高压交流六氟化硫断路器开断近区故障的探讨

2018-08-30，

电气开关 2018年1期

，

(西安西电高压开关有限责任公司，陕西西安 710000)

1 引言

高压断路器是电力系统中重要的开关设备，担负着控制和保护电路的任务[1]。目前，应用最为广泛的断路器是以六氟化硫气体作为绝缘和灭弧介质的高压交流六氟化硫断路器。

高压交流六氟化硫断路器作为输变电线路的控制和保护的设备，必须具备开断故障电流的能力，开断近区故障电流是其最重要的能力之一。近区故障(简称SLF)指的是发生在距离断路器几百米至几千米的短路，特点是断路器电流大，瞬态恢复电压(简称TRV)上升率很高，对于高压交流六氟化硫断路器，对瞬态恢复电压起始上升率比较敏感。

根据GB1984-2014《高压交流断路器》规定，直接和架空线连接的、额定电压72.5kV及以上，额定开断断路电流大于12.5kA的三极断路器开断近区故障试验为强制性试验，试验时额定短路开断电流应为额定开断电流的75%和90%。近区故障由于TRV的初始部分上升率高，虽然幅值不高，但是上升率很高，电弧往往难以成功熄灭。近区故障往往比开断出线端故障对断路器性能要求更高[2]。

近区故障是否成功开断，不仅与试验回路参数有关，更重要的是与断路器自身性能有关，比如气压、速度等。以下就126kV高压交流六氟化硫断路器近区故障试验L90为例，简要介绍了样机自身在不同速度、气压、线路侧是否增加时延对断路器开断性能的影响作分析和研究。

2 试验故障试验影响因素

2.1 平均分闸速度对开断性能的影响

试验前两次产品的零部件一致，装配方式一致，但机械特性中平均分闸速度不一样，试验前的空载特性曲线对比如图1所示，试验时开断波形图对比如图2所示。

从图1看出，两次产品的灭弧室、接触行程行程一样，但平均分闸速度不一样，1号产品的速度明显高于2号产品的速度。从图2看出，在短燃弧时间13ms点时，1号产品开断成功，但2号产品热击穿，开断失败。

图1 空载特性对比曲线

图2 开断波形对比图

从中可以看出，对于采用压气式灭弧原理的断路器，平均分闸速度直接影响到电流过零后弧触头间六氟化硫绝缘介质强度恢复的速度。2号产品显示的平均分闸速度较低，触头间的介质强度恢复速度小于恢复电压，造成电弧重燃，开断失败。因此，为防止断口间电弧重燃及缩短燃弧时间，必须要有较高的平均分闸速度，但如果平均分闸速度太高，可能会导致待长燃弧时间开断时，动触头会很快到达行程终点，使得电流过零后的喷口吹弧能力降低，影响气吹效果，无法建立有效绝缘，容易造成重燃。所以针对不同的灭弧室结构及性能，兼顾长燃弧开断时间和断路器灭弧室总行程，合适地选择平均分闸速度。

2.2 气体压力对开断性能的影响

试验前两次产品的零部件一致，装配方式一致，但充入气室的气压不一样，试验前的空载特性曲线对比如图3所示，试验时开断波形图对比如图4所示。

提升灭弧室SF6气压后，从试验前的空载特性曲线图3看出，机械特性方面，将SF6气压从0.40MPa提高到0.50MPa后,空载时平均分闸速度由5.7m/s降低到5.65m/s，对产品的平均分闸速度有一定的影响，但是影响非常小。

图3 空载特性对比曲线

图4 开断波形对比图

从开断波形对比图4可以看出，提升灭弧室SF6气压对断路器的开断性能影响较大，从同一个燃弧时间上，1号产品开断失败，2号产品成功开断。

六氟化硫气体的介电强度很高且随压力的增高而增长，气体间隙的击穿电压随着六氟化硫气体压力的增大而提高，在断路器开断过程中，气体压力的提高有力的支持了断口间的电压恢复。在电流过零后，弧隙的介质强度恢复快，有利于熄弧，气压的升高，加快了从喷口气吹的六氟化硫气体对电弧的冷却，气体迅速填充断口间隙，以加快电流过零后断口的介质恢复速度，因此，灭弧室内部气压的升高，对灭弧室开断性能的影响非常大，尤其是对恢复电压上升率很敏感的六氟化硫断路器。

2.3 增加时延对开断性能的影响

两次试验前样机装配方案、充气压力以及空载机械特性一致，1号产品未加时延，2号产品试验时，线路侧增加时延tdL=0.5μs。

从开断波形图图5明显看出，同一燃弧时间13ms，线路侧增加时延断路器开断成功。增加时延对恢复电压TRV的锯齿波上升率影响较大，上升到电压U1阶段的时间延后(见图6)。近区故障试验，对暂态恢复电压初始状况很敏感,因而系统的故障电流与恢复电压上升率非常重要。断路器在开断近区故障时,上升速率极高的瞬态恢复电压，在断路器在断电流过零点后的数微秒内，断口间的介质强度恢复的又比较缓慢，因此断路器开断SLF时容易产生热击穿[3]。为了解决这个问题,增加并联电容是很有效的办法之一，即增加线路侧时延，以减缓瞬态恢复电压的上升率，即减缓第一个三角波的上升率。三角波的起始部分受断路器附加电容的影响而有所缓和，使三角波的初始部分有个时延，在电流过零后断口的介质恢复速度大于瞬态电压的上升速度，从而保证电流开断成功。因此，在断路器加装电容可有效的提高开断SLF的能力。所以，增加线路侧时延，对断路器的开断性能影响很大。