多断口真空开关不平衡磁场计算与优化

Calculation and Optimization of the Unbalanced Magnetic Field in Multi-break VCBs

葛国伟1,2, 程显1,2, 张鹏浩1,2, 廖敏夫3, 卢刚3

1. 郑州大学电气工程学院,郑州450000

2. 河南省输配电装备与电气绝缘工程技术研究中心,郑州450001

3. 大连理工大学电气工程学院,大连116023

GE Guowei1,2, CHENG Xian1,2, ZHANG Penghao1,2, LIAO Minfu3, LU Gang3

1. School of Electrical Engineering, Zhengzhou University, Zhengzhou 450000, China
2. Henan Engineering Research Center of Power Transmission & Distribution Equipment and Electrical Insulation, Zhengzhou 450001, China
3. College of Electrical Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116023, China

  • 葛国伟 1987—,男,博士,讲师 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、真空电弧动态恢复研究E-mail: ggw@zzu.edu.cn

  • 程 显(通信作者) 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

基金项目: 国家自然科学基金(51407163; 51477024; 51777025); 中国博士后科学基金(2017M622370); 河南省高校重点科研项目(16A470014; 19A470008); Project supported by National Natural Science Foundation of China (51407163, 51477024, 51777025), China Postdoctoral Science Foundation (2017M622370), Key Scientific Research Projects of Colleges and Universities in Henan (16A470014, 19A470008);

摘要

为研究多断口真空开关不平衡磁场分布及影响,首先引入了多断口真空开关磁偏弧的概念,并分析多断口真空开关串联电弧及连接部分对各个断口磁场分布的影响,使其失去对称性,存在不平衡磁场。然后建立了不同布置方式下的双断口真空开关磁场模型,得到了不同布置方式情况下的磁场分布。最后通过双断口真空开关磁场数据与单个真空开关的磁场数据进行矢量计算,得到了双断口真空开关连接布置方式及串联电弧间相互影响引起的不平衡磁场的影响规律。仿真结果表明在双断口真空开关不同布置、不同距离情况下,在电流为10 kA时,不平衡磁感应强度<30 mT,随着距离的增加,不平衡磁感应强度减小,并可知铜屏蔽罩外围进行导磁材料涂层可以有效抑制不平衡磁场。该研究得到了多断口真空开关不平衡磁场的分布及优化措施,为多断口真空开关布置方式及紧凑型优化设计提供了参考依据。

关键词 : 多断口真空开关; 不平衡磁场; 磁场分布; 磁偏弧; 磁屏蔽;

DOI:10.13336/j.1003-6520.hve.20180619005 2019年5月31日第45卷May

ABSTRACT

In order to investigate the distribution and influence of the unbalanced magnetic field (BMF) in multi-break VCBs, the concept of the magnetic arc blow in multi-break VCBs is firstly proposed and the magnetic arc blow is caused by unbalanced magnetic field which is produced by the interaction between each breaks and the connection bus is analyzed. The magnetic field model of the double-break VCBs in different configurations is established. The magnetic field distribution is calculated by the Ansoft Maxwell. Based on the simulation data of the magnetic field in double-break and single-break VCBs, the vector calculation is used to calculate the unbalanced magnetic field. The laws of the unbalanced magnetic field influenced by the configuration and vacuum arcs are obtained. The simulation results indicate that the BMF of the double-break VCBs is below 30 mT with different configuration and distance when the main current is 10 kA. The BMF decreases as the distance of the vacuum interrupters in double-break VCBs. The magnetic field shield, which is achieved by smearing the magnetic material on the copper shield, is proposed to restrain the BMF in double-break VCBs. The BMF and optimal method is obtained which is useful to the configuration and optimization design of the multi-break VCBs from the aspect of the magnetic field distribution.

KEY WORDS : multi-break VCBs; unbalanced magnetic field; magnetic field distribution; magnetic arc blow; magnetic field shield;

0 引言

真空开关成套设备在35 kV以下配电网中以其优越的绝缘和灭弧能力及低碳环保、免维护、电气寿命长等优点得到广泛应用[1]。真空开关由于真空间隙击穿电压与间隙大小之间的饱和效应,限制了其在高压领域的发展。多断口真空开关采用串联真空开关技术,是未来高压真空开关发展趋势之一[2-3]

在外部不平衡磁场的作用下,电弧的对称性被破坏的现象称之为磁偏弧。其本质上为横向不平衡磁场与电弧等离子体之间的相互作用,使得电弧发生偏转,弯曲等[4]。多断口真空开关采用多个真空开关串联构成更高电压等级的真空开关,尤其是在箱式紧凑型设计中[5-6],由于多断口真空开关连接方式和串联真空电弧等因素造成各间隙电弧相互间的影响,存在不平衡磁场使得真空灭弧室内磁场不对称或偏离中心。在多断口真空开关相互间不平衡磁场的作用下,电弧对称性被破坏,称为多断口真空开关磁偏弧。

