六氟化硫滅弧室靜觸頭速度優化設計

摘 要:文章介紹了一種具有雙向聯動性能的新型自能式六氟化硫滅弧室。該滅弧室既利用了電弧堵塞效應，通過電弧本身能量建立了壓差，又使用動靜觸頭雙向聯動設計，提高了動靜觸頭速度差，從而提高了開斷時斷口耐壓強度，降低了對操作功的要求，提高了滅弧室開斷性能。滅弧室靜觸頭速度優化設計是文章介紹的重點。

關鍵詞:滅弧室雙向聯動靜觸頭速度自能式

中圖分類號:文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)07(C)-0088-02

1 引言

在電力系統中，高壓斷路器是最重要的控制和保護設備，既能關合開斷正常電流，切換線路，也能迅速開斷短路電流，切斷故障線路，起到保護電力系統的作用。滅弧室做為斷路器最為重要的部分，對其研究及開發一直受到ABB、西門子以及國內開關行業的高度重視，從雙壓式到單壓式，再到復合壓氣式，再到目前廣為流行的自能式，滅弧室形式日新月異。雙向聯動自能式滅弧室就是在自能式的基礎上研制的新一代滅弧室。該類型滅弧室憑借優異的開斷性能，較小的操作功，先進的設計理念而得到行業越來越多的重視。

2 結構原理分析

自能式雙向聯動滅弧室最大的特點是傳統意義上的靜觸頭不再靜止不動，而是在開斷過程中靠機械配合與動觸頭反向運動，這樣大大降低了對于動觸頭速度的要求，使得滅弧室在同等開斷能力下所需速度和操作功大大降低，從而使高電壓等級斷路器配小型化機構成為可能，并且大幅度降低了對絕緣拉桿等聯接件的強度要求。滅弧室在開斷時候，主要靠電弧在噴口喉部燃燒，使得動端氣缸氣體受熱膨脹，利用電弧堵塞效應，建立壓差。當靜觸頭離開噴口喉部后，氣體通過噴口形成強烈氣吹，在電流過零點時候達到滅弧的目的。

如果靜觸頭運動速度過慢，則動觸頭速度必須提高，將達不到降低機構速度、減小操作功的目的;如果運動過快，靜觸頭早早就走出噴口喉部，導致壓差過小，靜觸頭走出噴口喉部時候氣吹不夠強烈，使得電流過零后弧隙介質絕緣強度恢復速度小于弧隙兩端電壓恢復速度，從而導致開斷失敗。所以，對于靜觸頭速度的優化設計是雙向聯動滅弧室設計的關鍵所在。

3 設計分析

目前高壓行業對于開斷相關理論及分析手段較少且不夠成熟，如氣流場分析等，對于設計研發指導意義目前還比較有限。因此以某一成熟滅弧室為基礎，對新設計滅弧室進行量化對比分析，是滅弧室設計常用手段。對于雙向聯動滅弧室靜觸頭速度設計也用這種方法:選取一個成熟的自能式滅弧室，確定分閘速度，噴口喉部長度等結構參數，計算出靜觸頭電弧堵塞時間，再根據壓氣缸尺寸與電弧能量，以及雙向聯動滅弧室分閘速度，類比出雙向聯動滅弧室靜觸頭電弧堵塞時間，從而確定該滅弧室的靜觸頭運動速度。

表1中列出兩個滅弧室結構參數，A是公司成熟的自能式滅弧室(額定電壓Un=126kV，額定短路開斷電流I=40kA)，B為新設計的雙向聯動滅弧室(額定電壓Un=252kV，額定短路開斷電流I=50kA)。

圖1為滅弧室A和B動端具體結構形式，上面為滅弧室A動端。

開斷時刻，電弧能量、恢復電壓波形、噴口喉部兩端氣體壓差、氣體流量、電場強度分布情況等是影響開斷的最主要的幾個因素。類比分析可以基于以下假設:假設兩種滅弧室燃弧時間相同，電弧電壓梯度相同。則類比情況如下:

電弧能量比:K1=Wb/Wa=Ib(Vb+v)/IaVa=(5.5+v)/4(v為靜觸頭運動速度);

恢復電壓峰值比:K2=Ub/Ua=2;

恢復電壓上升率比:K3=1;

機械壓氣增壓比:

K4=D1b2Vb/D1a2Va=1.584;

觸頭行程比:K5=L2b/L2a=1.25

噴口喉部截面積比K6=D2b2/D2a2=1.34;

電弧堵塞效應增壓比K7=tb/ta

K1=K1 tb/ta(t為電弧堵塞時間);

tb/ta=(H1b+H2b)5/(H1a+H2a)(5.5+v)=10/(5.5+v);

K7=2.5;

K1、K2、K3為不利于開斷的負效應，K4、K5、K6、K7為有利于開斷的正效應。

由于自能式滅弧室主要靠電弧堵塞效應建立壓差，所以系數K7對于開斷的效應比其他系數效果要明顯，但是由于目前滅弧室開斷理論的研究還不夠完善，根據工程設計經驗，并且考慮到裕度，來選取修正系數，進行優化設計，還是經常使用的手段。取修正系數K8=0.65。

當K4 K5 K6 K7 K8/K1 K2K3≥1時候，滅弧室B(額定電壓Un=252kV，額定短路開斷電流I=50kA)設計合格。此時v≤3.123m/s。

考慮到機械設計中的配合結構，最后靜觸頭速度設計值v=2.75m/s，是符合設計要求的。

公司現有常規滅弧室(額定電壓Un=252kV，額定短路開斷電流I=50kA)的分閘速度為8m/s，運動部分歸算質量與雙向聯動滅弧室基本相等，根據W=mv2/2，雙向聯動滅弧室的操作功為常規滅弧室的47.27%。由此可以證明，雙向聯動滅弧室在同等開斷能力的情況下，操作功大大降低。

4 結論

雙向聯動滅弧室在意大利CESI試驗站進行容量試驗，一次性通過T30、T100a試驗，近區故障試驗(L90)，OP2試驗、切長線試驗，這些試驗的順利通過表明:

(1)雙向聯動滅弧室降低了對機構速度的要求。

(2)雙向聯動滅弧室在同等的開斷能力下，操作功大大減小。