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  1. 真空断路器、真空负荷开关在扩大用途中的使用1在扩大用途中的使用
  2. 2012年7月6日 来源: 电气样本网

真空断路器、真空负荷开关在扩大用途中的使用1在扩大用途中的使用
真空开关设备因其小型、轻量以及优良的绝缘恢复特性等,从原来是3.6~36kV等级的主流产品又进一步地扩大了其使用范围。尤其最近又使用在72/84kV等级超小型箱型气体绝缘开关设备(C-G1S)中,并在此基础上,真空断路器进一步地运用在限流开断、直流开断等方面。本章将对这些在扩大用途中的使用事例做一介绍。在此所述的使用事例中的一部分,如限流开断装置,还正处在研究、开发阶段。故没有整理出它们的使用指南。通过实际运行业绩和评价作出指南将是今后的课题。 
1
在箱型气体绝缘开关设备(C-GIS)中的使用 
1.1
背景 
箱型气体绝缘开关设备(简称C-GIS)因其小型、维护简单等特点,作为新型输变电设备,近年来开始进人市场。 
自1997年召开的COP3(有关气候变化的联合国条约第3次缔约国会议)京都会议上将SF6气体定为限制排放气体后,更加要求要采取SF6气体回收、再循环等措施。在这种背景下,使用真空断路器的C-GIS除具有真空断路器特有的省场地、免维护外,还可减少SF6气体的使用量,电流开断时不产生分解气体,今后,它的使用范围将肯定会更加扩大。 
1.2
使用例 
由于低压气体绝缘技术、复合绝缘技术等的进步,C-GIS更加地小型化,24/36kV等级的C-GIS和7.2kV等级的空气绝缘开关柜的体积大小几乎相同,因此,通过和变压器等的复合化,就能设置在有限的场地里。.1示出了将一次开关柜、变压器、二次开关柜复合化的22kV户内型、77kV户内及户外型输变电设备的构成。
如第3章「结构」中所述,最近,在72/84kV等级中采用小型化灭弧室、真空断路器的超小型C-GIS产品化后很受市场的青睐。柜子构成和外形变迁见.2所示,该图中采用了上部母线和变压器直接连接、气体、绝缘件的复合化技术等,实现了超小型化,其体积是最初产品的1/4,是目前运行产品的1/2。该产品减少了SF6气体使用量,可设置在有限的空间里,提高了经济性,在该电压等级使用真空断路器的C-GIS今后将会很快地普及推广。

1.3
SF6气体中使用时的注意事项 
从机械性能方面来说,因是在加压状态下使用真空断路器,故担心会影响真空灭弧室波纹管的耐压力强度及操作速度,而实际上几乎不会受影响。 
与空气绝缘场合相比,因主回路导体靠近断路器本体配置,故主回路导体产生的电场、磁场可能会影响开断性能。 
长谷川先生等人报导了导体配置影响开断性能的调查结果。实验装置见.3所示。真空灭弧室的触头使用了螺旋槽触头结构。以.4中的导体水平配置时的开断能力为基准,让与主回路导体的距离A及B不断地变化,调整了其开断能力。开断时短路电流的直流分量最大达50%,对可能开断的燃弧时间范围调查后进行了评价。

.5例中示出了可以开断的燃弧时间范围约下降至0.6pu。通过电场解析求出了各导体配置下的真空灭弧室屏蔽电位以及和可以开断领域面积的关系(见.6所示)后,推算出屏蔽电位的变化会影响开断能力。

Shenli先生等人确认了纵磁场触头结构中磁场的影响。即由于主回路导体产生的磁场使真空灭弧室中的电弧不向整个触头表面扩散,电弧只集中在主回路导体的相反一侧。为了减少这个影响,试着将触头部分进行了磁屏蔽。在无磁屏蔽和有磁屏蔽的场合对开断能力做了比较,发现无磁屏蔽时的开断极限为43kA,而有磁屏蔽后上升至48kA。 
因此,使用C-GIS时,因主回路导体会影响开断能力,故必须根据实际使用状态事先确认开断能力。 
2
在限流开断、快速开断装置中的使用 
2.1
背景 
为了保护负荷设备及配电线等电力设备不受对地短路、相间短路故障的伤害,对快速开断,尤其是理想的抑制大电流后开断的限流开断等方式做了各种研讨。 
特别是最近由于不配备备用电源的个人计算机等信息电子设备的广泛普及,这些设备本身很易受暂态电压下降的影响,所以缩短暂态电压下降时间成了一个非常重要的课题。此外,联合发电系统中,厂用发电设备的使用增多后,和工频系统连接使用的实例也多了起来。因此,从缩短因工频系统故障带来的厂用发电机系统暂态电压下降时间、保护发电机设备等方面来说,也非常地需要快速开断、限流开断装置。使用在工频系统和联合发电系统的连接部位的例子见.7所示。作为该图中的重要负荷,有一旦生产中问发生停电,产品就全部报废的半导体、化学车间等的生产、管理体系。