在真空开关(VCB)磁偏弧研究方面,王立军等分析了外部磁场对真空电弧偏移及阳极偏烧的影响,王建华等分析了母线连接引起的外界磁场对真空电弧的影响[7-8]。贾申利等提出利用磁屏蔽罩解决外接母线磁场对真空电弧的影响[9]。在外加横向磁场(TMF)的作用下,弧柱电弧的偏移方向与安倍力的方向一致,而在扩散电弧模式下,由于阴极斑点的反向运动,电弧偏向安倍力的反方向[7]。而阴极斑点的反向运动取决于电弧气压、磁感应强度、电流大小和触头材料[10]。另一种解释是扩散电弧偏转方向主要由霍尔场决定,而弧柱电弧主要由安倍力决定[11-12]

多断口真空开关磁偏弧的机理为:真空电弧与横向磁吹的相互作用,对此在低压直流开断中研究较多,Pedrow P D研究了故障电流磁场参数、分流电容、杂散电感参数等对真空电弧电流转移过程的影响,并测量了转移过程中的真空电弧等离子体密度[13]。在电流>6 kA时,Emtage P R提出利用横向磁吹和分流电容共同作用,并应用于故障限流[14]。Kim M J对电压22.9 kV故障限流器的技术参数和限流效果进行了分析,故障限流最大达到12.5 kA[15-16]。Hyun O B在上述混合型超导限流器加入IGCTs或则IBGTs单元提高转移的可靠性[17]。Fedorov V A分析了非均匀磁场、横向磁场、分流电容参数对直流真空电弧熄灭过程的影响,得到横向磁场能够增加电弧电压和小电流下电弧的不稳定性的结论,进而有利于直流开断过程。在此基础上基于磁流体模型,通过分析磁场作用下的离子运动轨迹,分析了电流开断阈值与磁场的关系[18-20]。电流转移成败可通过Weilbull分布描述其转移成功率[21-22]

多断口真空开关的布置方式多采用电场优化分析得到,但在燃弧阶段多断口串联电弧相互间不平衡磁场影响下的特性研究较少,本文针对多断口真空开关的磁偏弧进行理论分析与计算,首先定义了多断口真空开关的磁偏弧概念,然后建立了不同布置方式时的磁场分析模型,分析了不同布置方式情况下的磁场分布,并通过矢量计算得到了不平衡磁场大小,进而得到了多断口真空开关不平衡磁场强度的影响规律。最后通过磁屏蔽措施对多断口真空开关进行了磁场优化,减小不平衡磁场大小,进而避免磁偏弧的影响。

1 多断口真空开关磁场分布分析

多断口真空开关的磁偏弧将造成各个断口电弧发展失去对称性,触头局部烧蚀严重,弧后电流和动态绝缘特性降低。为此需要计算分析多断口真空开关的磁场分布并计算得到其不平衡磁场的影响规律,寻求多断口真空开关不平衡磁场优化方法,抑制磁偏弧的影响。

为了得到多断口真空开关相互间磁场的影响,首先计算不同布置方式下多断口真空开关的磁场分布,进一步计算得到不平衡磁场分布情况,并得到了多断口真空开关不平衡磁感应强度的影响规律。

1.1 真空灭弧室触头自身磁场仿真分析

在Ansoft Maxwell中建立杯状纵磁(axial magnetic field,AMF)触头3D模型见图1,其中AMF杯状触头的直径为55 mm,CuCr触头面直径为45 mm,导电杆和杯形结构材料为铜,该模型的参数是依据10 kV、20 kA商用真空灭弧室设计的,I为主电流,BAMF表示纵向磁感应强度。

将电弧等离子体等效为均匀分布的导体,其电导率σ

\(\sigma =\frac{Id}{{{U}_{\mathrm{arc}}}S}\) (1)

式中:Uarc为电弧电压,一般取20~40 V;d为真空间隙的长度;S为电弧面积,由于真空电弧主要存在与CuCr触头面区间内,故电弧面积简化等效为CuCr触头表面面积。通过计算得到真空电弧弧柱的

图1 杯状纵磁触头三维模型 Fig.1 3D model of AMF cup-type contacts

电导率在210~1 052 S/m之间。其他相应的部件材料及相应的参数设置见表1。

按照瞬态磁场求解过程,材料设置、激励源设置,网格划分等步骤求解磁场,求解得到在真空间隙为10 mm、工频电流为10 kA时,CuCr触头面间磁场矢量分布结果如图2所示,磁场是沿着触头表面垂直方向,纵向磁场是对称分布的,磁感应强度B为62.3 mT左右。

d为4、6、8和10 mm时,计算AMF触头面中心位置沿着直径D方向的磁感应强度分布情况,分别如图3所示。由图3可知,AMF触头真空间隙磁场沿着真空灭弧室中心线对称分布,磁感应强度随着真空间隙的减小而增大,AMF触头磁场中心位置得到较为均匀的磁场,距中心越远,磁场越弱。

