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真空间隙与CO2气体间隙串联的混合断路器静态特性仿真与试验研究

时间:2018-01-18 18:23来源:www.e-lunwen.com 作者:lgg 点击:
本文是电气工程论文,本文旨在研究适合混合断路器的布置方式以及 CO2的绝缘和灭弧特性,为混合断路器的研究和CO2气体特性的研究提供理论参考和试验经验。
1 绪论
 
1.1 课题研究背景和意义
能源是驱动国家经济发展的动力,能源在国家的发展中起着不可或缺的作用。其中,电力是应用最为广泛且最为方便的直接能源,用电量的多少标志了国家工业的发展水平。随着我国经济技术的快速发展,同时电力行业作为社会发展的支柱行业,正迅猛发展,社会对电能的需要也日益增加。我国能源分布和能源需求并不平衡,如何合理配置能源成为我国能源发展的重要课题。建设高压和特高压输电线路可以降低能源的运输成本,提高能源的利用效率,对我国合理分配能源具有重要的意义。电网对电力的输送是能源配置中的中心环节,大力发展输变电相关技术和设备尤为重要。目前我国的特高压输电线路电压的等级交流特高压线路已达到 1100kV,特高压直流线路电压等级已经达到 800kV,我国在特高压输电技术方面发展迅速已走在了世界的前列。随着特高压输电技术的发展,电网的容量越来越大,输电距离不断增长,电网调控越来越复杂。相应的电力设备,例如:高压断路器、隔离开关、气体绝缘开关柜等必须跟得上电力系统的发展才能保证电力系统的安全可靠运行、保证用户的用电质量、保证国家经济的健康发展。在电网的运行过程中难免会出现一些故障情况,此时需要迅速切除故障来保证电网的安全运行防止带来更为重大的损失。断路器作为电力系统“卫士”,承担了开断短路电流、及时切断故障的责任,是电力系统中最为重要的开关设备。电网的发展与特高压输电线路的建设也对断路器性能提出了更高的技术要求。长期以来,应用在电力系统行业的断路器主要有气体断路器和真空断路器,其中,气体断路器几乎全部为 SF6气体断路器。现今 252kV 电压等级及以上和部分 126kV 电压等级的断路器均为 SF6气体断路器。SF6气体断路器是至今使用数量最多、性能最优良、综合效益最好的断路器,其原因是 SF6气体优异的电气性能。SF6气体是一种人工合成的电负性气体,具有良好的电气性能,其绝缘性能和灭弧性能均十分优良,在同一气体压力下其绝缘强度是氮气的 2.5 倍、空气的 3 倍,灭弧性能高达空气的 100 倍以上。SF6气体在电力行业应用十分广泛。据统计,SF6气体在电力行业的使用量占其总产量的 80%以上,SF6气体被广泛应用于高压断路器、气体绝缘开关柜、充气式输电线等设备。然而在随后的研究中发现 SF6气体是一种具有严重温室效应的气体,其温室效应潜能值GWP(global warming potential)高达 CO2的 23 900 倍,且其化学性质十分稳定可在大气中存在 3200 年, SF6气体的温室效应较之 CO2更为长久与严重。电力行业在使用 SF6气体的同时,由于泄漏、回收处理不当等原因不可避免的伴随着SF6气体的排放。《京都议定书》中将 SF6气体列为需全球限制使用的六种温室效应气体之一,并提出 2020 年基本限制 SF6气体使用,因此寻找一种可替代 SF6气体的气体介质的需求迫切[1-2]。一方面在 126 kV 及其以上的高压开关领域 SF6气体断路器一家独大,另一方面随着电力系统电压等级的不断提高对大容量断路器的需求也日益迫切。随着人们环境保护意义的增强,限制温室气体的使用及排放慢慢的成为了人们的共识。同时,SF6气体在低温时易液化的性质也限制了 SF6开关设备在严寒地区的使用。因此寻求一种可替代 SF6气体的介质成为当下研究的热点,但目前为止尚未找到一种可在灭弧能力、环境保护、安全使用、经济效益等方面均能媲美 SF6气体的气体介质[3-6]。
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1.2 SF6替代气体的研究现状
由于SF6气体是具有严重温室效应的气体且已被限制使用,寻找一种替代气体引起了国内外相关专家学者的极大关注,研究可替代SF6气体的介质成为最近几年的热点问题。国内外同行专家已对此进行了大量的研究,但目前尚未找到在绝缘能力、灭弧能力、环境保护、经济效益等方面均能媲美SF6气体的气体介质。目前,关于SF6替代气体的绝缘特性研究主要集中在三个方面,分别是针对和SF6分子一样含有F原子的电负性气体电气特性研究[20-21];SF6气体与其他气体组成的混合气体电气特性研究[20-21];常见的干燥空气、N2、CO2等气体的电气特性研究[23-25]。在电负性气体方面,SF6气体之所以具有良好的电气特性是由其分子结构决定的,SF6气体是一种强电负性气体。通常电负性气体的电气特性都较好,目前对电负性气体研究主要集中在三氟碘甲烷(CF3I)、八氟环丁烷(c-C4F8)、全氟丙烷(C3F8)、六氟乙烷(C2F6)等气体[26-32],认为其具有替代SF6气体的可能性。其中,日本东京电机大学研究得出相同条件下CF3I气体的耐电性能是SF6气体的1.2倍,CF3I-N2(60%-40%)混合气体的伏秒特性近似与SF6气体相同[33];CF3I-CO2(30%-70%)混合气体开断性能是SF6的0.67倍[34-34]。c-C4F8气体无毒、无臭氧影响在低能范围内有很高的附着截面,纯净的c-C4F8气体在均匀电场下的绝缘强度是SF6气体的1.18-1.25倍左右[36-38]。对C3F8/N2、C2F6/N2混合气体的绝缘特性也已进行了一些研究[39-40]。然而上述气体最终因存在温室效应、介电强度不足、需要增大气压、更加容易液化、需进行绝缘涂层保护灭弧室和经济性差等一种或多种原因,目前为止尚未能作为SF6替代品投入实用。
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2 混合断路器电场仿真分析
 
