SF6气体断路器的性能评价和使用环境的变化分析

djde_2000

我国的电力系统随着社会经济的发展，城市的电力需求量急剧地增大，以及大容量电源也远距离化，为了高效率、高可靠性地送电而实现了送电设备的高电压大容量化。随着这种系统规模的扩张，则要求断路器在实现高电压大容量化的同时，保证系统仍能可靠地在各种各样的严酷的条件下稳定地运行。 另外，为了降低变电站建设成本和设备运行成本、与周围环境相协调等，还期望能够降低断路器的开断断口数以及进一步小型化、提高设备异常和寿命诊断水平、减小噪音和振动。对断路器开断性能的评价和操作特性及机械寿命的评价等必须要结合断路器的使用环境，将性能评价方法和评价基准一直不断地修改下去。
9 M# ?! `# t' E# z7 E2.1 影响机械性能评价的系统及使用条件
8 j/ j2 v; f1 W- X断路器是系统的保护设备，故极其重要。为此．一直实施的是定期地且按统一内容确认断路器的性能及健全性的检查。但是由于提高设备可靠性和运行维护省力化的要求等，最近倾向于省略掉6年一次的普通检查等，延长检查间隔。并且，针对SF6气体中零件的内部检查也倾向于不实施定期检查。主要采取通过外部诊断进行确认的方法。 这样一来，有关影响到操作性能和开断性能的机械性能的诊断技术，从断路器的开发阶段开始，对设备的动作特性和强度•寿命评价都非常重要。下面对此方法做一介绍。
2.1.1 影响操作性能评价的系统及使用条件
3 \7 a* Z4 f6 U. B对断路器而言，除要求它在系统及设备出现故障时履行开断职责外，还要求它根据使用断路器的系统•设备的使用条件和自然环境条件履行各种职责。
(1) 安装环境的变化 由于变电站征地困难，为了有效地利用土地，在高层建筑物的地下设置变电站的例子已越来越多，从而要求包括断路器在内的GIS等设备的小型化。并且即使是户外变电站，由于考虑到环境因素，也同样要求设备要小型化。如三相共简化和重叠组合化等。为此，就必须要进行断路器相间影响以及GIS元件之间的相互影响等的评价。 此外，由于地下变电站一般多设置在行政办公大楼及图书馆、大会堂等公共设施的地下，故要求进一步降低操作振动。
# L4 C5 |4 [/ x( K1 }(2)周围环境的变化 在JEC-2300中，作为常规使用状态，标准规定的周围温度为-20～40℃。而在日本全年温度变化及1天的温度变化都很大的自然环境下，仍要求在温差很大的环境下能够确实地动作。此外，不单单是周围温度的变化，还要求在因冰雪及放射冷却等造成的急剧温度下降、因日照的影响造成的暂时性温度上升等苛刻的环境条件下也能使用。现在以油压操作及弹簧操作为主的SF6气体断路器由于周围环境会使动作特性发生变化，所以预先掌握其倾向、进行性能评价是很重要的。
* h# |, M4 H- H1 t4 g(3) 架空送电线用断路器 为了系统的稳定性，就要求架空送电线路用断路器具有快速重合闸操作功能。在275kV以上(一部分为154kV)进行各相重合闸的事例很多，故必须对油压和弹簧等操作装置特性进行一连串动作功能的评价。 另外，为了调整电缆系统的无功功率，需要分合电缆线路，故也必须进行频繁操作的评价。
: O1 y' b& {$ E( s* j- T(4)非频繁操作 许多断路器一般不太动作，根据不同场合，有些断路器2～3年以上也未动作一次。在长时间的静止状态下一旦接受指令，操作装置、整体驱动系统则必须要准确地动作，因此非频繁操作性能的评价很重要。
9 A8 J! I' C. b* u* T0 ]  r2.1.2 影响机械性能评价的系统及使用条件
与上述相反，有的断路器需要动作多次，故对机械方面的要求很严格。
频繁分合操作功能 最近为了迅速满足负荷变化的要求，需频繁地调整火力发电厂和扬水发电站的输出功率，增加发电机的起动、停止次数。例如有些地方几乎每日都要通过DSS(Daily Start Stop)操作来进行分合操作。为此，要求断路器具有多次操作性能。这种开断功能为励磁电流开断，非常地苛刻。另外，使用在电容器等调相设备中的开关，由于随着负荷的变化要进行日常频繁地分合操作故也要求要具有频繁操作功能。 当然，为了降低运行成本、维护省力，需要提高频繁操作性能，因此，性能评价技术很重要。
2.2 影响开断性能评价的系统及使用条件
如前所述，为了和周围环境相协调，降低变电站的建设费用，设备的小型化是当务之急。而实现小型化的技术良策关键就是断路器的小型化，最近通过热气流解析和电场解析等的数值解析技术、制造技术及试验技术的提高，迅速地推进了SF6气体断路器的高电压化和开断单元的大容量化。从而减少了开断断口数、通过减少零件个数提高了可靠性、随着小型化和三相共简化而缩小了安装面积，提高了经济性。有关开断断口数，500kV 63kA设备已经实现了单断口。1000kV 63kA设备也已开发出了双断口。且275kV63kA设备已经三相共简化，为满足这种小型化要求．开断性能的评价技术已变得越来越重要。
