LW36-126型热膨胀式断路器设计和结构的探讨

摘要:本文主要是对热膨胀式SF6断路器的灭弧机理和结构方式进行了讨论,即对热膨胀室的压力、温度变化进行了计算,并对研制的新型LW36-126型自能式SF6断路器的具体结构做了分析,论述了自能式SF6断路器的可靠性.
  关键词:热膨胀;灭弧机理;自能式SF6断路器
1  引言
  西安高压电器研究所(简称西高所)对自能灭弧技术的研究始于八十年代中期,当时主要在中压产品上进行了旋弧加热膨胀灭弧室的研究,并成功开发了LN2-10和LN2-35系列的SF6断路器.九十年代初期,ABB、AEG、GEC-ALSTOM、西门子等公司相继在110 kV等级开发了热膨胀自能灭弧技术,并先后推出了LTB D1型、SI型、FXT型、3AP1-FG型等系列的热膨胀式断路器.我国的断路器制造及科研部门在九十年代中后期开始了126 kV自能式断路器的研制工作,并逐渐形成了以压气加热膨胀增压灭弧和热膨胀加辅助压气灭弧两种形式为典型结构的SF6断路器.
  压气加热膨胀增压的灭弧原理基本承袭了压气式原理,其结构特点是压气活塞直径比传统的压气式要小一些,使用短喷口,并配以相应偏低的速度特性.其灭弧原理是:在大电流阶段电流堵塞喷口,被电弧加热的气体反流入压气缸中,使气缸中压力增高,当电弧电流变小,弧区压力下降,喷口开放时,压气缸中的高压气体吹向电弧,使之熄灭.这种灭弧室结构相对简单,在一定程度上利用了电弧能量.它主要靠减小压气活塞直径来达到降低操作功的目的,从灭弧原理上讲是压气式的一种衍生.
  热膨胀加辅助压气灭弧原理为灭弧结构中多设了一个热膨胀室,但操动机构需克服的压气反力不随电流大小而变,是一个较小的值,故所需的操作功相对较小,有利于向更高电压等级(252 kV级)发展(灭弧原理见图1).

这种灭弧结构以LW36-126/T3150-40产品中的灭弧室为典型结构.本文主要针对该结构及灭弧方式做进一步的阐述.
2 关于热膨胀式断路器的灭弧机理
2.1热膨胀室压力的建立过程
在1993~1996年开发的“SF6断路器计算软件及试验验证”课题的基础上,针对自能灭弧结构,修改了开断过程的相关假定条件及计算机模拟程序,计算了灭弧室的压力、温度.
图2分别给出了电流i=30kA,燃弧时间为11 ms和21 ms(电流过零)时热膨胀室(图1中项10)内的压力(标么值)

