Proceedings of the CSEE Vol.31 No.34 Dec.5, 2011 ©2011 Chin.Soc.for Elec.Eng.
(2011) 34-0198-07 中图分类号：TM 561 文献标志码：A 学科分类号：470⋅40 文章编号：0258-8013
新型126 kV高压真空断路器的设计及
开断能力试验研究
文化宾1，宋永端1，邹积岩2，郑占锋2
(1．北京交通大学电子信息工程学院，北京市 西城区 100044；
2．大连理工大学电气工程学院，辽宁省 大连市 116024)
Test on Novel Design and Breaking Capacity for 126 kV High Voltage
Vacuum Circuit Breaker
WEN Huabin1, SONG Yongduan1, ZOU Jiyan2, ZHENG Zhanfeng2
(1.School of Electronics and Information Engineering, Beijing Jiaotong University, Xicheng District, Bejing 100044, China;
2. School of Electrical Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, Liaoning Province, China)
ABSTRACT: A novel design method for 126 kV high voltage vacuum breakers was presented based on the application of vacuum switch technology in 126 kV voltage class. The fundamental idea behind the proposed approach is to use double-breaks with novel distribution, so as to achieve voltage-sharing distribution in each break; thus the voltage-sharing capacitance is no longer needed in contrast with the traditional method. As a result, potential problems can be avoided. The breaker’s moving system was designed with the novel structure, and optimized with the Virtual Prototyping technology of ADAMS. The synthetic test system was built up to test the breaking capacity of the breaker. A series of experiments verify that the breaker has the breaking capacity of 31.5 kA short-circuit current, demonstrating that the proposed scheme for designing the 126 kV high voltage vacuum breaker is not only feasible but also novel and effective.
KEY WORDS: 126 kV high voltage vacuum breaker; double- breaks; voltage-sharing; ADAMS; breaking capacity; synthetic test
摘要：针对真空开关技术在126 kV高电压等级应用的问题，提出了一种新型的126 kV高压真空断路器的设计方法。基本思想是采用双断口模式，设计了断路器的断口布置，使断口电压均匀分布，从而无需加装均压电容，避免传统方法中因均压电容的增加带来的隐患；根据断口布置，确定断路器
基金项目：国家自然科学基金项目(50537010)。
Project Supported by National Natural Science Foundation of China (50537010)．
的运动系统，利用虚拟样机软件ADAMS确定了优化结果；针对该新型断路器的开断能力测试，搭建了合成试验回路，经过一系列的试验，证实了新型的126 kV高压真空断路器具有31.5 kA短路电流开断能力，表明该126 kV高压真空断路器的设计不仅可行，而且新颖有效。
关键词：126 kV高压真空断路器；双断口；均压；虚拟样机软件ADAMS；开断能力；合成回路
0 引言
在40.5 kV及以下电压等级的开关设备中，真空断路器由于具有不可比拟的优势被广泛的使 用[1-2]，但在40.5 kV电压等级以上的开关设备被SF6断路器主宰。早在1997年的日本京都会议上，SF6气体被正式定为温室效应气体，它的影响超过CO2的影响25 000倍[3]。随着全球气温变暖及各国对环保重视程度日益提高，真空断路器向高电压等级发展成为重要研究课题。
