高速真空断路器及其电弧特性的基本研究
作者：谭东现时间：2010-11-13
(上海电器股份有限公司人民电器厂技术中心200042)
本文描述了高速真空断路器技术和在与采用汽轮发电机并与商业电网系统联网的私营电厂中的应用。
2 发电机转矩的计算
我们研究了在私营电厂运行的一种高速真空断路器的高速开断效果，电厂采用汽轮发电机并与工频电网系统联网。电路模型、汽轮发电机的额定值及变压器如图.1、表1和表2所示。负载由电机、电容器及电阻组成。我们用电磁瞬态计算软件计算了不同的故障模型，故障位置及开断时间等情况下的汽轮发电机的转矩。在计算中，考虑了由于电流截断而引起的过电压因数。
我们计算了故障位置对汽轮发电机转矩的影响，对变压器原边和副边的计算结果如图2所示。由于变压器阻抗的原因，使得变压器副边故障比原边故障时的发电机转矩高。
转矩与真空断路器的型号之间的关系如图3所示。图中给出了两个故障模型，一个是三相短路故障，一个是两相短路故障。如图所示，在这三种故障类型中，高速真空断路器的转矩是最低的。这一点表明了高速真空断路器对汽轮发电机提供很好的保护。单周期开断真空断路器在开断三相短路故障电流时比传统断路器转矩稍高。这是因为在电流开断时开断电流相对较大。
图4显示了转矩与灭弧时间之间的关系。在8毫秒之内转矩随着开断时间的增大而增大。当开断时间大于8毫秒后，由于电流的开断发生在峰值电流之后，因此转矩几乎是常数。故障电流的峰值大约为5kA，而且故障电流中含有直流成分。结果显示，若把开断时间减少到8毫秒以内，将能给发电机提供更好的保护。
3 电弧行为和开断特性的试验判定3.1试验方法
3.2 电弧观测结果
在电极分开瞬间，观察了测试用的纵向磁场电极的电弧现象。观察时间是主电流注入后的2ms左右。图8给出了电弧现象的例子。放在图形右边的时间变量表示触头分离瞬间的时间点。开断电流表示测试用真空断路器的峰值电流。电弧集中在触头电弧燃烧点附近2ms左右后被纵向磁场扩散。弧柱在电弧扩散前几乎处于同一位置。
阳极表面电弧发光随时间变化关系如图9所示，水平轴表示触头分断时间，垂直轴被发光度的最大值均匀等分。坐标轴的深度方向表示沿电极表面的位置变量。高亮度电弧面积是很小的并只能在触头分断后持续2ms。电弧亮度变得越来越低，在0.5ms内变得均匀分布。这表明了电弧集中在电弧燃烧点的一个很小的区域内，而且很快被纵向磁场均匀扩散到整个触头区域。图10显示了电流开断与触头分断到电弧扩散的持续时间之间的关系。持续时间随着开断电流的增大而增大。它大概与电弧的收缩有关，因为收缩效果随电弧电流的增大而增强。结果显示：当开断电流很大、由于电弧集中从而电弧时间短时，电流开断是很困难的。
3.3 开断测试结果
通过测试，研究了不同开断电流、电流变化率及燃弧时间等情况下的电弧特性。图11给出了电流过零点的电流变化率与开断电流之间关系。开断电流和电流变化率随着恢复电压和电弧燃烧时间而变化。符号和分别表示开断成功和失败。随着电流变化率的增加，开断电流相应减少。原因是电极之间的真空电弧的扩散时间随着电流变化率的增加而增加。
图12给出了电弧燃烧时间与开断电流之间的关系。开断电流和燃弧时间随着恢复电压和电流变化率而变化。符号和分别表示开断成功和失败。当开断电流为1p.u时，由于燃弧时间太短而造成开断失败。这似乎与电极间隙和电弧特性有关。电极间隙长度由于短燃弧时间要比长燃弧时间短，因此电极之间的介质绝缘强度对短时间电流开断来说是不够的。当触头在初始分断点时电弧集中仅仅几个毫秒的时间很快被纵向磁场扩散。当开断电流大约25kA左右时，电弧集中大约3ms时间，如图8所示。此时，在开断电流较大、燃弧时间较短时电弧大部分时间是集中的。
4 讨论
计算显示：大于8ms的故障持续时间将引起汽轮发电机的超载运行，超载运行将造成严重的损害。由于要求在故障电流峰值到来前开断电流，因此故障持续时间必须小于8ms。为了实现短时的故障电流持续时间，采用单周期开断真空断路器还是不够的，应该推荐使用快速开断真空断路器。
当我们应用真空断路器达到快速开断目的时，必须弄清开断能力和短燃弧时间状态下的电弧现象以及通过叠加反向高频电流来迫使电流过零时的开断现象。我们进行了电弧观测试验，找出了高速真空断路器合适的燃弧时间及合适的开断电弧状态。
结果显示：在电流开断时，当燃弧时间短时，电流变化率应该较低。因为大电流电弧在触头分开瞬间被集中。而且我们可得出：对于与商业电力网络系统相连的私营电厂来说，带有电容器和电抗器的高频电流源的快速真空断路器是一种最合适的选择。
5 结论
通过性能计算、电弧观测及开断测试等手段研究了高速真空断路器。得出以下结论：
高速真空断路器由于减少电弧燃烧时间而且在故障电流的峰值到来之前开断故障电流，所以它为汽轮发电机比传统断路器提供更好的保护。
较短的故障电流持续时间对在电流开断时减少电流变化率具有好的效果，因为开断电流限制随着电流变化率的减少而减少。并且随着燃弧时间的减少开断电流极限也在减少。