从图2可以看出,电流过零时,热膨胀室依然建立有较高的压力.
2.2热膨胀室的温度变化
  关于热膨胀室的温度变化,通过计算,图3分别给出了电流i=30kA,燃弧时间为16ms (i峰值)和1ms(i过零)时热膨胀室内的温度.从图3可以看出,在整个燃弧阶段,热膨胀室内的温度是不高的.
2.1和2.2的计算结果表明,热膨胀室在燃弧阶段建立了压力.当电流过零时,热膨胀室内由于热传递的滞后性,仍维持有较高的压力,其温度却不是很高,这样在热膨胀室内便形成了低温高压气体,这股气体反吹回喷口,从而熄灭电弧.
2.3断路器开断性能与运动特性的配合
  断路器关于开断性能的模拟计算需在带电流负载的运动特性(负载运动特性)条件下进行才能比较准确,为此专门进行了断路器空载特性与动态特性的对比试验研究,该工作是借助于国家高压电器质量监督检验中心的数据采集系统及相关的速度传感器得以完成的.
  自能式断路器的空载运动特性(配弹簧操动机构)同压气式断路器基本上呈现同样的特征,在刚分段和缓冲段的曲线可参照压气式断路器的有关特性进行设计.需要注意的是,缓冲段的特性曲线对长燃弧开断性能是有影响的.
  通过试验显示,自能式断路器由于其灭弧室结构设计合理,电动力、阀片系统及运动部件的质量与操动机构输出能量配合合理,故其负载运动特性与空载运动特性在行程的前段大部分区域内没有显著变化,在缓冲投入后有轻微的改变.
3关于断路器的结构
3.1气缸动与活塞动的方式
  自能式断路器同压气式断路器一样,在灭弧单元的运动方式上可分为气缸动与活塞动结构.国外大公司在采用气缸动或活塞动的结构时也各不相同.活塞动结构具有运动质量轻的优点,但开断后的粉尘易在活塞导向环上堆〖BFQ〗积,对传动有影响;气缸动结构运动质量稍重,但可提高多次开断后导向环运动的可靠性.LW36-126/T3 150-40断路器沿袭了以往的设计经验,选用了气缸动结构(参见图1).
3.2关于喷口
3.2.1喷口结构
  喷口是灭弧室的关键零件,喷口形状的设计和材料的选用是影响开断的关键,对于热膨胀式断路器,各制造商几乎都选用了长喷口结构.有资料报道,长喷口结构的好处是分闸状态时,静弧触头仍在喷嘴内部,这样开断小电流时在动静弧触头之间,保持着较高的气体压力,具有较高的介质恢复强度,可防止开断后两极间重击穿.
  喷口的喉部尺寸设计也是一个关键.综合目前各型自能式SF6断路器,其喷口喉部尺寸都很小,使电弧燃烧时(40kA)的大部分时间内处于一种过堵塞状态,以此来增加热膨胀室的增压效果.
3.2.2喷口的材料
  由于热膨胀断路器利用了“过堵塞效应”,同时喷口内壁是热膨胀室的一部分,这样喷口的烧蚀程度明显大于同等参数的压气式断路器.自能式断路器还希望通过电弧燃烧时喷口的产气增加热膨胀室的增压效果,因此研制一种既能产气又能耐烧的喷口材料成为了一个新课题,通过大量的技术工作后,这一难题得到解决.
  新研制的喷口材料以PTFE为基体,添加了多种微量成分.从微观上讲,新喷口材料是由无数的微囊结构组成的,微囊的骨架耐烧,而骨架内的填充物由一种产气物质组成的,这样保证了喷口既耐烧又能产生少量的气体.
  新材料中作为色料添加0.01~0.1%的MoS2,使喷口呈天兰色,可进一步调整烧损特性.以新材料制成的喷口完成短路容量为40kA的16次电寿命试验,试验后经解体检查,喷口烧损正常.
3.3 热膨胀室与压气室的容积配合问题
  以往的压气式断路器在设计过程中一般力求使压气室的寄生容积最小,其寄生容积约占压气式容积的10%左右.对于热膨胀式断路器,热膨胀室就是压气室的一个寄生容积,约为压气室容积的三分之二[1].热膨胀室容积是开断大电流的一个关键参数,容积小,SF6气体总量小;容积大则不宜于建立较高的压力,因此,存在着一个最优容积值.
  压气室的主要作用是开断小电流时产生足以灭弧的具有一定压力的SF6气体.在这个过程中,灭弧室可看成是一个寄生容积很大,压气效率不高的压气式断路器,此时的压气阻力很低,故可降低操作功.压气室的另一个主要作用是开断大电流时,在预压缩阶段对热膨胀室的增压作用.在预压缩阶段,由于没有燃弧,热膨胀室内的压力仍为额定值,此时由于压气室气体受压缩,通过单向阀,压气室气体流入热膨胀室中,使热膨胀室的压力增高,从而增加热膨胀室能量交换前的初始压力,有助于提高热膨胀室内的最终压力,提高开断能力.
  进一步的研究表明,两个容积的容积比以及压气室释压阀值的选择是影响断路器是否存在临界开断电流的主要因素.
  热膨胀室与压气室之间的单向阀是连通两室间压力转化的关键零件.在以往的压气式结构中,单向阀常采用硬铝板,重量轻,但不耐烧易变形;也有采用不锈钢板的,耐烧,但重量重,动作慢,也容易产生内应力引起的受热变形.LW36-126断路器灭弧室内的单向阀及回气阀首次采用了一种新合金材料,具有重量轻、不变形和耐烧的特点,较好地解决了这一问题.
3.4 LW36-126断路器开断试验情况介绍
  在通过对灭弧室的设计计算并借鉴以往设计的经验,新研制的LW36-126断路器顺利通过了3150A、40kA的各种开断试验方式.其中近区故障和方式4的燃弧区间都达到10ms以上,方式5的直流分量大于40%.通过方式1和方式2的试验情况可以推断,断路器不存在临界开断电流的情况.
4自能式产品的可靠性
4.1机构可靠性
  自能式断路器的主要优势即操作功较小,可以配用轻型的弹簧机构,从而替代了液压或气动机构,降低了整机的机械应力,减小了操作噪音,提高了操作可靠性.
  自能式断路器降低操作功主要有以下三个途径:一是减少压气反力,这是主要因素;二是降低运动部件质量,由于整机的机械应力降低,故相应传动件的质量随之降低了;三是降低分闸速度,研究性试验表明,刚分速度比压气式断路器降低了20%左右.
  LW36-126断路器进行6 000次的机械寿命试验,并在此基础上紧接着做了累计共10 000次的机械操作试验,试品合、分闸正常.
4.2密封可靠性
  总体上讲,自能式断路器的密封结构类似于其它SF6断路器.其中动密封是设计和工艺中的一个难点.LW36-126断路器选用了转动密封结构,其密封杆处于密封的SF6气体中,不易受腐蚀、传动效率高,该种结构在多类SF6产品中具有15~20年以上的运行经验.
4.3 电气可靠性
  试验证明,自能式断路器具有与压气式断路器同样的短路开断耐受能力,长期工作时的温升也能达到标准要求,足以满足电力系统正常运行的需要.
5    结论
(1)通过对灭孤室中的热膨胀室压力、温度变化的计算,提示了热膨胀室的电弧燃弧阶段和电流过零时的气体状态及低温高压气体的形成过程.
(2)通过对LW36-126型自能式断路器关键部件的结构、材料、工艺等方面的技术分析,并结合有关试验情况,说明该型断路器结构合理,性能可靠,可以满足使用要求.