在126 kV高压真空断路器的研究中，文献[4]介绍了中国开发126 kV高压真空断路器的必要性及其初步研究；文献[5]介绍了采用多个光控断口模块串联搭积木式开发高电压等级真空断路器；文 献[6]介绍了126 kV单断口真空断路器的开发；文献[7]介绍了高压真空灭弧室的电场设计新方法，但是，目前还没有完全国产126 kV高压真空断路器通过全工况短路电流开断试验的报道。
因此，针对真空开关技术在126 kV电压等级应
第34期 文化宾等：新型126 kV高压真空断路器的设计及开断能力试验研究 199
用的问题，本文提出了一种新型的126 kV高压真空断路器的设计：采用2个72.5 kV的真空灭弧室串联构成的双断口结构，分析双断口的真空断路器的理论优势，并巧妙设计断口布置，使断口电压比较均匀分布，根据断口的布置设计了断路器的运动系统，利用研制出的样机，通过合成回路试验，验证了新型126 kV高压真空断路器的短路电流开断能力测试。
1HmH2
Wn=n×m()2=() (3)
2nt2nt那么，对于相同开距和运动时间下，单断口动触头的动能需求是双断口的2倍。
1.1.2 基于断口电压分布均匀化的126 kV高压真空断路器的结构设计
目前，常用的双断口真空断路器的断口布置如图1所示。文献[5]分析了双断口真空断路器的断口电压不均匀分布情况，断口电压的不均匀分布势必会降低整个断路器的击穿电压，也降低整个断路器的开断能力，为此需要在每个真空断口上并联一个均压电容，而均压电容的增加又会带来绝缘隐患、铁磁谐振等问题[13]。
均压电容
均压电容
真空断口
1 新型126 kV高压真空断路器的设计
1.1 新型126 kV高压真空断路器的结构设计 1.1.1 双断口真空断路器的理论优势
1）真空间隙的耐压能力饱和效应。
真空间隙的击穿电压随间隙增大而增大，但并不呈线性关系，文献[8]通过众多研究成果分析指出，板—板电极的直流击穿电压U与真空间隙d有如下近似关系：
真空断口真空断口
真空断口
均压电容
均压电容
均压电容均压电容
⎧d, 0 mm U=f(d)∝⎨d0.58,0.4 mm ⎩d,40 mm 图1 传统双断口高压真空断路器结构图 Fig. 1 Structure of the traditional high voltage circuit breaker with double-breaker 双断口高压真空断路器的断口电压分布不均匀的实质是由于2个真空断口之间对地存在较大的分布电容，因此，减小2个真空断口之间的对地电容分布有利于断口均压。基于此理论设计新型的 30 mm的串联断口构成126 kV真空断路器会有更高的绝缘特性。另外，双断口真空断路器具有击穿电压增益性。文献[5]推导了n个真空断口的击穿电压增益倍数Kn为 Kn=n(1−α) (2) 126 kV高压真空断路器的的断口布置如图2所示。2个真空断口距离较短，并且断口对地距离较大，从而减小断口之间的对地分布电容。文献[14]对 图2所示结构进行断口电压的分布测试，测试结果表明该结构具有较高的断口均压性，从而避免了并联均压电容而带来的隐患。 式中α为非常重要因子，取值在0.4~0.7之间，若 α=0.5，对于双断口真空断路器来说，击穿电压增 益倍数为1.414。 2）真空断口的动态绝缘特性。 真空开关的动态绝缘特性实质上是指真空开关的开断能力。文献[10]通过分析研究，指出双断口真空开关比单断口真空开关具有更高的开断能力。文献[11-12]的研究表明双断口真空开关比单断口真空开关的开断能力高出1倍以上。 真空断口 真空断口 3）真空断口动触头机械特性。 设断口总开距为H，断口数量为n，运动时间为t，动触头的质量为m，则其所需动能Wn为 图2 新型126 kV高压真空断路器结构 Fig. 2 Structure of the novel 126 kV high voltage vacuum circuit breaker 200 中 国 电 机 工 程 学 报 第31卷 1.2 新型126 kV高压真空断路器的运动系统设计 st为弹簧的拉伸长度。 对于永磁机构力Fc，由于其力过程极为复杂，为了便于对运动系统分析，将Fc简化为恒力。 因此，动力系统的优化变量确定为Fc、F0、k。虚拟样机技术是基于计算机技术的一个新概念技术，通过计算机仿真分析来代替物理样机的分析，在机械动力学领域里，常用的虚拟样机技术是 1.2.1 运动系统的设计分析 运动系统是高压断路器的重要部分，操动机构是运动系统的动力部件，新型126 kV高压真空断路器的操动机构采用双稳态永磁机构，归因于其具有高运动精度、高可靠性等优点[15-17]，为了便于分析，可以对其单个断口的运动系统进行分析。 1）真空灭弧室的触头压力较大，对于126 kV断路器的传动系统，由于绝缘拉杆较长，合闸时如果采用绝缘拉杆受压方式传递动力，容易出现挠度不稳定性。因此，采用绝缘拉杆受拉方式传递动力。 ADAMS机械系统动力学仿真分析软件。文献[18]详细介绍了使用方法；文献[19]利用ADAMS虚拟样机技术实现了低压断路器操动机构的动态仿真和优化设计。因此，对于新型126 kV高压双断口真空断路器的动力系统优化设计采用了ADAMS仿真软件，图4为断路器运动系统在ADAMS下建立的运动模型，通过输入不同变量Fc、F0、k值可得到不同的运动参数，从而确定变量值。 