252kV自能式滅弧室設計及優化

江經華 賀晶晶 趙建磊 孫清超 張銀穗

（平高集團有限公司，平頂山 467000）

SF6斷路器滅弧室逐漸由單、雙壓式發展為當前利用電弧自身能量的自能式。在熱膨脹的效應下，膨脹室或滅弧室內的SF6氣體壓力增加，為滅弧室提供所需要的氣吹，這樣就不需要很高的分閘速度來建立壓力，降低了機構操作功。

1 252kV自能式滅弧室設計

1.1 壓氣室及膨脹室容積的確定

壓氣室的作用是產生可使小電流開斷的足量吹弧氣壓及氣體容量。在這個過程中，人們可將滅弧室看作具有較大寄生容積、壓氣效率較低的一種壓氣式滅弧室，此時其具有較低的壓力阻力，操作功較小。同時，壓氣室在進行大電流開斷時，預壓縮時可增加熱膨脹室壓力。熱膨脹式的斷路器結構中，熱膨脹室作為壓氣室寄生容積，其容積是壓力室的2/3。

在自能式滅弧室斷路器的設計中，其核心參數就是熱膨脹室容積的大小，大電流的開斷能力受熱膨脹室容積影響較大。如果膨脹室容積小，那么SF6的氣體總量也小，對混合氣體的溫度降低及持久氣體壓力的建立不利；如果膨脹室容積較大，在熱膨脹室與電弧自身的能量實施熱交換時，對較高壓力的建立及熄弧不利，所以，熱膨脹室存在最優的容積值。通過對比分析40.5kV、126kV等具有成熟結構的自能式滅弧室，并以定型產品試驗的結果及國外研究經驗數據為依據，筆者對斷路器熱膨脹室的容積進行確定，在該增容的設計中，熱膨脹室較既有滅弧室給予了修正，其容積約為原有容積的1.4倍。

1.2 靜弧觸頭與噴口喉部的選擇

在動觸頭和靜觸頭還沒有完全脫離時，噴口基本處于閉合狀態，滅弧室內的外界氣體、膨脹室的氣體、動弧觸頭內部氣體等仍為單獨孤立的系統，相互之間不存在任何能量和質量交換。當動弧觸頭與靜弧觸頭完全脫離，直至靜弧觸頭將要從噴口喉部拉出時，靜觸頭在噴口的最小截面處，因觸頭分開有電弧產生，然而噴口沒有被打開，膨脹室內不斷有電弧能量輸入進來，壓力升高，同時加熱膨脹室內的氣體溫度隨之升高，膨脹室的壓力得以建立。

噴口中的氣流場物理性質受噴口喉部的直徑大小影響較大，從而影響噴口的開斷能力。通常流量連續時，氣吹斷路器的噴口喉部的單位截面保持最大流量，因此該結構氣流具有較好的散熱效果。熄弧過程受通過噴口喉部的氣流吹弧影響較大，而弧后介質的恢復過程對噴口喉部后的超臨界氣流產生具有重要作用。因此，對于斷路器的分斷中氣流場的變化，噴口喉部直徑的選擇尤為重要。

1.3 壓力特性的分析

針對本滅弧室，當觸頭的行程在47mm以下時，壓力值及溫度均無明顯變化，這時因噴口形成堵塞，氣體質量沒有流失。但是動觸頭和靜觸頭分斷時，電弧能量的產生導致膨脹室內氣體壓力和溫度迅速上升至最大值。在短路中電流第一個半波結束后，壓力下降比較明顯，此時打開電弧噴口，開始出現氣體質量流失，壓氣缸溫度呈緩慢上升趨勢。短路電流過零后，壓力上升速度加快，溫度持續增加。當第二個半波出現時，它會延長電弧的未堵塞期，增加氣體的流失率，降低氣體質量。第一周波過零點時，壓力處于一定水平，電弧熄滅。過零后，因噴口打開泄漏大量的氣體，壓力在滅弧以后的瞬間陡然降低，減小氣體質量的流失率。