. ?) u& }' [# ^4 k2.2.1 影响有负荷开断性能的系统条件
$ |  I. m" s3 {6 {2 T$ {* [(1) 开断电流的增大 由于发电机并联台数的增加以及电网的系统连系的加强，使相间短路和对地短路电流显著地增大，现在，一部分275kV、500kA系统中需进行63kA的电流开断。为了控制相间短路、对地短路电流，必须采取设备增强及系统分断、母线分离运行等措施，但从设备投资方面、系统使用的可靠性方面来考虑是有困难的，要研究将来的开断电流达80kA的问题。
* A/ w7 Z. w! z. U$ a5 y(2) 直流分量的增大 随着电源的集中，变压器和发电机的阻抗占到短路阻抗一大半的系统扩大后，直流部分的衰减时间常数超过了现行JEG标准所规定的45ms(在500kA系统中为75ms)。
(3) TRV条件的多样化 随着系统规模的扩大和复杂化，发生了一些新的系统现象和TRV过于苛刻。例如，在为抑制短路电流采用了放射状系统的275kV系统中，由于并联的送电线数量较少，通过变压器从500kV侧供给的故障电流增大，因此TRV十分苛刻，有时开断电流达60kA、TRV上升率为4kV/μs。并且，在开断线路远方故障的LIF开断条件下，TRV峰值有时令超过规定值。
(4)高电压运行 断路器为系统保护设备，考虑到因系流最高电压如变压器过电流等造成的电压调整的偏差，故其额定电压是公称电压的1.1倍。因此，断路器实际使用的系统电压要比额定电压低5～10%，即相对于断路器的额定电压有一定的裕度．最近由于系统的稳定性要求，断路器在比过去更接近额定电压的高电压下运行的情况增加了。
(5) 开断电流的变化 由于故障时的暂态过程会造成对地短路故障的故障电流发生高频电流重叠，所以开断电流会变化。这种高频电流因送电线和变压器的电阻会立即衰减。但是在1000kV系统中，有8个导体的多导体送电线路阻抗很小，使高频电流的衰减很慢，从而它的影响很明显。开断电流变化了的场合，由于与正弦波相比，di/dt变大，TRV初始上升率十分苛刻，所以就需要研讨开断性能。
2.2.2 影响无负荷开断性能的系统条件
% q3 e0 W0 J" _6 r2 \(1) 电缆系统的开断功能 伴随着电缆系统的扩张。线路延长了，在275kV系统中，线路长度超过了30km。该场合的无负荷充电电流达600A，大大地超过了200A的标准值。尤其是今后500kV电缆系统的使用，必须要开断1000A的容性小电流。
  K2 \$ O; B$ `" o% t(2) 大容量并联电容器开断功能 电容器组的投切对应于负荷的变化，每天要很频繁地进行，这就要求具有频繁操作性能。为此，一直多采用具有良好频繁操作性能的真空开关。当使用SF6气体断路器时，有时合闸予击穿电弧的发生所造成的触指的损耗会超过开断电弧所造成的损耗。因此，在评价频繁操作性能时，与一般的开断试验不同，要对合闸和开断这两个方面进行充分验证。
2.2.3 影响绝缘配合的系统条件
在275kV电缆系统中由于充电电流非常大，作为补偿设置了150MVA、200MVA的大容量并联电抗器。在这种并联电抗器开断中，当发生截流、重燃弧、高频灭弧时，可能出现电压增大的现象，有可能发生电压升高，所以必须要掌握感性小电流开断现象和控制分闸相位等措施。
9 ?+ M3 B, }0 c. @4 y1 p) `2.2.4 需要使用电阻开断方式的系统条件
2 p0 h! B: o6 ?2 y架空送电线的空气绝缘距离(间隙)主要是由操作过电压决定的。在1000kV级领域中，由于空气绝缘特性呈饱和倾向，所以伴随着断路器操作的操作过电压增大时，就会导致铁塔的大型化。在操作过电压中，有断路器合闸及开断时产生的过电压和故障时感应到健全相的对地短路过电压，如果能控制在无控制手段的对地短路过电压水平(1.6pu)的话，就可以实现合理的绝缘设计。因此，在1000kV系统中预计断路器要加上500kV系统的电阻合闸，并且采用电阻开断方式(1)(2)。合闸开断电阻值接近于1000kV送电线的波阻抗值700Ω。 由于使用的是电阻开断方式、故开断时的TRV不算苛刻，这是因为与无电阻场合相比，初始TRV上升率被控制住。在开断性能的验证方面，在原来以电容器作为电压源的合成试验法中，存在电容器的残余电荷急剧地放电，不能获得所需的TRV等问题，故开断性能的验证方法是一个问题。
2.3 小结
* T; m  v% ^7 H' l! ]随着电力需求量的增加，系统规模的扩大和复杂化、围绕变电站环境的变化以及省力化维护等，期望实现断路器的高电压大容量化、小型化、高可靠性。针对这些要求，不但要开发设计技术、制造技术，还要开发断路器的电气和机械性能评价技术。这一点更加重要。

邪恶无耻

学习了