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高压断路器辅助开关分断能力研究及结构优化设计

[宁波电工电气协会]发表于 2012-12-13 11:06:24 阅读次数：0 次

金立军[1]，王珂[1]，刘坚钢[2]，闫书佳[1]，张勇[1]
（1.同济大学，上海 200092；2.宁波耀华电器厂，慈溪 315324）
摘要：对FK-口型辅助开关灭弧室进行二维数学建模，分析其内部电场强度分布，推导出电流过零后介质击穿的判断条件，对灭弧室结构进行优化，达到降低电场强度，使电场分布趋于均匀的目的，为辅助开关的优化设计提供了有效的解决方法。
关键词：辅助开关；分断能力；结构优化
中图分类号：TM561.5
0引言
高压断路器辅助开关是连接在高压断路器操动机构主动杆轴上的低压信号开关，常作为二次控制回路中的分、合闸控制开关以及联锁保护接点。辅助开关的分断能力及电寿命是衡量断路器可靠性的重要指标，对应于辅助开关的不同负荷，要有相应的分断能力。目前的FK-口型辅助开关，在开断常见的5A负荷电流时，燃弧时间较长，触头烧蚀严重。本文通过对现有灭弧室结构优化，提高了开断能力，减少了燃弧时间，延长了辅助开关触点寿命，对保证高压断路器的可靠性具有重要意义[1]。
1 FK—口型辅助开关结构分析
本文的研究对象为FK—口型辅助开关，所带负荷为550kV的高压SF6断路器，该开关电寿命达到5000次。它适用于交流50Hz、额定工作电压380V的电路中，额定工作电流为5A，辅助开关结构图见图1。
辅助开关的主要作用是控制分合闸回路的切换、连锁和保护。图1（a）为辅助开关的外形图，它由主轴，多对动静触头组成。根据主轴旋转所到的规定角位置，使得不同的触头元件实现接通或者分断。图1（b）为辅助开关灭弧室的剖面图。其中，触头材料采用铍青铜，灭弧室壁面采用聚乙烯材料。动静触头采用圆周滑动压接方式连接，操动机构带动辅助开关主轴旋转时，使连接在主轴的动触头发生转动，与静触头接通，输出分合闸信号。控制信号发送至合分闸线圈，使断路器的操动机构动作，完成“C-O”和“C-O-C”操作。
 
（a）               （b）
1—主动轴；2—静触头；3—动触头；
图1 （a）辅助开关外型图；
  （b）辅助开关剖面图
1-driving shaft；2-static contact；3-moving congtact
Fig1.(a)exterior drawing;Fig2.(b)profile drawing;
2触头分离时导致电弧重燃的影响因素
辅助开关动触头在主轴带动下转动，当动静触头分离时，分断交流电路，会在触头间产生电弧。断口间发生着两个过程。一是弧隙介质强度恢复过程，另一个是触头间隙恢复电压变化过程，如电弧电流过零后电弧不再重燃，触头间电压最后必然增高到电源电压。电弧不会发生重燃的条件是电流过零后弧隙介质恢复强度曲线大于恢复电压变化曲线。
2.1灭弧室电场分布求解
辅助开关灭弧室内弧隙间气体介质恢复强度与电场强度分布有密切关系。由于灭弧室内结构复杂，边界形状不规则，可用数值分析法中的有限元法求解电场分布。
有限元法是以变分原理和剖分插值为基础的一种数值计算方法。计算场域满足拉普拉斯方程：
           （1）
                  （2）
                  （3）
等价变分问题为[2]：
                （4）
           （5）
采用有限元法，推导出上述变分问题的有限元方程为：
[K][]=[0]                  （6）
式中K为总刚度矩阵；为节点电位矩阵。
对上述方程，本文采用Ansys有限元分析软件求解，用APDL语言对灭弧室进行参数化建模，能较精确的得到灭弧室内开断过程中电场分布的变化。
2.2弧隙间介质恢复强度求解
本文中，由于触头形状不规则，灭弧室结构复杂，故电场分布不均匀，并且是在大气压力下空气的击穿，应采用气体击穿理论中的流注理论来解释，结合不均匀电场击穿理论，得出不同操作条件下触头间隙冷态介质恢复特性。
介质恢复强度可用击穿电压表示为[3-4]：
                  （7）
——触头间隙介质恢复强度；
——间隙的距离，m；
——临界场强或称工程击穿场强，V/m；
——电场不均匀系数，由电极形状、尺寸、电极距离等因素决定；
根据实验室测得的标准大气条件下空气中电子电离系数和电场强度E的关系可得，标准大气条件（p=0.1013MPa，t=293K（20oC）下电场中空气的介电强度大致为30kV/cm，代入公式得：
               （8）
                    （9）
式中：                   
U——触头间的电压；
d——触头间距离。
其中，电场强度的分布可由数值分析法求解得到。
2.3触头间恢复电压的确定
电弧间隙上的电压从燃弧电压值恢复到电源电压瞬时值的过程称为弧隙上的电压恢复过程。在开断短路故障时，瞬态恢复电压具有决定性意义。