2）提高分闸速度对电弧的开断是非常有利的，但是永磁机构的力输出特性是随着其动铁芯与静铁芯的气隙减少而逐渐增大，这对于提高断路器的刚分速度很不利，为了提高刚分速度，要在其运动系统中增加分闸弹簧。 3）分闸弹簧的增加，势必增加永磁机构的保持力和输出功。利用机械运动系统“死点”原理，使真空灭弧室的触头压力的反作用涉及不到永磁机构，这样永磁机构的合闸保持力只需满足分闸弹簧力，从而优化了永磁机构的设计。 基于以上分析，确定断口运动系统如图3所示。 分闸弹簧 图4 新型126 kV高压真空断路器运动系统机械动态分析 Fig. 4 Mechanical dynamics analysis of the novel 126 kV high voltage vacuum circuit breaker 超行程杆 超行程杆 真空灭弧室 分闸方向 合闸方向 永磁机构 2 新型126 kV高压真空断路器开断能力的 试验研究 2.1 合成回路试验的总体构成 合闸状态分闸状态 根据GB/T 4473—2008[20]的要求，合成回路试验的原理图如图5所示。 图3 新型126 kV高压真空断路器运动系统原理图 Fig. 3 Mechanical principle of the novel 126 kV high voltage vacuum circuit breaker SGAB CB1.2.2 基于虚拟样机技术ADMAS的运动系统优化设计 新型126 kV高压双断口真空断路器的运动系统优化设计主要是动力系统的优化设计，优化目标是断路器的分、合闸速度达到真空灭弧室规定的分、合速度，从而确定优化变量为动力系统中的分闸弹簧拉力及永磁机构的输出力。对于分闸弹簧力Ft有： CuTRRD RCDRog TB R0 C0 CiLi 图5 合成回路试验接线图 Fig. 5 Connecting diagram of the synthetic test 图5中左侧为电压源回路，右侧为电流源回路。 Cu和Lu分别为电容和电感，它们与调频电阻R0、调频电容C0一起振荡产生恢复电压；Ci和Li用于提供50 Hz工频短路电流；RD是电阻分压器，用 Ft=F0+kst (4) 式中：F0为分闸簧的初拉力；k为弹簧的弹性系数； 第34期 文化宾等：新型126 kV高压真空断路器的设计及开断能力试验研究 201 于Cu充电时充电电压的测量；RCD是阻容分压器，用于测量恢复电压；Rog是一个罗氏线圈，为控制台提供短路电流测量信号；SG为放电球隙，TR为点火电极，用于将电压源投入合成回路；CB为合闸断路器，用于将电流源投入合成回路；AB为辅助断路器，它与试品断路器TB同时开断，在电流源产生电流的零点灭弧，将电流源回路和电压源回路隔离。 结合GB 1984—2003 [21] I1mω2f2 == (11) I2mω1f1 引入电流的频率f2应足够高，以防止在燃弧阶段因引入电流和工频电流叠加而引起过度的电流畸变，而且f2还应低于瞬态恢复电压的基频，使回路易于调整，因此，f2通常为250~1 000 Hz。由于该电压源回路只能产生单频振荡，决定依照两参数法来预设瞬态恢复电压(transient recovery voltage， 中规定的单元试验法和 TRV)。由GB 1984—2003可得126 kV断路器开断则试验断口预型式试验的预期瞬态恢复电压值Uc，期瞬态恢复电压峰值Um的计算如下： 合成回路接线原理，将126 kV高压真空断路器的一个断口作为TB，另一断口作为AB。 2.2 开断能力的参数设定 2.2.1 电流源回路参数设定 电流源电路工作时，相当于电容Ci对Li及回路电阻放电，电流源放电电流i1与充电电压U1m的变化规律为 Um= Ku Uc (12) n 式中：n为总断口数2；Ku为综合系数，取1.1。 对调频电容C0和调幅电阻R0进行分析。当试品开关TB开断后，电路的结构如图6所示。 i1=Imsinω1t= U1m sinω1t (5) ω1Li Lu+ Cui(t)TB+ + R0 u(t) C0 − ω1=2πf1=1/LiCi (6) Im=U1m/(ω1Li)=U1mCi/Li (7) 式中f1为电流源的振荡频率，取工频50 Hz。 由式(7)可推得每支路输出电流与充电电压U1m的计算关系为， 图6 TB开断后，电压源回路原理图 Fig. 6 Schematic diagram of the voltage source circuit after the TB broke U1m=2sω1LiI1 (8) 式中s是电流衰减比，这里取1.1；I1为放电电流第一半波的有效值。 设Ci为60 000 μF，由式(6)可以计算出Li为 在TB断开瞬间，电容Cu上充有反向电压最大值。根据电路定律，可得： d2uCudt2 + R0duCuC1 +uCu=uU0 (13) LudtLuCLuC0 0.169 mH。由式(8)可求得电流源充电电压U1m和放电电流I1的参数设定。 因两参数法预设的TRV曲线是单频的衰减欠阻尼振荡，可得试品断路器TB两端电压为 2.2.2 电压源回路参数设定 电压源回路放电过程与电流源回路基本一致，都是LC振荡回路零输入放电过程，可得： f2= 12πLuCuu=− Cu U0[1−e−δtcos(ωdt)]+ C0+Cu (9) 2 CuδR0Cuω0 − ()U0e−δtsin(ωdt) (14) C0ωdωd 式中： δ=R0/2Lu，为衰减系数；ω0=1/LuCu，为 2−δ2，为衰减震荡角频率。 