高速真空斷路器及其電弧特性的基本研究

　　1 引言

　　真空斷路器被廣泛應(yīng)用于供配電系統(tǒng)中。它們通過減少從故障發(fā)生到故障電流成功開斷的持續(xù)時間為帶重要負荷電力系統(tǒng)設(shè)備提供了良好的保護性能。傳統(tǒng)的斷路器開斷故障電流從故障發(fā)生時刻起需要幾個工頻周期的時間，目前，已經(jīng)開發(fā)出了一個周期之內(nèi)開斷故障電流的真空斷路器，這種斷路器的滅弧室能在一個工頻周期內(nèi)開斷故障電流。一個工頻周期內(nèi)開斷的真空斷路器是汽輪機保護的良好方案，但我們認為，其性能還不是足夠好，需要在更短的時間內(nèi)完成故障開斷。

　　通過在故障電流中疊加高頻電流來減少故障的持續(xù)時間是減少故障時間的一種方法，疊加的高頻電流與故障電流的方向相反。在燃弧時間較短的情況下，通過反響疊加高頻電流來開斷大故障電流時的電弧特點及開斷能力還難以清楚地確定。

　　首先，我們研究了在私營電廠運行的一種高速真空斷路器的高速開斷效果，電廠采用了汽輪發(fā)電機并與工頻電網(wǎng)系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)運行。當(dāng)故障發(fā)生時，汽輪機和發(fā)電機之間的機械連接系統(tǒng)可能被損壞。我們估算了在不同故障電流情況下的汽輪發(fā)電機的轉(zhuǎn)矩大小，計算結(jié)果顯示：若采用疊加反向電流來限制故障持續(xù)時間，高速真空斷路器比傳統(tǒng)斷路器對汽輪發(fā)電機有更好的保護效果。

　　然后，通過合成試驗電路的方法對真空電弧和其開斷能力進行了試驗觀察和驗證試驗。特別是當(dāng)電弧燃燒時間很短時，確定這種電弧是否滿足高速真空斷路器的要求。這種測試電路由真空斷路器、操動機構(gòu)，帶有開關(guān)、電容器和電抗器的高頻電流源組成。真空滅弧室是由銅烙制作觸頭和縱向磁場電極構(gòu)成。這中滅弧室因其高開斷能力而著稱。在縱向磁場電極中，真空電弧弧柱與縱向磁場平行。改變高頻電流源中電容器和電抗器的值來計算在電流開斷時電流變化率對開斷性能的影響。

　　試驗結(jié)果展示了高速真空斷路器的電弧特性和開斷能力。在觸頭分開的瞬間電弧被點燃并集中在燃燒點。觸頭分開后的幾個毫秒內(nèi)，電弧被縱向磁場擴散。滅弧限制電流隨著電流變化率的增加而逐步減少。電弧時間減少的同時，開斷限制也在減少。

　　本文描述了高速真空斷路器技術(shù)和在與采用汽輪發(fā)電機并與商業(yè)電網(wǎng)系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)的私營電廠中的應(yīng)用。

　　2 發(fā)電機轉(zhuǎn)矩的計算

　　我們研究了在私營電廠運行的一種高速真空斷路器的高速開斷效果，電廠采用汽輪發(fā)電機并與工頻電網(wǎng)系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)。電路模型、汽輪發(fā)電機的額定值及變壓器如圖.1、表1和表2所示。負載由電機、電容器及電阻組成。我們用電磁瞬態(tài)計算軟件計算了不同的故障模型，故障位置及開斷時間等情況下的汽輪發(fā)電機的轉(zhuǎn)矩。在計算中，考慮了由于電流截斷而引起的過電壓因數(shù)。

　　我們計算了故障位置對汽輪發(fā)電機轉(zhuǎn)矩的影響，對變壓器原邊和副邊的計算結(jié)果如圖2所示。由于變壓器阻抗的原因，使得變壓器副邊故障比原邊故障時的發(fā)電機轉(zhuǎn)矩高。

　　轉(zhuǎn)矩與真空斷路器的型號之間的關(guān)系如圖3所示。圖中給出了兩個故障模型，一個是三相短路故障，一個是兩相短路故障。如圖所示，在這三種故障類型中，高速真空斷路器的轉(zhuǎn)矩是最低的。這一點表明了高速真空斷路器對汽輪發(fā)電機提供很好的保護。單周期開斷真空斷路器在開斷三相短路故障電流時比傳統(tǒng)斷路器轉(zhuǎn)矩稍高。這是因為在電流開斷時開斷電流相對較大。

　　圖4顯示了轉(zhuǎn)矩與滅弧時間之間的關(guān)系。在8毫秒之內(nèi)轉(zhuǎn)矩隨著開斷時間的增大而增大。當(dāng)開斷時間大于8毫秒后，由于電流的開斷發(fā)生在峰值電流之后，因此轉(zhuǎn)矩幾乎是常數(shù)。故障電流的峰值大約為5kA，而且故障電流中含有直流成分。結(jié)果顯示，若把開斷時間減少到8毫秒以內(nèi)，將能給發(fā)電機提供更好的保護。

　　3 電弧行為和開斷特性的試驗判定

　　3.1試驗方法

　　通過合成電路來進行電弧觀察和開斷測試，其電流波形圖如圖5所示。進行了兩種類型真空斷路器的電弧觀察和開斷測試。一種可裝卸的真空滅弧室用于電弧觀察，一種真空斷路器用作開斷測試。開斷用真空斷路器帶有縱向磁場電極，觸頭采用廣泛應(yīng)用于傳統(tǒng)商業(yè)用真空斷路器中的銅烙合金制成。這種電極的開斷速度大約1.7m/s。電極在50赫茲大電流源主交流電峰值到來前開斷，當(dāng)主電流達到峰值前，高頻電流注入。來自于電壓源的電流在電流過零前疊加，電流過零后兩電極間就會出現(xiàn)恢復(fù)電壓。圖7給出了測試用真空斷路器典型的開斷電流、電弧電壓及恢復(fù)電壓的波形圖。研究了在固定恢復(fù)電壓的情況下，開斷電流的時間變化率與觸頭分開瞬間電弧燃燒到電弧熄滅時間之間的關(guān)系，其結(jié)果如圖7b所示。通過設(shè)置高頻電流源的電容器和電抗器值來改變電流變化率。

　　在試驗中，采用可拆卸的真空滅弧室來觀察縱向磁場電極的電弧行為