CO2气体绝缘能力相较于其灭弧能力较好,其绝缘能力可以满足混合断路器的静态耐压要求。混合断路器中通常以气体间隙的电压等级作为混合断路器的电压等级,真空间隙电压等级较低,应由气体间隙承担大部分电压,但由于杂散电容的影响两个间隙的分压并不均匀。本章搭建了几种不同布置方式的混合断路器模型,通过电场仿真分析得到不同布置方式的混合断路器电场分布,获得最适合混合断路器的布置方式。由于混合断路器的仿真是一个开放边界问题,其计算区域较大,本章拟利用子模型技术解决计算精度与计算所需容量矛盾的问题。
 
2.1 电场数值分析研究现状与仿真原理
 
2.1.1 电场数值分析研究现状
电场分布研究主要有试验测量和仿真计算两种方法。高压试验均具有一定的破坏性和危险性且费事费力。通常高压试验成本较高且测量探头的引入本身就会使电场产生畸变使得测量结果具有一定误差。随着电力行业的发展,对电器设备的性能也提出了更高的要求。仅依靠试验方法进行电器设备的设计已经不能满足电力行业的需要。随着数值模拟技术与电磁场仿真软件的发展,电场仿真计算应用日益广泛。电场仿真计算较试验测量成本低且效率更高,电场仿真在产品设计与优化方面更具优势。目前,有限元法求解电磁场问题在电气设备设计领域应用十分广泛,比如:电机的静磁场、瞬态磁场计算、变压器的设计、高压开关设备的内部电场仿真等。已有大量单位和个人将电磁场数值分析应用到电器设备辅助设计上来。同时随着数值仿真技术的发展,各种可进行电磁场数值仿真的商用软件也得到了普及,譬如 ANSYS、ANSOFT、COMSOL 等。在对电场的仿真分析方面,目前已有大量文献运用电场仿真计算进行电器产品的设计与优化。文献[54]运用数值模拟的方法研究了 70.5kV 真空灭弧室的电场分布;文献[55]应用仿真计算的方法对 40.5kV 真空断路器绝缘结构进行了优化设计;文献[56]应用 ANSYS 软件对高压 SF6断路器灭弧室进行了优化设计。电场仿真分析的研究主要分为 3 个方面:静电场、传导电流场、瞬态电场。静电场主要是研究绝缘体的电场分布;传导电流场主要是研究良导体的电场分布;瞬态电场是用来模拟快速变化的电压产生的影响。在高压开关领域,对静电场问题研究最多,大多数的电器设备设计与优化只需要考虑静电场问题。目前,对电场的仿真不再局限于二维模型,更多的是对三维模型进行分析。三维电场仿真计算较二维电场仿真更为精确,对问题的研究更加全面,对研究对象的考虑更加整体。但同时三维电场分析由于模型计算区域增加较多,对计算机的性能就有更高的要求。对于结构复杂的大型三维电场,由于计算机容量的限制不能顺利求解或只能剖分质量较差的网格进行求解,这就影响了仿真分析的精度和实用性。特别是对于一些开域问题,由于求解的电场是无限边界的,需要模拟一个无限边界;此时求解的计算区域就十分巨大,需要大容量的计算机来满足计算要求。如何平衡计算区域大小与计算精度显得尤为重要。
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2.2 混合断路器的电场仿真计算