角频率；ωd=ω0I2m=Cu/LuU0 (10) 式中：f2为电压源放电电流频率；U0为电压源回路放电电容的充电电压值；I2m为引入电流的峰值。 为了保证合成回路试验的等价性，电流源与电压源的电流间的关系应满足下式： 由两参数包络线定义可知，当t=1/(2f0)时，u取TRV的峰值Um。可得， Um=− Cu U0[1+e−δ/(2f0)] (15) C0+Cu 202 中 国 电 机 工 程 学 报 第31卷 通过以上公式，可得电压源回路的试验参数。 首先在最大值的情况下进行开断能力的试验，需要指出的是，过高的分闸速度会产生更大的冲击力，容易降低断路器的寿命。 在分闸速度为3.5 m/s时进行测试，将电压源电容充电到设定电压值，将电流源充电电压分别按短路电流为12.5、16、20、25、31.5 kA时对应的电压值进行充电，依次进行合成试验，结果都获得成功开断，开断的典型波形如图9所示。恢复电压波形在图中上侧，电流波形在图中下侧，从图中可以看出，当恢复电压震荡到负值时，并无电流产生，说明真空断口绝缘恢复，电流成功开断。 U(5 V/格) CH2 2.2.3 控制系统触发控制时序设定 根据合成回路试验原理，需要确定控制系统的触发控制时序，图7为合成试验各开关投入的时刻图。引入电流开始流过TB的时刻，应当保证TB单独处于电压源回路中的时间大于电弧电压的显著变化阶段，小于引入电流的四分之一周期，一般不大于500 μs，由此可得： t5−t3= 1 (16) 2f2 t4−t3>t5−t4 (17) 200 t1—CB刚合时刻；t2—TB和AB触头刚分时刻；t3—引入电流开始流通 时刻；t4—TB开断电流的时刻；t5—AB电流的过零时刻。 t(2.5 ms/格) 图9 成功开断波形图 Fig. 9 Oscillogram of the successful test 图7 合成试验各断路器投入时刻图 Fig. 7 Acting instants of the circuit breakers in the synthetic test 通过减小分闸弹簧的初拉力和机构操作电压，降低断路器的分闸速度进行开断能力验证。当在 3 开断能力试验研究 根据上文的参数设置，进行126 kV高压真空断路器的开断能力测试，试验现场如图8所示。 31.5 kA的电流下进行合成试验，分闸速度为2.6 m/s时，出现不能开断的情况，其波形图如图10所示，断口恢复电压与电流同向，说明开断失败。 U(10 V/格) CH2 U(5 V/格) CH1 图8 126 kV高压真空断路器合成试验现场 Fig. 8 Testing field of the 126 kV high voltage vacuum circuit breaker t(2.5 ms/格) 图10 失败开断波形图 Fig. 10 Oscillogram of the unsuccessful test 开断能力的试验一方面验证断路器的开断能力，另一方面验证断路器的运动参数对开断能力的影响。试验前对断路器的运动参数进行调整，并测出运动时间以便确定控制系统的触发时序。断路器的运动参数可通过提高永磁机构的操作电源电压和分闸弹簧的初拉力进行调整，这些参数的调整存在最大值，通过测试，分闸速度的最大值为3.5 m/s。 当降低开断电流时，断路器仍能开断，通过反复试验，当断路器分闸速度低于2.0 m/s时，12.5 kA的电流也无法开断。说明过低的分闸速度，使断路器断口的绝缘恢复速度小于断口恢复电压的速度，从而引起重击穿和复燃。 通过以上试验，表明这种新型的126 kV真空断并且分闸速度在路器的开断能力能够达到31.5 kA， 第34期 文化宾等：新型126 kV高压真空断路器的设计及开断能力试验研究 203 改进与提高[J]．华通技术，2006(3)：21-23． Wang Jimei，Liu Zhiyuan，Xiu Shixin，et al．Improvement and enhancement of 126 kV vacuum circuit breaker [J]．Hua Tong Technology，2006(3)：21-23(in Chinese)． [7] 赵智忠，邹积岩，文化宾，等．高压真空灭弧室的电场 设计的新方法[J]．中国电机工程学报，2005，25(6)：109-112． Zhao Zhizhong，Zou Jiyan，Wen Huabin，et al．A new method of electric field optimization of high voltage vacuum interrupters[J]．Proceedings of the CSEE，2005，25(6)：109-112(in Chinese)． [8] Slade P G．The vacuum interrupter theory，design and application[M]．New York：CRC Press，Taylor & Francis Group，2008：10-20． [9] 刘志远．高电压真空灭弧室触头间长间隙的真空绝缘特 性[J]．高压电器，2009，45(2)：66-69． Liu Zhiyuan．Vacuum 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