隙可接替真空间隙承受后续主要TRV,避免因真空间隙击穿引起混合断路器开断失败,两间隙协同配合完成开断。但受限于CO2气体间隙较慢的介质强度恢复速度,基于CO2气体的混合断路器未能获得较为理想的开断效果。

实验样机中气体断路器采用旋弧式灭弧室,其灭弧原理是利用驱弧线圈产生磁场,磁场驱动电弧旋转,增大电弧与灭弧气体的接触面积,依靠灭弧气体自身较强的电负性及导热性能熄灭电弧。旋弧式灭弧室的开断能力主要依赖于气体自身的灭弧特性。与SF6气体相比,CO2气体的电负性较弱且导热性能一般。旋弧式气体灭弧室较为简单的结构难以起到辅助CO2气体散热或加速气体流动的作用。CO2气体电弧燃烧产生大量热量无法快速向弧柱外围区域扩散,弧柱区域温度迅速升高,考虑到CO2气体分子的高温分解特性,此时CO2气体将大量分解。电流过零后,触头间隙温度较高,仍残留大量等离子体,CO2分子相对较弱的电负性进一步阻碍了间隙内自由电子吸附与等离子体快速复合,抑制CO2气体间隙迅速有效地建立其介质强度。因此,旋弧灭弧方式下,CO2气体间隙的开断效果较差。

分析实验结果可知,发展基于SF6替代气体的高压混合断路器的关键在于提升SF6替代气体间隙的介质强度恢复速度,而气体间隙介质强度恢复速度主要受气体自身特性及灭弧室内部结构等因素影响。具体到CO2气体,提升CO2气体间隙开断能力

图7 真空间隙击穿时基于SF6气体的混合断路器成功开断 Fig.7 Hybrid circuit breaker based on SF6 gas successful interruption while vacuum gap breakdowns

图8 真空间隙击穿时基于CO2气体的混合断路器开断失败 Fig.8 Hybrid circuit breaker based on CO2 gas failed interruption while vacuum gap breakdowns

可有以下2种措施:(1)增大CO2气体充气压力;(2)优化CO2气体灭弧室内部结构。

4.1 增大CO气体间隙充气压力

图9与图10分别为CO2气体充气压力为0.6 MPa与0.8 MPa时混合断路器开断4 kA短路电流的TRV波形。实验中,真空间隙上并联1 000 pF分压电容,混合断路器上所加TRV峰值被适当减小。

对比图9与图10发现,相同开断控制策略下,电流过零后同一时刻0.8 MPa的CO2气体间隙可耐受更高的TRV。如图9中电流过零后125 μs时,0.6 MPa的CO2气体间隙在约1 kV的恢复电压作用下即被击穿;此时图10中0.8 MPa的CO2气体间隙可耐受约1.6 kV的恢复电压,此后两气体间隙均多次击穿。电流过零后约430 μs,充气压力0.8 MPa的CO2气体间隙基本恢复其介质强度,但此时混合断路器的暂态开断过程已基本结束。

根据图9与图10实验结果,CO2气体充气压力由0.6 MPa增大至0.8 MPa时,由于间隙内分子相对密度变大,气体间隙可获得更高的耐压水平;但增大充气压力对其介质强度恢复速度并未有明显提升,CO2气体间隙仍无法配合真空间隙完成开断。

通过调整合成实验回路中点火球隙G的触发导通时刻,电流过零后经短暂延时引入TRV,保持CO2气体间隙燃弧时间及充气压力不变,可测量电流过零后不同时刻CO2气体间隙的介质强度恢复程度。电弧熄灭后短时间内,气体间隙介质强度尚未有效恢复,TRV作用下气体间隙将被击穿,此时气体间隙的击穿电压可作为表征其介质强度恢复程度的参考量。