1.2 双断口真空开关磁场分布

采用单个真空灭弧室串联构成U型布置、S型布置和π型布置方式,在Maxwel Ansoft中建立的3D模型如图4所示,改变真空灭弧室相互间的距离,计算布置方式对磁场的影响。由于不平衡磁场计算只需要计算布置方式的影响,电弧区域对相互间磁场影响较小,故忽略了触头结构对相互间磁场的影响,触头半径设置为27.5 mm,电弧半径为22.5 mm,真空间隙大小为10 mm。

表1 材料参数设置 Table 1 Parameters of the material

图2 真空间隙磁感应强度分布情况 Fig.2 Magnetic field distribution in vacuum gap

U型布置方式下的网格划分结果如图5所示,材料设置根据1.1节的材料参数,选择暂态磁场计算器。选择电流激励为工频电流,其有效值为10 kA,在5 ms时得到了磁场分布情况。在图5中,L

图3 真空间隙大小对磁场影响 Fig.3 Influence of vacuum gaps on magnetic field

图4 双断口不同布置方式模型 Fig.4 Configuration of double-break VCBs

图5 双断口真空开关U型布置方式网格剖分结果 Fig.5 Meshing result of the U-type double-break VCBs

定义为双断口真空开关灭弧室中心的距离。

通过瞬态场计算器计算得到U型布置方式下的磁感应强度分布情况如图6所示,图6(a)是U型双断口真空开关的总体磁感应强度分布情况,图6(b)是电弧区域的磁感应强度分布情况。由图6(a)可知每个真空灭弧室的磁感应强度分布失去对称性,靠近中心的磁感应强度更高。图6(b)中各个弧柱中的磁感应强度分布明显不对称,左侧断口的左侧磁感应强度明显弱于右侧,而右侧断口的左侧磁感应强度明显强于右侧。

计算得到的S型和π型双断口真空开关的磁场分布如图7和8所示。双断口真空开关的整体磁场

图7(a)和图8(a),对比可知,S型布置方式的磁感应强度远大于π型,且不平衡磁场更加明显。电弧弧柱区域的磁场分布如图7(b)和图8(b)所示,据此可知电弧偏离对称性,靠近中间母线的磁场更大,S型布置方式由于中间母线的作用,电弧偏离中心更加明显。

综上所述,多断口真空开关由于相互间及连接的影响,各个断口电弧区域磁场是不对称的,即在不平衡磁场中电弧区域磁场向一侧偏移。

2 双断口真空开关不平衡磁场计算

2.1 双断口及单断口真空开关磁场分布

U型双断口真空开关的磁场分布如图9所示,双断口真空开关真空灭弧室中心距离L为100 mm。由于只需要计算双断口真空开关相互间磁场的影响,与触头结构本身的磁场关系不大,在双断口真空开关不平衡磁场计算过程中,采用平板触头简化计算过程。由图9可知,双断口真空开关触头间隙

内磁场分布是不对称的,每个真空灭弧室触头间隙的磁场向两侧偏移。简化后的单个真空灭弧室磁场分布如图10所示,可知单个真空灭弧室的磁场分布是对称的。双断口真空开关的不平衡磁感应强度等于不同布置方式下双断口真空开关的每个真空灭弧室触头间隙的磁感应强度减去单个真空灭弧室时的触头间隙的磁感应强度。

2.2 双断口真空开关不平衡磁场计算方法

双断口真空开关串联电弧相互间及母线连接引起的不平衡磁场定义为不平衡磁场(BMF)。当电流为10 kA、真空间隙为10 mm时,分别计算不同布置方式下的双断口真空开关和单个真空灭弧室的磁场分布。分别提取电弧区域中心截面沿着径向方

图6 U型布置双断口真空开关磁感应强度分布情况 Fig.6 Magnetic field distribution of the U-type double-break VCBs

图7 S型布置双断口真空开关磁感应强度分布情况 Fig.7 Magnetic field distribution of the S-type double-break VCBs

向(见图9中的截面中心线)上的磁场矢量。不平衡磁场是由不同布置方式、不同距离下的双断口真空开关的磁场矢量与单断口真空灭弧室的磁场矢量作矢量减法运算而得出。设B100B200B300分别表示双断口真空开关2个断口电弧区域截面中心线间距离L分别为100、200和300 mm时的磁感应强度矢量,而B0为单断口真空灭弧室电弧区域截面中心

图8 π型布置双断口真空开关磁感应强度分布情况 Fig.8 Magnetic field distribution of the π-type double-break VCBs

