紧凑型550 kV单断口气体断路器（GCB）的研发

路继伟　刘锋　段阿利　李亚辉

摘 要：550 kV-63 kA（50 Hz）单断口气体断路器是一种新研发的电气设备，跟双断品相比，新研发的断路器驱动能量少，结构简单且紧凑。其灭弧室采用复合压气原理，传动系统无连杆传递，运动系统简单。另外，这种断路器采用一体化的集成液压机构，整个集成液压系统内置油路，外部没有油管。因此，本文主要分析了这种新型断路器的结构特征及其研发过程的技术运用。

关键词：GCB;单断口;灭弧室;复合压气原理

中图分类号：F127文献标识码：A文章编号：1003-5168（2021）06-0063-03

The Development of Compact 550 kV Single-break Gas

Circuit Breaker （GCB）

LU Jiwei1LIU Feng1DUAN Ali1LI Yahui2

（1. Henan Pingzhi High Voltage Switchgear Co.， Ltd.，Pingdingshan Henan 467013;

2. Pinggao Group Co.， Ltd.，Pingdingshan Henan 467000）

Abstract： The 550 kV-63 kA （50 Hz） single-break GCB is a newly developed electrical equipment， compared with double-break products， the newly developed circuit breaker has less driving energy， simple and compact structure. The arc extinguishing chamber adopts the principle of compound compression， the transmission system has no connecting rod transmission， and the movement system is simple. In addition， this circuit breaker adopts an integrated integrated hydraulic mechanism， the entire integrated hydraulic system has a built-in oil circuit， and there is no external oil pipe. Therefore， this paper mainly analyzed the structural characteristics of this new type of circuit breaker and its technical application in the development process.

Keywords： GCB;single fracture;arc extinguishing chamber;principle of compound compression

近年来，我国电力需求快速增长，电力系统随之不断扩充和改造。在这种情况下，有必要研发更紧凑的开关设备。开关是变电站的核心设备之一，要求容量大、可靠性高、可维护性好[1-2]。从环保角度看，为了减少SF6气体的消耗量，基本对策就是缩小電站设备的体积。为满足不断提出的新要求，笔者研发了一种新型的550 kV-63 kA（50 Hz）单断口气体断路器（GCB）。同现有的双断口结构相比，新研发的断路器结构更紧凑、更简单，所需驱动能量也更少。

20多年来，复合压气原理广泛应用于72～1 100 kV的断路器灭弧室结构中。新研发的灭弧室是以复合压气原理为基础改进的。这种灭弧室采用了复合自熄弧技术：除了选择合适的喷口尺寸和压气腔尺寸外，还吸收电弧能量来提高气吹压力。本文重点介绍紧凑型GCB结构的特点和研发过程中的技术应用。

1 新研发的单断口气体断路器概述

基于国际电工委员会（IEC）标准及中国国家标准（GB）而新研发单断口气体断路器（GCB）的额定参数如表1所示。

在用型号GCB（双断口GCB和单断口GCB）与新型单断口GCB的性能比较如表2所示。新型GCB采用单向传动机构，可动侧触头直接与操作机构相连，因此操作机构的速度必然要大于在用型号的单断口GCB（双向运动传动机构），所需驱动能量却大幅度减少。

2 新型灭弧室

就灭弧室而言，小电容电流的开断能力、近区故障及端子短路故障（强电流）的开断能力是考虑的重点。小电容电流的开断能力基本上取决于断口间的绝缘性能;而对于强电流开断，SF6气流对电弧的有效冷却是重要影响因素。在确保两者保持良好平衡的情况下，有必要使其能力都达到最佳状态。

2.1 小电容电流开断能力

决定绝缘性能的关键因素是电场及弧触头顶端的压力。弧触头顶端需要较低的电场强度，但是也需要与主触头电场保持协调。弧触头顶端的电场值是有限制的，必须大于主触头的电场值，使得任何场合开断过程中主触头侧都不发生重燃电弧现象。另外，气流会引起静触头顶端区域的压力降低，要防止这种现象的发生。如果压力下降严重，就会发生电弧重燃现象，其沿着喷口表面从静弧触头顶端开始延伸，直到遭遇高电压（小电容电流开断）。因为喷口形状决定了气流条件，所以选择合适的喷口轮廓很重要。

为了给550 kV灭弧室选择合适的喷口形状，笔者针对预先备好的几个喷口方案，在触头分闸运动过程中测量了静弧触头顶端的压力。灭弧室结构如图1所示，压力测量点紧靠电场强度最强处。下面结合测量实例进行分析，其静弧触头顶端的压力测量曲线如图2所示，图2同时显示了压气缸内部压力和触头开断行程等参数。

