摘要 通過疊加高頻反相電流來迫使故障電流過零的方法可使真空斷路器快速開斷故障電流。同時(shí)，也對(duì)真空電弧特點(diǎn)及其滅弧室的開斷能力進(jìn)行了研究。通過分析不同故障電流時(shí)汽輪發(fā)電機(jī)過載轉(zhuǎn)矩的情況來確定高速真空斷路器所必須具備的特性。真空電弧特性的基本試驗(yàn)及其開斷能力是檢驗(yàn)真空電弧是否可用于高速開斷真空斷路器的手段。
1 引言
真空斷路器被廣泛應(yīng)用于供配電系統(tǒng)中。它們通過減少?gòu)墓收习l(fā)生到故障電流成功開斷的持續(xù)時(shí)間為帶重要負(fù)荷電力系統(tǒng)設(shè)備提供了良好的保護(hù)性能。傳統(tǒng)的斷路器開斷故障電流從故障發(fā)生時(shí)刻起需要幾個(gè)工頻周期的時(shí)間，目前，已經(jīng)開發(fā)出了一個(gè)周期之內(nèi)開斷故障電流的真空斷路器，這種斷路器的滅弧室能在一個(gè)工頻周期內(nèi)開斷故障電流。一個(gè)工頻周期內(nèi)開斷的真空斷路器是汽輪機(jī)保護(hù)的良好方案，但我們認(rèn)為，其性能還不是足夠好，需要在更短的時(shí)間內(nèi)完成故障開斷。
通過在故障電流中疊加高頻電流來減少故障的持續(xù)時(shí)間是減少故障時(shí)間的一種方法，疊加的高頻電流與故障電流的方向相反。在燃弧時(shí)間較短的情況下，通過反響疊加高頻電流來開斷大故障電流時(shí)的電弧特點(diǎn)及開斷能力還難以清楚地確定。
首先，我們研究了在私營(yíng)電廠運(yùn)行的一種高速真空斷路器的高速開斷效果，電廠采用了汽輪發(fā)電機(jī)并與工頻電網(wǎng)系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行。當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，汽輪機(jī)和發(fā)電機(jī)之間的機(jī)械連接系統(tǒng)可能被損壞。我們估算了在不同故障電流情況下的汽輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩大小，計(jì)算結(jié)果顯示：若采用疊加反向電流來限制故障持續(xù)時(shí)間，高速真空斷路器比傳統(tǒng)斷路器對(duì)汽輪發(fā)電機(jī)有更好的保護(hù)效果。
然后，通過合成試驗(yàn)電路的方法對(duì)真空電弧和其開斷能力進(jìn)行了試驗(yàn)觀察和驗(yàn)證試驗(yàn)。特別是當(dāng)電弧燃燒時(shí)間很短時(shí)，確定這種電弧是否滿足高速真空斷路器的要求。這種測(cè)試電路由真空斷路器、操動(dòng)機(jī)構(gòu)，帶有開關(guān)、電容器和電抗器的高頻電流源組成。真空滅弧室是由銅烙制作觸頭和縱向磁場(chǎng)電極構(gòu)成。這中滅弧室因其高開斷能力而著稱。在縱向磁場(chǎng)電極中，真空電弧弧柱與縱向磁場(chǎng)平行。改變高頻電流源中電容器和電抗器的值來計(jì)算在電流開斷時(shí)電流變化率對(duì)開斷性能的影響。
試驗(yàn)結(jié)果展示了高速真空斷路器的電弧特性和開斷能力。在觸頭分開的瞬間電弧被點(diǎn)燃并集中在燃燒點(diǎn)。觸頭分開后的幾個(gè)毫秒內(nèi)，電弧被縱向磁場(chǎng)擴(kuò)散。滅弧限制電流隨著電流變化率的增加而逐步減少。電弧時(shí)間減少的同時(shí)，開斷限制也在減少。
本文描述了高速真空斷路器技術(shù)和在與采用汽輪發(fā)電機(jī)并與商業(yè)電網(wǎng)系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)的私營(yíng)電廠中的應(yīng)用。
2 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的計(jì)算
我們研究了在私營(yíng)電廠運(yùn)行的一種高速真空斷路器的高速開斷效果，電廠采用汽輪發(fā)電機(jī)并與工頻電網(wǎng)系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)。電路模型、汽輪發(fā)電機(jī)的額定值及變壓器如圖.1、表1和表2所示。負(fù)載由電機(jī)、電容器及電阻組成。我們用電磁瞬態(tài)計(jì)算軟件計(jì)算了不同的故障模型，故障位置及開斷時(shí)間等情況下的汽輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩。在計(jì)算中，考慮了由于電流截?cái)喽鸬倪^電壓因數(shù)。
我們計(jì)算了故障位置對(duì)汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的影響，對(duì)變壓器原邊和副邊的計(jì)算結(jié)果如圖2所示。由于變壓器阻抗的原因，使得變壓器副邊故障比原邊故障時(shí)的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩高。
轉(zhuǎn)矩與真空斷路器的型號(hào)之間的關(guān)系如圖3所示。圖中給出了兩個(gè)故障模型，一個(gè)是三相短路故障，一個(gè)是兩相短路故障。如圖所示，在這三種故障類型中，高速真空斷路器的轉(zhuǎn)矩是最低的。這一點(diǎn)表明了高速真空斷路器對(duì)汽輪發(fā)電機(jī)提供很好的保護(hù)。單周期開斷真空斷路器在開斷三相短路故障電流時(shí)比傳統(tǒng)斷路器轉(zhuǎn)矩稍高。這是因?yàn)樵陔娏鏖_斷時(shí)開斷電流相對(duì)較大。
圖4顯示了轉(zhuǎn)矩與滅弧時(shí)間之間的關(guān)系。在8毫秒之內(nèi)轉(zhuǎn)矩隨著開斷時(shí)間的增大而增大。當(dāng)開斷時(shí)間大于8毫秒后，由于電流的開斷發(fā)生在峰值電流之后，因此轉(zhuǎn)矩幾乎是常數(shù)。故障電流的峰值大約為5kA，而且故障電流中含有直流成分。結(jié)果顯示，若把開斷時(shí)間減少到8毫秒以內(nèi)，將能給發(fā)電機(jī)提供更好的保護(hù)。