2.2
原理构成 
开发出了下面介绍的使用真空灭弧室、真空断路器的快速开断装置,且一部分已经商品化。
(1)利用电磁推斥驱动的快速开断装置这是一种依靠电磁斥力驱动真空灭弧室来快速开断的真空断路器。操动机构原理图见.8。为提高开断动作速度,不通过机械联杆而直接驱动。.9所示,将真空断路器本体和电磁推斥驱动用的驱动单元、快速监测器组合后安装在配电柜内使用。

(2)半导体和真空灭弧室相组合的限流开断装置为一种靠电磁推斥驱动来快速开断的真空灭弧室和可关断晶闸管(简称(GTO)等自灭弧式半导体相组合的限流开断装置。装置的构成和动作原理波形.10所示。将真空灭弧室开断后,让故障电流换流到GTO后,再用GTO进行电流开断。通常的负荷电流因是用真空灭弧室通电,故与用半导体通电的方式相比,其优点是可以减少通电损失。 
(3)高频电流重叠回路和真空灭弧室相组合的限流开断装置为一种用事先充好电的电容器在故障电流上重叠高频电流强制地造成电流零点后开断的限流开断装置。其结构.11所示。开断部分的真空灭弧室与前面介绍的方式相同,为电磁推斥方式驱动。该方式可使用于具有优良高频电流开断能力的真空断路器中。且该装置见.12所示,操动机构非常独特,是.12所示的那样将两枚蝶形弹簧组合后获得合闸时的压接力及分闸状态时的保持力,真空灭弧室的触头间距离很小。


2.3
使用实例 
通过实验确认了(1)用快速开断装置时整个开断时间在1周波以内;(2)用限流开断装置时约为2ms。
通过使用在厂用发电机系统中时的模拟,研讨了使用限流开断装置时的效果。原来型5周波断路器和限流开断装置的比较结果见.13所示。限流装置的场合,故障消除后的发动机电压几乎无变化,发电机转矩的改变与原来型断路器相比,被控制在了数分之一范围内。

2.4
今后的课题 
快速开断装置、限流开断装置均通过验证试验确认了其性能,一部分已经商品化。这里阐述的方式在今后是否普及下去,关健是快速、稳定的故障监测方式的确立。而该方式的确立又是建立在实际使用业绩及其评价基础上的。 
3
在直流回路中的使用 
3.1
背景 
在以直流为电源的电气化铁道保护中原来一直使用的是空气断路器。这种在空气中将电弧拉长后限流开断的断路器在原理上需要一个电弧空间,其缺点是必须频繁地维护检查。为此,开发出了可克服这一缺点的使用真空断路器的直流断路器。 
作为其它用途,开发出了在大型托卡马克(研究受控热核反应的一种装置)核聚变系统中,为进行等离子体的点火、加热而能长寿命、多频繁操作的直流断路器。从长寿命的观点出发,开断部分必须并联操作,为此,采用了电弧电压为正特性的真空断路器。 
3.2
原理、结构 
直流电流开断为一种让高频电流与直流电流重叠后强制造成电流零点的方式,原理上与.11的限流开断装置相同。特别是作为电气化铁道保护用,标准中也要求要在故障电流到达最大值以前限流开断,快速开断机构也采用了电磁推斥方式,与限流开断装置结构相类似。

3.3
使用实例 
作为电铁变电站用、铁道车辆用,对其性能进行了验证。电铁变电站用的结构例见.14所示。与原来的空气断路器相比,可实现低电流值下的限流开断,从而减轻了对其它元件的伤害。它所具有的省力化维护、省场地等特长,今后将会进一步地扩大使用。 
3.4
使用中的注意事项 
这种开断方式的性能是由真空灭弧室的高频电流开断能力来决定的。为了造成电流零点,高频电流必须具有足够的电流值,且为可以开断的频率。相对于开断电流,调查了电流零点附近的电流变化速率(di/dt)和能否开断的关系,见.15所示。在该例中,频率的最大限度电流变化速率约.为2108A/s,使用中必须是该频率以下的高频电流。

4
其它(配电自动化用真空负荷开关) 
在电力公司的配电自动化发展中,对故障部位的隔离、负荷的灵活切换所用的负荷开关要求具有多次分、合能力。作为柱上负荷开关,开发出了放置在密闭容器内的柱上自动真空负荷开关。因是放置在密闭容器里,故不受外部环境的影响,且免维护。并商品化了内藏配套设备的一体型负荷开关。 
作为配电自动化用负荷开关,SF6负荷开关、空气负荷开关也已经商品化,在小型化、低压本方面各有特点,但作为自动化用,因要求具有良好的负荷分、合能力,且大多安装在接近人群的场所,故还必须考虑环境方面的因素,因此,真空负荷开关将成为今后的主流产品。



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