由于 ANSYS 软件本身的建模功能使用起来较为繁琐,所以首先利用Solidworks 软件搭建了间隙模型与整体模型,将模型搭建完成后再倒入 ANSYS软件中进行电场仿真分析。所搭建的真空间隙模型和气体间隙模型剖面图分别如图 2.1 和图 2.2 所示。由于混合断路器内部结构较为复杂,操纵机构、真空灭弧室中的波纹管以及各种小零件等对电场仿真计算结果影响甚微。因此建模时对模型进行了适当简化,省略了这些建模较为困难且对计算结果影响甚微的部件。混合断路器中,动触头、屏蔽罩、静触头、操纵机构箱的材料均为金属,外壳的材料为瓷,绝缘筒的材料为环氧树脂,动触头、静触头、动弧触头、静弧触头、支座的材料均为金属,喷口的材料为聚四氟乙烯。各材料的介电常数如表 2.1 所示,按照表中数据定义材料参数。将搭建好的真空间隙与气体间隙串联起来组成混合断路器,并在现有串联断路器的基础上搭建了“L”型、竖直型、45°斜角型三种布置方式模型。其中“L”型与竖直型两种布置方式又分为真空间隙在上与气体间隙在上,共搭建了 5 种模型。支撑瓷柱在模型下方,长度为 560mm。实际情况中断路器和地面之间还有操纵机构等一些部件,断路器模型距离地面 800mm。混合断路器中有良导体和绝缘体两种材料,其中瓷、环氧树脂、瓷套、CO2气体等均为绝缘体,触头、屏蔽罩等金属材料为良导体,混合断路器模型应基于静电场原理进行分析求解。本文运用 Ansys wokbench 软件对混合断路器进行电场分析求解。
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3 CO2气体气流场仿真分析.......... 19
3.1 计算模型 ...........19
3.2 气流场仿真数学模型 .........20
3.2.1 仿真数学模型 ......... 20
3.2.2 动网格技术 .... 23
3.2.3 边界条件加载 ......... 24
3.3 气流场仿真结果 ........25
3.3.1 不同喉部长度气流场仿真结果与分析...... 25
3.3.2 不同气缸半径气流场仿真结果与分析...... 30
3.4 本章小结 ...........34
4 CO2气体介质恢复试验平台搭建....... 36
4.1 试验电路原理设计 ....36
4.2 电流源回路设计及参数计算 ......37
4.3 触发电路与其他电路 .........41
4.4 本章小结 ...........45
5 CO2气体绝缘试验结果与讨论........... 46
5.1 耐压试验 ...........46
5.2 固有介质恢复特性试验 .....51
5.3 本章小结 ...........56
 
5 CO2气体绝缘试验结果与讨论
 
试验所用试品为LW型12kV SF6气体断路器,耐压试验设备为高电压试验室的工频试验和雷电冲击试验设备,首先对CO2气体进行不同间隙距离、不同气压下的工频耐压和雷电冲击耐压试验,然后对不同间隙距离、不同气压下的CO2气体的固有介质恢复强度进行了试验。从绝缘特性以及弧后介质恢复强度两个方面研究CO2的固有电气特性,比较有无气吹作用下的CO2气体介质恢复强度,研究其作为灭弧介质的可行性。
 