因为电力线路中存在电感、电阻和分布电容，在电压恢复过程中就可能产生振荡现象。当电力系统电压较低时（IEC规定低于100kV），瞬态恢复电压接近于一种阻尼的单频振荡。当断路器在电流过零前开断，辅助开关触头一侧是工频电网电源，另一侧是高频振荡产生的过电压，触头间恢复电压为两者之和[5]。 
实验得到的FK－口型辅助开关的电路固有振荡频率为[6]：
             （10）
工频电流零时刻过零，设电路为纯感性，电流过零时电压幅值最大。则过零后恢复电压
         （11）   
                  （12）
式中 ——振荡频率，单位为kHz；
     ——分断电流，单位为A；
——电源相电压的有效值；
——工频频率；
——线路系数，取为1.5。
2.4弧隙介质击穿的条件判断
由于FK－口型辅助开关触头动作会带动合分闸线圈动作，从而输出合分闸信号，因此，典型开断负荷条件是感性负荷。分析最苛刻的情况，辅助开关电路为纯感性电路，电压超前电流90度，在电流过零点，正好是电压的最大值点。若此时满足介质恢复强度上升曲线一直高于恢复电压变化曲线，则该辅助开关在任何分闸速度条件下均能可靠开断电路[7-9]。
图2 介质恢复特性曲线
Ub1-t=6ms；Ub2-t=3.8ms
Ub3-t=2ms；Ub4-恢复电压波形
Ub1-t=6ms；Ub2-t=3.8ms；
Ub3-t=2ms；Ub4-recovery voltage curve
Fig.2 dielectric recovery characteristic curve
在交流电流的不同时刻分断电路，会导致燃弧时间不同，介质恢复强度曲线的上升率也不同，从而导致零后触头间空气介质出现三种情况：不击穿、临界击穿、重击穿。由图2可知，在燃弧时间大于3.8ms的任意时刻分断电路，则介质恢复强度曲线一直位于恢复电压曲线上方，电流过零后，介质不会被击穿，分断电路成功；3.8ms左右为临界击穿状态；小于3.8ms，介质恢复强度曲线3与恢复电压曲线4有交点，会发生零后重击穿，电弧重燃，只有在下次电流过零时才可能熄弧。
可见，分断电流为5A时在某些时刻开断电路会造成介质重击穿，为避免这一情况，也为了进一步提高分断电流的能力，需从结构上考虑，优化灭弧室结构，均匀内部电场强度分布，从而提高介质恢复强度[10]。
3 灭弧室结构优化分析
判断电场强度分布对零后介质击穿的影响，主要集中在电流过零时刻。以下分不同的部件分析其形状变化对电场强度的影响，最后对灭弧室整体作结构优化。以下分析主要针对结构优化后辅助开关灭弧室分闸行程中电场强度变化情况进行分析。
3.1静触头形状对电场强度的影响
由图3可见，静触头形状为弧状与形状为尖端相比，电场强度明显变化，随着曲率半径的增大，电场强度变化曲线整体下移。这是由于触头表面的电场强度与其表面电荷密度成正比。曲率半径大，表面电荷密度小，电场强度降低。
（a）                  （b）
1-合闸静触头；2-分闸静触头；3-动触头
图3 (a) 灭弧室网格剖分图
优化曲线1-曲率半径为1.5mm；
优化曲线2-曲率半径为2.0mm
图3(b) 电场强度变化曲线
1-closing static contact;2-opening static contact;3-moving contact
Fig.3 (a) Subdivision graph of arc quenching chamber
Optimization curve 1-radius of curvature 1.5mm;
Optimization curve 1-radius of curvature 2.0mm;
Fig.3 (b) Electric-intensity curve
3.2动触头形状对电场强度的影响
改变动触头形状为弧线状，见图4。优化后电场强度曲线整体下降，优化效果良好。
（a）                  （b）
图4 (a) 灭弧室网格剖分图;
图4(b) 电场强度变化曲线
Fig.4(a) Subdivision graph of arc quenching chamber
Fig.4(b) Electric-intensity curve
3.3灭弧室结构优化
对灭弧室整体结构进行优化，改变动、静触头为弧线状、灭弧室内壁为六个凹凸结构，见图5。
由电场强度变化曲线可知，对各部件综合优化后，灭弧室内电场强度值大大降低，电场局部不均匀程度有很大改观。
(a)                   (b)
 图5(a) 灭弧室网格剖分图;
图5(b) 电场强度变化曲线
Fig.5 (a) Subdivision graph of arc quenching chamber
Fig.5 (b) Electric-intensity curve
综上可见，由于最大电场强度总出现在静触头附近，故改善静触头形状能更好改善电场分布。灭弧室结构整体优化的效果较好，能使电场强度值大为降低，从而介质恢复强度有很大提高。