2 252kV自能式滅弧室優化

2.1 滅弧室斷口電場計算及優化

分析計算高壓斷路器的滅弧室電場不僅是設計斷路器的重要環節，同時也是不斷提高斷路器的開斷容量、小型化滅弧室結構的基礎。本文通過QUICKFIELD電場分析軟件及有限元法的應用，對252kV自能式斷路器電場分布進行計算，優化調整弧觸頭及動主觸頭形狀。針對斷路器滅弧室優化后的大電流開斷能力，人們應對分閘位置電場分布以及觸頭各個部位電場的強度值進行分析，該值應比優化前的斷路器觸頭各部位電場強度值及工程許用值小，從而保證滅弧室具有大電流開斷能力。

在開斷速度優化措施實施后，計算對比分析優化前后，斷路器觸頭分離10ms內每個時刻位置關鍵部位電場的強度值。提高開斷速度，改善弧觸頭周圍氣體密度，觸頭間距增大，斷開電場得到改善。以容性電流的LC1、LC2開合要求，在實現斷路器速度特性調整后，觸頭分離后的10ms內每個時刻位置的觸頭表面場強，比優化之前已經具備C1級容性電流開合能力的斷路器各相應部位場強值小，確保觸頭剛分離時斷口間極低的重擊穿概率。

2.2 滅弧室氣流通道優化

開斷過程中，熱氣流沿著兩個方向從噴口噴出。靜觸頭與動觸頭支撐座氣腔就是對這些熱氣進行接納與疏導。滅弧室絕緣強度在氣體冷卻以后又重新恢復，所排氣體容量及能力的增加同短路電流平方之間為正比例關系，所以50kA滅弧室氣流通道的截面積是40kA滅弧室截面積的1.6倍。該斷路器在短路電流的開斷過程中，熱擊穿現象時有發生，其中滅弧室內溫度過高是造成介質絕緣性能降低的主要原因，需要將斷口間電弧導致SF6氣密度降低的熱氣迅速排出，不斷加強弧后開斷位置氣體的冷卻。因此，需要優化上下游的氣流通道，通道散熱面積需要相應增加，主要措施有擴大鋼拉桿鋼管的內孔、增大上下支撐座的開孔等。

3 優化后自能式滅弧室試驗驗證

采用以上措施對斷路器進行設計優化及計算分析后，人們可以在研制開發斷路器中運用該結果，并在國家級的高壓電器試驗室內，按照相關國家標準要求及規定進行型式試驗驗證。這樣不僅對上述優化設計及分析計算的可行性進行了驗證，同時也獲取了諸多寶貴的數據資料。

斷路器每次開斷過程中觸頭磨損狀況的積累是決定斷路器壽命的重要因素，從16次、40kA，提高至20次、50kA，主要緣于介質狀況的改善和開斷速度的提高。開斷速度的提高，縮短了弧觸頭與噴口喉部之間脫離的時間，繼而縮短了燃弧時間，降低了觸頭的燃燒程度，試驗結果也驗證了上述觀點。

通過電壽命燒損實際情況分析，筆者發現，上、下弧觸頭的燒損狀況較為嚴重，端頭長度縮短，且變得粗糙，弧觸頭間電弧的燃燒是造成這種現象的主要原因；噴口喉部出現嚴重燒損；主觸頭的接觸狀況良好，沒有發現燒傷狀況。試驗完成后，分析易損部件燒損量，這樣可以為研究燃弧時間及燒損量提供經驗數據。

4 結語

本文通過研究斷口絕緣結構的優化、熱膨脹效應的增強和介質狀況的改善等，應用各種改進的設計手段，優化了滅弧室結構，提高了產品技術參數和性能。斷路器額定短路開斷電流由40kA升高至50kA；LC1、LC2容性電流的開合能力達到C2級；電壽命由16次、40kA升高至20次、50kA；首開系數由1.3升高至1.5。

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