基于上述实验方案,实验得混合断路器中CO2气体间隙的动态介质强度恢复曲线如图11所示。实验中CO2气体充气压力0.8 MPa,气体间隙燃弧时间约5.3 ms。由图11可知,实验样机中CO2气体间隙的介质强度恢复速度过慢,电流过零后约500 μs时CO2气体间隙的耐压水平约8 kV,明显低于现有SF6气体的测试数据。电流过零后约100 μs时,真空间隙已基本恢复其介质强度,而0.8 MPa的CO2气体间隙几乎不能耐受超过1 kV的暂态恢复电压,受此限制,混合断路器的协同配合开断策略难以实现。

由于实验电路中各断路器操动机构动作分散性及间隙内触头烧蚀等因素影响,图11所得曲线必然与CO2气体间隙内实际介质强度恢复过程存在一定误差。此外,电流过零时气体间隙内触头间距约13 mm,电流过零后500 μs,间隙触头间距增大约1 mm,对测量结果造成的影响可以忽略。

4.2 优化气体灭弧室结构

由上述实验结果分析可知,实验样机中气体间隙的介质强度恢复速度很大程度上依赖于气体自身特性及灭弧室内部结构,而旋弧灭弧方式明显不适合用于CO2气体断路器。对于CO2气体断路器而言,若弧后阶段气体间隙内残留的等离子体能快速有效复合,其开断能力将得到有效提升。根据文[12-15]研究成果,CO2气体断路器更适合采用气吹灭弧的方式,同时结合CO2气体自身特性对灭弧室内喷口、气室等部件的结构进行优化设计,可进一步提升CO2气体断路器的开断能力。结合图4,CO2气体电弧电压略高于SF6气体,而其比热容小于SF6气体,CO2气体电弧燃烧将产生更多热量。若能基于前人研究成果及文中实验结果,根据CO2气体的燃弧特性优化灭弧室喷口、压气室等部分的结构,充分利用CO2气体电弧燃烧产生的能量,有效建立喷

图9 CO2充气压力0.6 MPa时混合断路器TRV分布 Fig.9 TRV distribution of the hybrid circuit breaker while CO2 gas pressure is at 0.6 MPa

图10 CO2充气压力0.8 MPa时混合断路器TRV分布 Fig.10 TRV distribution of the hybrid circuit breaker while CO2 gas pressure is at 0.8 MPa

图11 混合断路器中CO2气体间隙弧后介质强度恢复过程 Fig.11 Dielectric strength recovery process of CO2 gas gap in the hybrid circuit breaker at post-arc period

口压力,加速气体流动,辅助电弧区域散热及弧后阶段间隙内等离子体的快速复合,可大幅缩短CO2气体介质强度恢复所需时间。在此基础上,由真空间隙辅助CO2气体间隙恢复承担电流过零后较高的RRRV,保障CO2气体间隙有效恢复其介质强度,将有望获得更大开断容量的环保型混合断路器。

5 结论

1)在合理的开断控制策略下,混合断路器可利用真空间隙为气体间隙提供约100 μs的介质强度恢复时间;同时需要气体间隙能较快恢复其介质强度。受限于自身较差的灭弧性能及旋弧灭弧室简单的结构,CO2气体间隙的介质强度恢复速度明显低于SF6气体间隙;电流过零后500 μs,0.8 MPa的CO2气体间隙仅能耐受约8 kV恢复电压。CO2气体间隙过慢的介质强度恢复速度限制了其与真空间隙协同配合开断效果;真空间隙击穿时,CO2气体间隙无法保障混合断路器的开断性能。

2)CO2气体的灭弧性能与SF6气体差距较大。旋弧灭弧方式下,气体充气压力由0.6 MPa增大至0.8 MPa对CO2气体间隙开断能力的提升效果有限。现有技术条件下,建议结合CO2气体自身特性,综合考虑增大CO2气体充气压力、优化CO2气体灭弧室内喷口及压气室结构等措施,提升CO2气体断路器的开断能力。

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