1.5 kV 低頻真空斷路器開斷能力的研究與驗證

孫文藝

（廣東明陽電氣股份有限公司，廣東中山 528451）

0 引言

2020 年9 月，我國提出將提高國家自主貢獻力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060 年前實現碳中和。為了實現碳達峰、碳中和目標，國家發改委和國家能源局等印發了《“十四五”可再生能源發展規劃》指出在山東半島、長三角、閩南、粵東、北部灣五大海上風電基地，加快推動海上風電集群化開發，推動深遠海風電技術創新，建設深遠海示范項目［1］，根據環保與公用事業周報指出，我國海域風力資源豐富，“十四五”期間各地區新裝機超過50 GW［2］，未來海上風電承擔著清潔能源排頭兵角色，將成為電網能源重要組成部分。

隨著海上風電的快速發展，輸電容量、離岸距離不斷增加，將面臨復雜多變的問題，海上風電的技術問題日益嚴峻，其包含輸電方式的選擇［3］。

目前海上風電輸電方式主要以下幾種：工頻交流系統、直流輸電系統及西安交通大學王錫凡教授課題組提出的分頻（低頻）交流系統［4］。文獻［5－8］介紹了3種不同的輸電方式的可行性及優缺點，工頻交流輸電發展時間長、技術體系成熟，具有電磁變壓、過零開斷、多級組網的優勢，但長距離輸電受電壓降、靜穩極限的影響，輸送容量難以達到其熱極限。直流輸電系統適用于遠距離大容量輸電，基于電力電子設備，具備調控能力，但沒有電磁變壓、過零開斷特性，組網難度大成本高。分頻（低頻）交流系統適用于新能源輸送并網等場合，兼具以上兩種輸電方式的優點。

海上風電場主要傳輸設備為海底電纜，在工頻50 Hz下的合理輸電距離在80 km以內。當海上風電場的離岸距離超過80～150 km［9］，采用低頻輸電可以降低電纜的并聯電容效應，進一步擴展海上交流輸電的距離。隨著海上風電深遠海發展及低頻輸電的優勢，使斷路器低頻輸電的工況日益增加，目前包括海上風電低頻輸電線路、低壓交流開關設備、高壓交流開關設備、發電機保護斷路器等均對大容量分頻開斷能力提出要求。國內外很多專家學者對低頻輸電展開了相應的研究。文獻［10］從變壓器、電纜等方面對3 種輸電方式的經濟性進行綜合比較，得出低頻輸電的經濟適用區間。文獻［11］詳細介紹了低頻輸電變頻裝置的研發，提出了具體方案。文獻［12］從國內外已發展史，基本原理，經濟性等方面進行了系統分析，對低頻輸電的應用場景進行了模擬分析，得出低頻輸電的適用場景。文獻［9］提出了交流斷路器低頻開斷等效試驗方法設計。本文論述了1.5 kV真空斷路器低頻交流開斷性能分析以及試驗驗證工作，采用直接試驗型試對1.5 kV斷路器進行低頻交流開斷性能的驗證，對在實際工況下斷路器開斷情況有了實際認知，能為后續提升1.5 kV 斷路器低頻開斷性能提供依據，為1.5 kV及以下真空斷路器的研究、商業化提供了理論參考。

1 低頻輸電優勢及對斷路器的影響

1.1 低頻輸電優勢

低頻輸電就是通過降低輸電的頻率，可以大幅度提升輸電線路容量。本文研究的是將工頻50 Hz 降低到20 Hz時的情況。由式（1）和式（2）可以看出電抗與頻率成正比［12］，當系統頻率由50 Hz 降低到20 Hz 時，電抗降低為原來的2／5，電壓損耗也降為原來的2／5，因此低頻輸電能大幅度提高輸電容量。

式中：Pmax為架空線靜穩功率極限；U為輸電系統的額定電壓；X為線路的電抗；f為系統的頻率；L 為線路的電感；ΔU%為線路電壓降落百分比；Q為線路流過的無功功率，

海上風電低頻輸電升壓系統如圖1 所示，低頻輸電系統是通過降低工作頻率從而降低線路阻抗以提升輸電容量的有效手段，由圖可以看出低頻斷路器是輸電系統中一個重要環節，下面將主要研究頻斷路器的開斷與試驗情況。

圖1 風電發電低頻輸電線路并網發電系統

1.2 低頻輸電對斷路器影響

當系統頻率降低時，斷路器的燃弧時間會變長。例如斷路器在50 Hz下，一個對稱短路電流的半波為10 ms，但在20 Hz時，一個半波為25 ms。較長的燃弧時間對各種滅弧介質和滅弧機理的斷路器都會造成短路電流開斷困難，從而引起斷路器的開斷能力降低。

