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多断口真空开关的动态介质恢复及统计特性分析0

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多断口真空开关的动态介质恢复及统计特性分析

多断口真空开关的动态介质恢复及统计特性分析 2011年12月09日 来源: 1 引言 真空开关是电力系统中的新型开关电器,其特点是利用真空作为主触头间的绝缘介质和灭弧介质,真空的极为优异的绝缘强度和熄弧能力给真空开关带来了许多优点,使之在配电领域得到了广泛的发展和应用。从另一方面看,由于长真空间隙的绝缘有难以克服的困难,目前真空开关尚只能应用于110kV及以下电压等级。发展更高电压等级的真空开关有两种途径:一是继续发展单断口型真空开关,如日本明电舍公司1980年开发的123kV,31.5kA真空断路器;东芝公司1987年开发的145kV,31.5kA真空断路器;二是发展双断口及多断口真空开关,如美国通用电气公司1980年开发的168kV,40kA双断口真空断路器;西屋电气公司开发的145kV双断口真空断路器;1985年前苏联用4个灭弧室串联生产出110kV,25kA多断口真空断路器;日本三菱公司拟发展500kV双断口真空断路器[1, 2]。 对多断口真空开关技术产生浓厚兴趣的源泉是基于技术和经济两方面的考虑。由于多断口真空开关具有许多优点,因此,多断口真空断路器成为了许多国家竞相研究的课题[3~7]。同时,多断口真空断路器的发展还涉及到许多研究课题。其中最重要的是其基本的开断机理的理论研究,但这方面的研究目前国内外都还没有见到较为深入的报道。其理论研究的进展缓慢制约了此技术走向工业实用化。本文试图从双断口真空开关的弧后动态介质恢复过程的研究出发,理论推导得到多断口真空开关的最大可能增长倍数,并运用“击穿弱点”[8~10]的概念,引入数学领域的随机理论和概率统计方法来分析双断口及多断口真空开关的开断、介质恢复及重击穿的机理,所得到的结论有利于多断口真空开关的进一步研究。2 双断口真空开关的动态介质恢复过程 对于单断口真空开关,真空灭弧室的弧后介质恢复过程,就是指真空灭弧室在电流过零、电弧熄灭之后,间隙由燃弧时的高导电状态逐渐恢复为高阻绝缘状态的过程。真空灭弧室的弧后介质强度恢复特性直接决定了真空灭弧室的分断能力,因而一直为广大研究者所关注,在这方面做了大量的研究。真空灭弧室的弧后介质强度恢复包括固有介质强度恢复和动态(实际)介质强度恢复两个方面的内容[11]。固有介质强度恢复特性是指灭弧室在没有暂态恢复电压作用下的恢复特性,是一种理想状态下的恢复特性,也是研究实际介质恢复特性的基础。而在实际的运行条件下,真空断路器在分断电流后,断口两端立即会受到快速上升的暂态恢复电压(TRV)的作用,这种条件下的介质恢复称为动态(实际)介质恢复。对于双断口真空开关而言,其动态介质恢复过程与单断口真空开关是截然不同的。2.1 双断口真空开关的等值模型 双断口真空开关技术的最大优势就是用低电压等级的灭弧室串联后获得高电压等级的电流开断能力。图1是双断口真空开关的合成试验回路。电流源有效值25kA,电压源恢复电压峰值100kV。这里双断口灭弧室是上下布置的。对于图1所示双断口真空开关,当合成回路的恢复电压加上时,由于加在真空间隙两端的恢复电压的变化率非常高(恢复电压的平均上升率可达2~10kV/ms)[3~5],因此两个真空灭弧室的电压分配主要受到真空间隙的电容的影响(暂不讨论弧隙电阻的影响),可以得到双断口真空开关的等值电路图,如图2中实线部分所示。2.2 双断口真空开关的动态介质恢复过程 双断口真空开关的动态介质恢复过程与单断口真空开关是不同的。在双断口真空开关的开断过程中,由于上下两个真空灭弧室的分压不均匀(由于对地电容Cg的影响),通常是所受恢复电压较高的灭弧室先发生重击穿。此时,只要恢复电压的峰值和上升速度低于某一极限值,整个双断口开关并不会因为一个灭弧室发生重击穿而导致开断失败。这是因为另一个真空灭弧室的介质强度仍可能高于此时的恢复电压,它还可以承受整个恢复电压一个比较短的时间,当重击穿的真空灭弧室的介质恢复以后,共同完成分断过程。图3为典型双断口真空开关恢复过程示波图。由图3可见,在①点,VI2(上端的真空灭弧室)在电流零点后大约8ms、恢复电压为-49kV时,发生了重击穿,可以看到U42的电压下降到了零。此时,VI1(下端的真空灭弧室)承受了整个恢复电压,其电压值从-18kV很快增加至-78kV。在区间②,VI2介质恢复很快,而且能够承担一部分恢复电压。这里,可以看到VI1承受了超过-60kV的恢复电压12ms,最后其恢复电压

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