多断口串联真空断路器开断过程均压措施研究

由于真空间隙的击穿电压和长度之间存在的饱和效应,不能通过简单的增加真空间隙的长度来提高真空断路器的工作电压。一种合理的解决办法是采用多断口串联真空断路器。该技术充分利用了真空短间隙的优良特性。为了克服传统的多断口串联真空断路器各断口动作不同期性大,绝缘布置不均匀的缺点,大连理工大学的邹积岩老师和廖敏夫老师提出了一种基于光控模块式真空断路器单元串联的多断口真空断路器新技术。本文针对126kV模块化三断口串联真空断路器的绝缘恢复和重击穿仿真模型,以及均压措施开展了研究。本文以模块化三断口串联真空断路器的绝缘恢复特性为主要研究对象,以工程应用为出发点和目的,以多断口串联真空断路器电磁暂态仿真建模为重点研究内容,以理论分析和电磁暂态仿真为主要研究手段,辅以一定的试验研究,对串联真空断路器开断过程中电压分配不均匀产生的机理,串联真空断路器重击穿特性,均压阻容的优化配置等相关问题进行了深入的研究。 首先,本文回顾了多断口串联真空断路器的发展历程,综述了串联真空断路器动态绝缘特性、开断过程中的绝缘恢复特性和断口均压特性方面的研究成果,展示了课题组前期试验研究成果,引出本文的研究意义。理论分析从真空间隙的介质绝缘恢复的微观过程出发,通过研究真空间隙的熄弧过程,电弧电流过零后电子电流衰减过程和弧后绝缘恢复过程,建立起单断口真空断路器绝缘恢复特性与燃弧特性之间的紧密关系。不仅分析了离子电流衰减过程中的场击穿和热击穿机理,而且分析了离子电流消失后Paschen极限击穿理论导致的重击穿。 本文重点改进了现有的模拟真空间隙弧后绝缘恢复过程的电磁暂态仿真模型,部分克服了仿真过程中弧后初始条件必须人为设定的缺陷,引入国内外针对中性金属蒸气浓度、离子浓度、离子速度、动触头运动特性和真空间隙击穿等提出的成熟的数学模型。通过弧后初始电流模型、离子速度模型和离子浓度模型将弧后绝缘恢复特性与电弧电流衰减特性联系起来；通过中性金属蒸气浓度模型、电弧电流频率求取模型、离子速度模型和离子浓度模型将弧后绝缘恢复特性与电弧电流幅值、燃弧时间联系起来；通过开距求取模型和电弧有效直径求取模型将弧后绝缘恢复特性与动触头运动特性联系起来。真正实现了电力系统与真空断路器统一建模。通过对比仿真结果与Edward Huber获得的试验数据,验证了构建的真空断路器电磁暂态仿真模型在绝缘恢复特性研究中的准确性；通过对比仿真结果与西安交通大学苑舜、王季梅和大连理工大学王毅获得的试验数据,验证了构建的真空断路器电磁暂态仿真模型在还原真空断路器机械特性对电气特性影响的准确性。 为了给多断口串联真空断路器绝缘恢复特性的后续研究提供必备的系统故障参数影响指标,开展了故障类型和母线并联阻容对真空断路器绝缘恢复特性的影响研究。研究结果表明,真空断路器开断两相短路故障时绝缘恢复可能面临最严重的考验；断路器并联电容不宜过大,并联电阻能提高断路器绝缘恢复性能。 本文的另一个研究重点是模块化串联真空断路器的均压措施。本文从导致模块化串联真空断路器绝缘恢复过程中各模块不均压的原因分析入手,通过仿真研究,证实了上述因素导致的不均压现象,通过比对,进一步证明了各断口两端并联阻容对电压分配不均匀的改善作用。除了研究外部并联阻容均压措施,本文借助各断口存在的预击穿现象,解释了模块化串联真空断路器的内部自均压特性,试验结果显示该自均压现象确实存在。接着,探讨了模块重击穿特性,推算了模块重击穿发生后整个串联真空断路器上出现的过电压,并通过仿真进行了验证。基于并联阻容对各种情况下模块化串联真空断路器的绝缘恢复特性的影响曲线,总结出并联阻容的优化配置原则。 最后,紧扣实际运用,针对大连理工大学提供的3个40.5kV真空断路器模块串联而成的126kV真空断路器,根据并联阻容优化选配原则,提出了并联500pF、500Ω阻容和并联1500pF电容两种方案。仿真结果显示：两种方案在均压和提高绝缘恢复性能上的效果都很明显,1500pF并联电容的效果更佳。