20 Hz 及以下頻率的短路電流對比于工頻電流，其周波時間是工頻周波的數倍，如圖2所示。斷路器的開斷原理為：要求斷路器在預期的燃弧時間內能夠有效開斷，否則延后到下一個低頻電流半波，增加15 ms 以上的燃弧時間將會給試驗帶來巨大風險，有可能造成開斷失敗。

圖2 20 Hz和50 Hz電流波形曲線對比

2 低頻開斷能力的研究

式中：isc為短路電流；T為周期；f為頻率。

介質恢復強度峰值為：

因此，對于一個給定的介質恢復強度峰值UTRV（peak），則有：

式中：f 為待求短路電流開斷能力的電流頻率，Hz；isc（f1）為在頻率f1下的短路電流開斷能力，kA；f2＝50為已知短路電流開斷能力的電流頻率，Hz；isc（f2）為在頻率f2下的已知短路電流開斷能力，kA。

根據以上理論，現有1.5 kV真空斷路器在20 Hz 下理論開斷能力如表1 所示。

文獻［15］中描述了2 個12 kV 真空滅弧室試驗情況，一個真空滅弧室采用橫向磁場觸頭，另一個真空滅弧室采用縱向磁場觸頭，開斷能力為12 kV／25～34 kA。12 kV 真空斷路器在10～60 Hz 頻率下開斷能力隨頻率下降而下降，如圖3 所示，對于縱向磁場真空滅弧室其開斷能力的下降程度也與橫向磁場真空滅弧室近似。

圖3 真空滅弧室開斷能力與頻率關系

由于斷路器的開斷能力由電流零點的di／dt 值和暫態恢復電壓TRV 的上升速度du／dt的乘積所決定的，在低頻輸電系統中，由于頻率降低，可有效降低斷路器開斷短路電流時電流零點的di／dt值，這對于斷路器的開斷是有利的。

3 開斷能力的驗證

3.1 技術方案

本文研發了一臺在工頻50／60 Hz下開斷能力為100 kA的1.5 kV真空斷路器（圖4），設計方案為：包含3 只真空滅弧室、彈簧機構、主導體、散熱片和二次燈組成，導體和滅弧室采用軟連接連接。觸頭壓力10 000 N，開距4.5 mm，真空滅弧室直徑為151 mm，真空滅弧室采用橫向磁場觸頭，觸頭直徑為100 mm，觸頭材料為CuCr25，分閘速度為0.8 m／s。

圖4 1.5 kV真空斷路器

對斷路器進行分閘特性分析，初定仿真條件如下。主回路運動部分質量為11.5 kg（滅弧室＋導電夾＋軟連接＋絕緣拉桿），超程簧k ＝557 N／mm，F1＝4 177 N，F2＝7 500 N，力變比為1.86，開距s ＝4.5 mm，超程Soverstroke＝6 mm／1.86≈3.2 mm。仿真模型如圖5 所示，仿真結果曲線如圖6 所示，由圖可知，仿真結果：運動行程s ＝3 mm，運動時間Δt ＝2.32 ms，分閘平均速度v ＝s／Δt ＝1.3 m／s。

圖5 仿真模型

圖6 仿真結果曲線

3.2 試驗驗證

文獻［16－17］詳細介紹了產品的試驗要求和方法，本文試驗主要依據此方法進行，試驗結果符合國家標準規定。本開斷試驗在三相直接實驗回路上進行，該回路包括短路發電機、電抗器和TRV調頻回路等，短路電流和暫態恢復電壓TRV都由該直接實驗回路提供，試驗回路如圖7 所示，現場測試連接如圖8 所示。

圖7 試驗回路

圖8 現場測試連接

4 機械磨合、特性測試

依據文獻［16－17］中要求，開斷試驗前對斷路器進行空載特性檢測，在各操作電壓狀態下，斷路器分合閘正常，其性能參數正常，分合閘時間如表2 所示，測試曲線如圖9 所示。

圖9 分合閘波形

5 開斷能50 kA測試

開始試驗，參考GB／T 1984 高壓交流斷路器［16］標準基本短路試驗可分多段進行，標準中取的T10、T30、T60及T100及考慮產品需有開斷老練過程、開斷試驗穩妥性及對產品不同電流下收集，確定第一階段開斷按50 kA進行。為讓滅弧室開斷老練，進行8 次50 kA開斷試驗，其中4次O，4 次CO，試驗電壓為：分閘線圈電壓143 V DC，合閘線圈電壓187 V DC，ABC 三相各均有首開，最小燃弧時間1.8 ms，最長燃弧時間21.4 ms。試驗后，試品正常開斷，無異常情況出現，試驗有效，選取其中兩次CO試驗數據如表3所示，開斷波形如圖10～11所示。