5.1 耐压试验
为研究 CO2气体的绝缘特性,将 CO2气体充入现有 SF6气体断路器中,电极形状为棒环结构,表面材料为钨铜,电极表面较为光滑,棒半径为 2.5cm,环状结构外径为 3.5cm,内径为 2.5cm。CO2气体充气压力为 0.2MPa-1.0MPa,CO2体积分数为 99.9%,电极形状如图 5.1 所示。工频耐压试验电路如图 5.2 所示,T1 为调压器,T2 为试验变压器, R1 为保护电阻,C1 和 C2 为 1000:1 的分压器高压臂和低压臂,测量电压信号从 C2取得,S 为试品。以大约 2kV/s 的速度匀速升压直至气体间隙击穿,重复试验 10次,每次试验间隔 1min,取 10 次试验结果值的平均值作为该情况下的工频击穿电压。雷电冲击耐压试验电路如图5.3所示,G0和G2为球隙,C0和C1为充电电容,容值为0.1uF,,波头电阻R1为550Ω,波尾电阻R2为1400Ω,波头时间为1.2μs,波尾时间为50μs,改变二极管的极性即可改变雷电冲击电压的极性。雷电冲击电压波形用示波器测量,电容C2接有一个1000:1的电容分压器,电压测量信号由分压器接同轴电缆与示波器连接,通过示波器显示雷电冲击电压波形确定是否击穿。试验开始后,先对电容C0和电容C1充电,充电电压应小于球隙的自击穿电压。然后通过触发的方式使G0击穿,随后球隙G2击穿,电容C0和电容C1变为串联对电容C2放电,雷电冲击电压峰值为电容C0充电电压值的两倍。调节球隙的距离即可调节雷电冲击电压峰值。图5.4是未击穿波形,图5.5为波头击穿波形,图5.6为波后击穿波形。
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总结
 
本文以真空间隙与 CO2气体间隙串联的混合断路器静态特性为研究对象,针对 CO2气体绝缘性能尚可而灭弧性能较差的问题从混合断路器的布置方式、CO2气体的气流场特性、CO2气体的绝缘特性与介质恢复特性三个方面进行仿真分析和试验研究,对混合断路器的结构设计提供建议与参考。具体结论如下:
1) 搭建了不同布置方式的真空间隙与 CO2气体间隙串联的混合断路器模型,并对其进行电场仿真分析,并利用子模型技术解决了计算精度和计算容量的矛盾,仿真结果表明 45°斜角型布置方式最符合混合断路器的要求。
2) 对不同喷口喉部长度和不同气缸半径的 CO2灭弧室内气流场进行仿真分析,得到了不同喷口结构对 CO2气体流速的影响。仿真结果表明:在喉部长度为 20mm、30mm、40mm 的情况中喉部长度为 40mm 时灭弧室喉部气体流速处于较高值的时间较长;随着气缸半径的增大灭弧室喉部气体流速逐渐升高。
3) 搭建了用于介质恢复试验的介质恢复试验平台,从电路原理、参数计算、仿真分析、实物搭建等方面介绍了介质恢复试验平台的搭建过程。所搭建的电流源可产生最大值为 2kA 的工频电流,触发电路可产生上升率为 1kV/us、幅值为 22kV 的高压脉冲,控制电路以及测量电路均能满足试验要求。
4) 对不同气压、不同间隙距离的 CO2气体进行了工频耐压试验和固有介质恢复试验研究。CO2气体在气压为 0.2MPa、间隙距离为 2mm 时工频击穿电压为14.2kV,正负极性雷电冲击电压均为 35kV 左右,在气压增大到 1.0MPa、间隙距离增大到 6mm 时工频击穿电压为 69kV,正负极性雷电冲击电压均为 125kV左右; CO2气体的固有介质恢复速度很慢,其在弧后 1ms 内几乎无恢复。气压为 0.6MPa、间隙距离为 4mm 的 CO2气体固有介质恢复强度在弧后 10ms 时只有22kV。仅提高气压对 CO2气体的介质恢复速度增益有限,可通过增加气吹作用提高其介质恢复速度。
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参考文献(略)
(责任编辑:工程论文)
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