高壓交流六氟化硫斷路器開斷近區故障的探討

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(西安西電高壓開關有限責任公司，陜西 西安 710000)

1 引言

高壓斷路器是電力系統中重要的開關設備，擔負著控制和保護電路的任務[1]。目前，應用最為廣泛的斷路器是以六氟化硫氣體作為絕緣和滅弧介質的高壓交流六氟化硫斷路器。

高壓交流六氟化硫斷路器作為輸變電線路的控制和保護的設備，必須具備開斷故障電流的能力，開斷近區故障電流是其最重要的能力之一。近區故障(簡稱SLF)指的是發生在距離斷路器幾百米至幾千米的短路，特點是斷路器電流大，瞬態恢復電壓(簡稱TRV)上升率很高，對于高壓交流六氟化硫斷路器，對瞬態恢復電壓起始上升率比較敏感。

根據GB1984-2014《高壓交流斷路器》規定，直接和架空線連接的、額定電壓72.5kV及以上，額定開斷斷路電流大于12.5kA的三極斷路器開斷近區故障試驗為強制性試驗，試驗時額定短路開斷電流應為額定開斷電流的75%和90%。近區故障由于TRV的初始部分上升率高，雖然幅值不高，但是上升率很高，電弧往往難以成功熄滅。近區故障往往比開斷出線端故障對斷路器性能要求更高[2]。

近區故障是否成功開斷，不僅與試驗回路參數有關，更重要的是與斷路器自身性能有關，比如氣壓、速度等。以下就126kV高壓交流六氟化硫斷路器近區故障試驗L90為例，簡要介紹了樣機自身在不同速度、氣壓、線路側是否增加時延對斷路器開斷性能的影響作分析和研究。

2 試驗故障試驗影響因素

2.1 平均分閘速度對開斷性能的影響

試驗前兩次產品的零部件一致，裝配方式一致，但機械特性中平均分閘速度不一樣，試驗前的空載特性曲線對比如圖1所示，試驗時開斷波形圖對比如圖2所示。

從圖1看出，兩次產品的滅弧室、接觸行程行程一樣，但平均分閘速度不一樣，1號產品的速度明顯高于2號產品的速度。從圖2看出，在短燃弧時間13ms點時，1號產品開斷成功，但2號產品熱擊穿，開斷失敗。

圖1 空載特性對比曲線

圖2 開斷波形對比圖

從中可以看出，對于采用壓氣式滅弧原理的斷路器，平均分閘速度直接影響到電流過零后弧觸頭間六氟化硫絕緣介質強度恢復的速度。2號產品顯示的平均分閘速度較低，觸頭間的介質強度恢復速度小于恢復電壓，造成電弧重燃，開斷失敗。因此，為防止斷口間電弧重燃及縮短燃弧時間，必須要有較高的平均分閘速度，但如果平均分閘速度太高，可能會導致待長燃弧時間開斷時，動觸頭會很快到達行程終點，使得電流過零后的噴口吹弧能力降低，影響氣吹效果，無法建立有效絕緣，容易造成重燃。所以針對不同的滅弧室結構及性能，兼顧長燃弧開斷時間和斷路器滅弧室總行程，合適地選擇平均分閘速度。

2.2 氣體壓力對開斷性能的影響

試驗前兩次產品的零部件一致，裝配方式一致，但充入氣室的氣壓不一樣，試驗前的空載特性曲線對比如圖3所示，試驗時開斷波形圖對比如圖4所示。

提升滅弧室SF6氣壓后，從試驗前的空載特性曲線圖3看出，機械特性方面，將SF6氣壓從0.40MPa提高到0.50MPa后,空載時平均分閘速度由5.7m/s降低到5.65m/s，對產品的平均分閘速度有一定的影響，但是影響非常小。

圖3 空載特性對比曲線

圖4 開斷波形對比圖

從開斷波形對比圖4可以看出，提升滅弧室SF6氣壓對斷路器的開斷性能影響較大，從同一個燃弧時間上，1號產品開斷失敗，2號產品成功開斷。

六氟化硫氣體的介電強度很高且隨壓力的增高而增長，氣體間隙的擊穿電壓隨著六氟化硫氣體壓力的增大而提高，在斷路器開斷過程中，氣體壓力的提高有力的支持了斷口間的電壓恢復。在電流過零后，弧隙的介質強度恢復快，有利于熄弧，氣壓的升高，加快了從噴口氣吹的六氟化硫氣體對電弧的冷卻，氣體迅速填充斷口間隙，以加快電流過零后斷口的介質恢復速度，因此，滅弧室內部氣壓的升高，對滅弧室開斷性能的影響非常大，尤其是對恢復電壓上升率很敏感的六氟化硫斷路器。

2.3 增加時延對開斷性能的影響

兩次試驗前樣機裝配方案、充氣壓力以及空載機械特性一致，1號產品未加時延，2號產品試驗時，線路側增加時延tdL=0.5μs。

從開斷波形圖圖5明顯看出，同一燃弧時間13ms，線路側增加時延斷路器開斷成功。增加時延對恢復電壓TRV的鋸齒波上升率影響較大，上升到電壓U1階段的時間延后(見圖6)。近區故障試驗，對暫態恢復電壓初始狀況很敏感,因而系統的故障電流與恢復電壓上升率非常重要。斷路器在開斷近區故障時,上升速率極高的瞬態恢復電壓，在斷路器在斷電流過零點后的數微秒內，斷口間的介質強度恢復的又比較緩慢，因此斷路器開斷SLF時容易產生熱擊穿[3]。為了解決這個問題,增加并聯電容是很有效的辦法之一，即增加線路側時延，以減緩瞬態恢復電壓的上升率，即減緩第一個三角波的上升率。三角波的起始部分受斷路器附加電容的影響而有所緩和，使三角波的初始部分有個時延，在電流過零后斷口的介質恢復速度大于瞬態電壓的上升速度，從而保證電流開斷成功。因此，在斷路器加裝電容可有效的提高開斷SLF的能力。所以，增加線路側時延，對斷路器的開斷性能影響很大。

圖5 開斷波形對比圖

圖6 增加時延前后恢復電壓上升率對比

3 結束語

近區故障試驗作為斷路器重要的容量試驗，研究影響近區故障電流開斷與否的因素具有重要的意義。通過對高壓交流六氟化硫斷路器自身在不同速度、氣壓、線路側是否增加時延對斷路器開斷性能的影響作分析和研究，對設計人員在產品開發研究產品方面提供一定的借鑒。