线上的磁感应强度矢量。在不同距离L时的不平衡磁感应强度可以表示为

\({{\mathbf{{B}'}}_{n}}={{\mathbf{B}}_{n}}-{{\mathbf{B}}_{0}}\) (2)

式中:下标n分别取值为100、200和300,表示双断口真空开关不同距离。

磁感应强度矢量包括BxByBz 3个方向的分量,为了二维分析对比沿着电弧区域截面中心线上的不平衡磁场,磁场计算采用矢量运算,磁场强度的表示采用矢量磁场的模值。根据上述计算得到沿着电弧区域截面中心线上的磁场分布如图11所示,其中\({{{B}'}_{100}}\)、\({{{B}'}_{200}}\)和\({{{B}'}_{300}}\)分别表示距离为100、200和300 mm时U型布置方式下双断口真空开关的不平衡磁感应强度,Δd1、Δd2和Δd3表示不同距离下的中心偏移量的大小。由图11(a)可知,U型布置方式下双断口真空开关的不平衡磁场随着距离的增加而减小,而且双断口真空开关电弧截面中心线上的磁感应强度存在明显的偏移,随着距离的增加,中心偏移量增加。由图7可知,沿着电弧截面中心线

图9 双断口真空开关U型布置触头间隙磁感应强度分布 Fig.9 Magnetic field distribution between the contacts of the U-type double-break VCBs

图10 单断口真空灭弧室的磁感应强度分布 Fig.10 Magnetic field distribution of single-break VCBs

的磁场垂直于yz平面,因此沿着电弧截面中心线的磁场及不平衡磁场计算可以采用x轴方向的磁场分量计算,以提高计算速度。B100B200B300B0x轴方向的磁感应强度分量分别为Bx100、Bx200Bx300Bx0,由x轴方向磁场分量计算得到的不平衡磁感应强度分布见图11(b)。x轴方向不平衡磁感应强度与整体矢量运算磁感应强度基本一致,在距离为100 mm时,最大的不平衡磁感应强度为26 mT。

2.3 双断口真空开关偏磁影响规律

按照上述计算方法,分别计算不同布置方式情况下双断口真空开关的不平衡磁场与距离L的关系,如图12所示。随着距离的增加,不平衡磁场减小。而且U型布置方式的偏磁影响最小,S型布置方式由于中间连接母线的影响,不平衡磁场影响最

图11 双断口真空开关U型布置方式磁场及不平衡磁场分布 Fig.11 Magnetic field and BMF of U-type double-break VCBs

大,不同布置方式下的不平衡磁感应强度B′在3.6~30 mT之间。

3 多断口真空开关磁屏蔽优化分析

随着真空开关成套设备技术的发展,多断口真空开关向紧凑、小型、集成化方向发展。串联断口相互间的不平衡磁场将更大,不利于多断口真空开关协同增益能力的发挥[21],需要采用磁屏蔽措施减小不平衡磁场。目前真空灭弧室的屏蔽罩大部分是铜屏蔽罩,这种屏蔽罩对电场均匀分布和避免金属蒸气等离子体附着内绝缘有着重要作用。为了实现磁屏蔽可以在铜屏蔽罩外围进行导磁材料涂层(如铁镍合金),通过仿真加入导磁材料涂层,得到的模型如图13(a)所示,计算得到有无磁屏蔽真空间隙中心线中的磁感应强度分布如图13(b)所示。由图13(b)可知,在双断口真空开关中心距离为100 mm,即不平衡磁场较强时,加入磁屏蔽涂层后,磁场轴线几乎无偏移,磁感应强度分布不受外接母线及其他断口的影响。

图12 不同布置方式下不平衡磁感应强度与距离的关系 Fig.12 Relationship between BMF and distance in different configurations

图13 磁屏蔽效果分析 Fig.13 Effect of the magnetic shielding

4 结论

1)多断口真空开关由于连接布置方式及串联电弧间的相互影响,存在不平衡磁场使得真空灭弧室的触头间磁场分布偏离中心轴对称,通过在铜屏蔽罩外围进行导磁材料涂层,可以有效降低不平衡磁场影响。

2)在双断口真空开关不同布置、不同距离的情况下,得到了不平衡磁感应强度计算方法,通过计算得到,在电流为10 kA时,不平衡磁感应强度<30 mT,随着距离的增加,不平衡磁感应强度减小;在U型布置方式下,不平衡磁感应强度影响最小。这为多断口真空开关布置方式和结构优化奠定了

基础。

3)本文从磁感应强度分布情况计算得到了多断口真空开关的不平衡磁场影响规律,为未来箱式紧凑型多断口真空开关研制提供了参考。

葛国伟 1987—,男,博士,讲师 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、真空电弧动态恢复研究E-mail: ggw@zzu.edu.cn

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    图1