表3 50 kA開斷測試數據

圖10 50 kA開斷波形1

圖11 50 kA開斷波形2

6 開斷能63 kA測試

根據計算結果，斷路器可以開斷63 kA，確定第二階段開斷按63 kA 進行，看計算結果與實際驗證情況，進行8 次63 kA 開斷試驗，其中4 次O，4 次CO，試驗電壓為：分閘線圈電壓143 V DC，合閘線圈電壓187V DC，ABC三相各均有首開，最小滅弧時間2.4 ms，最長滅弧時間18.9 ms。試驗后，試品正常開斷，無異常情況出現，試驗有效，選取其中兩次CO 試驗數據如表4 所示，開斷波形如圖12～13 所示。

表4 63 kA開斷測試數據

圖12 63 kA開斷波形1

圖13 63 kA開斷波形2

7 開斷能70 kA測試

斷路器在經過8 次50 kA和8 次63 kA開斷測試后，斷路器開斷性能完好，為探究此斷路器更真實的開斷能力及依據試驗站現有直接試驗能力，確定按70 kA 來探尋斷路器真實開斷能力。進行4 次70 kA 開斷試驗，都為O，試驗電壓為：分閘線圈電壓143 V DC，合閘線圈電壓187 V DC，C相首開，最小滅弧時間2.2 ms，最長滅弧時間19 ms。試驗正常開斷，無異常情況出現，試驗有效，選取其中兩次O 試驗數據如表5 所示，波形如圖14～15 所示。

表5 70 kA開斷測試數據

圖14 70 kA開斷波形1

圖15 70 kA開斷波形2

8 試后絕緣驗證

斷路器完成開斷試驗，為驗證斷路器試驗是否成功，按文獻［16－17］要求進行絕緣測試，如果試驗過程中出現破壞性放電，且不能給出任何證據來證明該破壞性放電出現在自恢復絕緣上，則在完成絕緣試驗系列后應對斷路器進行解體檢查。如果發現非自恢復絕緣損壞（例如痕跡、擊穿等），則斷路器就沒有通過該試驗。依照要求，在斷路器完成開斷試驗后，進行產品絕緣驗證，測試產品的絕緣性能是否合格，現場試驗照片如圖16所示。

圖16 絕緣測試

8.1 工頻電壓試驗

依據文獻［16－17］中絕緣試驗要求先進行工頻電壓試驗，試驗條件如下：試品狀態為開關斷口合閘，加壓部位、接地部位依據文獻試驗要求（A、B、C為被測試設備一側端子，a、b、c為被測試設備另一側端子，F為外殼或底座接地），試驗電壓取10 kV，試驗時間去1 min，試驗相對濕度：51.0%，環境溫度：25.5 ℃，大氣壓：100.4 kPa，實驗室海拔高度：5 m，大氣修正因數kt＝0.973，實際取1，工頻試驗結果如表6所示。

表6 工頻試驗

8.2 雷電沖擊電壓試驗

依據文獻［16－17］中絕緣試驗要求先進行雷電沖擊電壓試驗，試驗條件如下：試品狀態為開關斷口合閘，加壓部位、接地部位依據文獻試驗要求（A、B、C 為被測試設備一側端子，a、b、c為被測試設備另一側端子，F為外殼或底座接地），額定雷電全波耐受電壓取20 kV，試驗相對濕度：51.0%；環境溫度：25.5 ℃；大氣壓：100.4 kPa，實驗室海拔高度：5 m，大氣修正因數kt＝0.973，實際取1，雷電沖擊試驗結果如表7 所示。

表7 雷電沖擊試驗

9 斷路器滅弧室分析

對斷路器滅弧室進行解剖（圖17），發現滅弧室內屏蔽層有被弧光灼燒，出現破損，同時可看到動、靜觸頭雖有痕跡但燒損并不嚴重，分析當采用橫磁時，當電流越大弧度越超外彎曲，在大電流開斷時，弧光已對屏蔽層造成破壞，在后續如需繼續提升滅弧室分斷能力，保證滅弧室屏蔽層不被灼燒，可采用大肚子型滅弧室即增大的滅弧室的外徑，為后續滅弧室設計提供重要設計依據。

圖17 滅弧室

10 結束語

本文設計一款1.5 kV工頻50 Hz下100 kA橫磁斷路器，驗證頻率下降到20 Hz 時的開斷能力，前期依據Slade研究的真空斷路器開斷能力的降低與頻率降低的平方根有關，滿足關系，對斷路器理論開斷能力進行計算，計算結果為63 kA，然后通過實際試驗對產品進行開斷能力、絕緣驗證，并對后續橫磁式低頻開斷設計給出指導意見。通過試驗得出：用該公式可用來評估1.5 kV真空斷路器在低于工頻頻率下的開斷能力，當頻率降低時開斷能力也跟著降低，同時通過試驗得出實際開斷能力會高于該公式的計算結果，但在初始設計時可以通過公式進行初步計算，使設計產品參數無限接近需求目標，對后續1.5 kV低頻真空斷路器設計提供計算依據。