252kV自能式灭弧室设计及优化

江经华 贺晶晶 赵建磊 孙清超 张银穗

（平高集团有限公司，平顶山 467000）

SF6断路器灭弧室逐渐由单、双压式发展为当前利用电弧自身能量的自能式。在热膨胀的效应下，膨胀室或灭弧室内的SF6气体压力增加，为灭弧室提供所需要的气吹，这样就不需要很高的分闸速度来建立压力，降低了机构操作功。

1 252kV自能式灭弧室设计

1.1 压气室及膨胀室容积的确定

压气室的作用是产生可使小电流开断的足量吹弧气压及气体容量。在这个过程中，人们可将灭弧室看作具有较大寄生容积、压气效率较低的一种压气式灭弧室，此时其具有较低的压力阻力，操作功较小。同时，压气室在进行大电流开断时，预压缩时可增加热膨胀室压力。热膨胀式的断路器结构中，热膨胀室作为压气室寄生容积，其容积是压力室的2/3。

在自能式灭弧室断路器的设计中，其核心参数就是热膨胀室容积的大小，大电流的开断能力受热膨胀室容积影响较大。如果膨胀室容积小，那么SF6的气体总量也小，对混合气体的温度降低及持久气体压力的建立不利；如果膨胀室容积较大，在热膨胀室与电弧自身的能量实施热交换时，对较高压力的建立及熄弧不利，所以，热膨胀室存在最优的容积值。通过对比分析40.5kV、126kV等具有成熟结构的自能式灭弧室，并以定型产品试验的结果及国外研究经验数据为依据，笔者对断路器热膨胀室的容积进行确定，在该增容的设计中，热膨胀室较既有灭弧室给予了修正，其容积约为原有容积的1.4倍。

1.2 静弧触头与喷口喉部的选择

在动触头和静触头还没有完全脱离时，喷口基本处于闭合状态，灭弧室内的外界气体、膨胀室的气体、动弧触头内部气体等仍为单独孤立的系统，相互之间不存在任何能量和质量交换。当动弧触头与静弧触头完全脱离，直至静弧触头将要从喷口喉部拉出时，静触头在喷口的最小截面处，因触头分开有电弧产生，然而喷口没有被打开，膨胀室内不断有电弧能量输入进来，压力升高，同时加热膨胀室内的气体温度随之升高，膨胀室的压力得以建立。

喷口中的气流场物理性质受喷口喉部的直径大小影响较大，从而影响喷口的开断能力。通常流量连续时，气吹断路器的喷口喉部的单位截面保持最大流量，因此该结构气流具有较好的散热效果。熄弧过程受通过喷口喉部的气流吹弧影响较大，而弧后介质的恢复过程对喷口喉部后的超临界气流产生具有重要作用。因此，对于断路器的分断中气流场的变化，喷口喉部直径的选择尤为重要。

1.3 压力特性的分析

针对本灭弧室，当触头的行程在47mm以下时，压力值及温度均无明显变化，这时因喷口形成堵塞，气体质量没有流失。但是动触头和静触头分断时，电弧能量的产生导致膨胀室内气体压力和温度迅速上升至最大值。在短路中电流第一个半波结束后，压力下降比较明显，此时打开电弧喷口，开始出现气体质量流失，压气缸温度呈缓慢上升趋势。短路电流过零后，压力上升速度加快，温度持续增加。当第二个半波出现时，它会延长电弧的未堵塞期，增加气体的流失率，降低气体质量。第一周波过零点时，压力处于一定水平，电弧熄灭。过零后，因喷口打开泄漏大量的气体，压力在灭弧以后的瞬间陡然降低，减小气体质量的流失率。

2 252kV自能式灭弧室优化

2.1 灭弧室断口电场计算及优化

分析计算高压断路器的灭弧室电场不仅是设计断路器的重要环节，同时也是不断提高断路器的开断容量、小型化灭弧室结构的基础。本文通过QUICKFIELD电场分析软件及有限元法的应用，对252kV自能式断路器电场分布进行计算，优化调整弧触头及动主触头形状。针对断路器灭弧室优化后的大电流开断能力，人们应对分闸位置电场分布以及触头各个部位电场的强度值进行分析，该值应比优化前的断路器触头各部位电场强度值及工程许用值小，从而保证灭弧室具有大电流开断能力。

在开断速度优化措施实施后，计算对比分析优化前后，断路器触头分离10ms内每个时刻位置关键部位电场的强度值。提高开断速度，改善弧触头周围气体密度，触头间距增大，断开电场得到改善。以容性电流的LC1、LC2开合要求，在实现断路器速度特性调整后，触头分离后的10ms内每个时刻位置的触头表面场强，比优化之前已经具备C1级容性电流开合能力的断路器各相应部位场强值小，确保触头刚分离时断口间极低的重击穿概率。

2.2 灭弧室气流通道优化

开断过程中，热气流沿着两个方向从喷口喷出。静触头与动触头支撑座气腔就是对这些热气进行接纳与疏导。灭弧室绝缘强度在气体冷却以后又重新恢复，所排气体容量及能力的增加同短路电流平方之间为正比例关系，所以50kA灭弧室气流通道的截面积是40kA灭弧室截面积的1.6倍。该断路器在短路电流的开断过程中，热击穿现象时有发生，其中灭弧室内温度过高是造成介质绝缘性能降低的主要原因，需要将断口间电弧导致SF6气密度降低的热气迅速排出，不断加强弧后开断位置气体的冷却。因此，需要优化上下游的气流通道，通道散热面积需要相应增加，主要措施有扩大钢拉杆钢管的内孔、增大上下支撑座的开孔等。

3 优化后自能式灭弧室试验验证

采用以上措施对断路器进行设计优化及计算分析后，人们可以在研制开发断路器中运用该结果，并在国家级的高压电器试验室内，按照相关国家标准要求及规定进行型式试验验证。这样不仅对上述优化设计及分析计算的可行性进行了验证，同时也获取了诸多宝贵的数据资料。

断路器每次开断过程中触头磨损状况的积累是决定断路器寿命的重要因素，从16次、40kA，提高至20次、50kA，主要缘于介质状况的改善和开断速度的提高。开断速度的提高，缩短了弧触头与喷口喉部之间脱离的时间，继而缩短了燃弧时间，降低了触头的燃烧程度，试验结果也验证了上述观点。

通过电寿命烧损实际情况分析，笔者发现，上、下弧触头的烧损状况较为严重，端头长度缩短，且变得粗糙，弧触头间电弧的燃烧是造成这种现象的主要原因；喷口喉部出现严重烧损；主触头的接触状况良好，没有发现烧伤状况。试验完成后，分析易损部件烧损量，这样可以为研究燃弧时间及烧损量提供经验数据。

4 结语

本文通过研究断口绝缘结构的优化、热膨胀效应的增强和介质状况的改善等，应用各种改进的设计手段，优化了灭弧室结构，提高了产品技术参数和性能。断路器额定短路开断电流由40kA升高至50kA；LC1、LC2容性电流的开合能力达到C2级；电寿命由16次、40kA升高至20次、50kA；首开系数由1.3升高至1.5。

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