图2中，触头开断行程初期，静弧触头顶端压力（[Pfc]）持续增加，类似于压气缸内部压力（[Pcy1]）的增加趋势。随着触头分离运动行程的增加和喷口内部气流速度的加快，压力开始从[Pm1]降至第一个最低值[P11]。然后，如果喷口内壁与静弧触头之间空间变得更大，压力测量点的气流将达到超音速，使得压力降至第二个最低值[P12]。接下来，受静弧触头前端产生的冲击波影响，压力又升至[Pm3]。静弧触头顶端压力（[Pfc]）达到[P11]所需的时间是：触头分开后大约10 ms。当[Pfc]对小电容电流开断产生影响时，[P11]将达到GCB充气压力的1.34倍，这表明GCB的特性正是所期望的。

小电容电流开断不仅仅发生在新触头（灭弧腔内）的场合，也会发生在GCB触头因开断故障电流而不断烧损的阶段。在60%额定开断电流条件下，依照《高压开关设备和控制设备标准的共用技术要求》（GB/T 11022—2010），本研究在规定的电压下进行了三个燃弧时间的开断试验（短燃弧、长燃弧和中燃弧）。为了保证不重击穿，不仅要控制电场及压力，还要把喷口（燃弧导致）碳化程度降至最低。新开发的灭弧室添加一定比例填料的聚四氟乙烯（PTFE）作为喷口材料，完成了规定次数的550 kV线路充电电流开断试验。试验表明，本研究实现了所有燃弧区间内的无重击穿，最短的燃弧区间（0.3 ms）也是如此。

2.2 SLF（近区故障）开断能力

在电流过零时，电弧的气吹压力严重影响近区故障的开断能力。按照63 kA-50 Hz 90% SLF条件，对压气缸喷嘴部分的压力上升进行计算，并对压气缸的局部计算区域稍做调整。经过反复计算，本文得到电流过零时的压力升高值，如图3所示，压力增量用[ΔP]表示，基于空载开断，经验证，计算结果和实际测量结果是吻合的[3]。

SLF（近区故障）开断所必需的压力升高也在图3中表示出来，是从50 Hz GIS用的550 kV-63 kA型GCB得到的。本研究使用新研发的GCB，在11.4～20.9 ms燃弧区间证实了同样成功的试验结果。

2.3 BTF（端子短路）开断能力

为了使静弧触头的压力尽量不要降低，要稍微延迟打开喷口的时间。不过，延迟打开喷口有可能会延长最短燃弧时间，所以人们应该高度关注喷口尺寸，不能让最短燃弧时间变得太长。根据100%对称电流（T100s）开断试验结果和100%非对称电流（T100a）开断试验结果，新研发GCB的最短开断燃弧时间并不比550 kV-GCB长。

2.4 减少驱动能量

GCB驱动能量包括运动部件动能的总和、压气腔气体的压缩能量以及诸如摩擦等引起的能量损耗[4-5]。新旧两款单断口断路器驱动能量的比较结果如图4所示。压气缸直径被减小，这是因为电弧能量吸收有效地提高了压气腔内的压力，同时减少了用来压缩气体的能量。另外，压气缸直径的减小有助于运动部件轻量化，从而减小其动能。

3 结论

本研究已经成功开发了结构简单而又紧凑的550 kV-63 kA单断口GCB。滅弧室是在现有复合压气原理基础上进一步改进而得的。其降低了驱动能量需求，使得采用简单的单向运动机构成为可能。另外，这种新型断路器采用一体化的液压操作机构，模块化的组件单元被集成在一起，外部无配管。

参考文献：

[1]SUZUKI K，TODA H，AOYAGI A，et al.Developing of 550 kV 1-break GCB（Part I） - Investigation of interrupting chamber performance[J].IEEE Transactions on Power Delivery，2002（3）：1184-1191.

[2]TODA H，KOBAYASHI A，TAKAGI H，et al.Development of 550 kV 1-Break GCB （Part II） - Development of Prototype[J].IEEE Transactions on Power Delivery PWRD，1993（8）：1192-1198.

[3]TOYODA M，MIZOGUCHI H，HIGASHI S，et al.Development of Single Break 420 kV GCB[J].Ieej Transactions on Power & Energy，2004（4）：500-505.

[4]MORI T，MIZOGUCHI H，KATO N，et al.Investigation of Two Types of Interrupting Chamber with Low Drive Energy and Development of 245 kV GCB[J].IEEE Transactions on Power Delivery，2004（1）：158-167.

[5]朴文泉.高压SF6断路器三维MHD电弧特性研究[D].沈阳：沈阳工业大学，2011：26-27.