3.4试验验证
优化后经现场试验验证，可提高分断电流能力至10A，试验所得10A电流时分断电路特性曲线如图6所示。实验曲线与图2相对应，分断电流为10A时，在第2个电流半波时电路开断，燃弧时间是1.15ms。可见，通过对灭弧室的优化设计，减少了燃弧时间，延长了辅助开关触点寿命。
图6实验示波图
Fig.6 experimental oscilloscope chart
4结论
本文忽略温度等影响因素，得出标准大气条件下空气中冷态介质恢复强度的计算方法，由于分闸时刻不同会导致燃弧时间不同，得到在燃弧时间小于3.8ms时分断电路会发生重击穿的结论。为使分断电流能力由5A提高到10A，对灭弧室结构进行优化分析，得出优化静触头形状更利于电场强度分布的结论，通过试验很好的印证了优化分析的结果。本文的不足之处在于，对于灭弧室的电磁仿真计算是二维的，不够精确，与实际情况存在一定的误差，需进一步改进仿真模型，以期对实际辅助开关结构设计有更好的指导。
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作者简介：
金立军（1964-），男，浙江，教授，博士，研究方向：电力设备的智能化及在线监测与故障诊断
王珂（1983-），女，河南，助教，硕士，研究方向：电机与电器
Analysis of breaking capacity and design of structure optimization on auxiliary switch of high-voltage circuit breaker 
JIN Lijun[1]，WANG Ke[1]，LIU Jiangang[2], YAN Shujia[1]，ZHANG Yong[1]
（1.Tongji University ,Shanghai 201804,China；2.Ningbo Yaohua Electric Factory）
Abstract：In order to reduce the electric field maximum and homogenize the electric field distribution, a two-dimensional numerical model for arc-quenching chamber of FK-口auxiliary switch was established to analyze the internal electric field distribution , Based on electric-field simulation ,we know that the electric field distribution is uneven, maximum located at the interval between moving and static contacts. It was the weak spot for dielectric breakdown. To improve the breaking capacity, the dielectric strength is calculated using a bit uneven electric field theory. a judgment condition of dielectric breakdown after current was zero was given, The dielectric strength is in inverse proportion to electric field. To avoid the breakdown isfailure, the shape of contacts and wall structure of arc-quenching chamber is optimized. By optimization,we know that the contact shape has more influence on electric field distribution, finally by the total optimization, the electric strength is decreased, arcing performance is improved, it was tested by experiment.The research afford direction for optimization design of auxiliary switch. 
Key words：auxiliary switch; breaking capacity; configuration optimization
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