真空断路器开断变压器暂态过电压的分析

真空断路器开断变压器暂态过电压的分析

真空装置广泛应用于电气系统的许多优良特性，如庭气非常好，寿命长。由于真空开口的接触头位于真空环境中，理想情况下真空间隙的介质强度非常高，但在打开和加工过程中容易塞满。由于新的接触材料和新的接触结构，真空装置的低闭合值非常低，但复燃和排水过载仍然会导致开关本身、短导线和与连接线相连的其他设备之间的闭合故障。特别是，当真空装置打开容量电流和小电流时，由复燃和排水引起的短期过载具有陡峭波特性，这对真空装置本身及其连接设备（如电力装置）的隔离构具有威胁。然而，关于真空毁弧室内氮氮的形成和影响没有文献。因此，对由复燃和排水引起的短期过载以及真空装置在毁弧室内的暂时状态分布具有重要意义。首先计算了真空断路器开断空载变压器时由复燃和截流引起的暂态过电压,给出了元件的暂态电路模型,采用节点分析法对动态电路进行了数值模拟,给出了真空断路器触头之间过电压随时间变化的曲线.以此作为真空断路器的边界条件,计算了真空断路器灭弧室中的暂态电场,分析了灭弧室内电位分布的特点.给出了灭弧室内的电场分布和电场强度随时间变化的曲线,并讨论了暂态电场的一些特征.1暂态的数值模拟图1为真空断路器开断空载变压器的简化单相等值电路,E为工频电源;空载变压器用电感LT和电容CT表示.其中LT为变压器绕组的电感,CT为变压器入口处等效电容;真空开关表示为一个理想开关QF和一个电容CS并联,燃弧时真空开关相当于短路,熄弧时真空开关相当于一个电容CS,CS为触头之间的电容.L0为真空开关所在回路的寄生电感,Bus为真空断路器和变压器相连的母线.考虑最苛刻的情况,假设工频电源处于幅值时真空断路器开始分断,触头分断速度为2.0m/s,触头开距为24mm.进行暂态数值模拟时,电感和电容用近似的梯形公式代替,母线采用Bergeron模型,元件等值参数的选取如表1所示.依据上面的模型,采用动态网络的节点电位分析法对图1进行了数值模拟,触头之间过电压的计算结果如图2所示.由图2可知,截流后触头之间最大过电压的幅值为2.48p.u,发生在截流后0.02ms时刻.对图2的电压波形进行离散的傅立叶变换,得到50Hz、1.3kHz和2MHz3个主要的频率分量,分别以各个频率分量作为边界激励计算断路器中的电位分布,然后进行叠加,求得整个区域的电场分布.2暂态电场边值暂态电场计算的微分方程的复数形式为△⋅J˙=0(1)J˙=jωεE˙(2)E˙=−∇φ˙(3)⎧⎩⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎪jωε[1r∂∂r(r∂φ˙∂r)+1r2∂2φ˙∂α2+∂2φ˙∂z2]=0φ˙=U˙0∂φ˙∂n=0(4)△⋅J˙=0(1)J˙=jωεE˙(2)E˙=-∇φ˙(3){jωε[1r∂∂r(r∂φ˙∂r)+1r2∂2φ˙∂α2+∂2φ˙∂z2]=0φ˙=U˙0∂φ˙∂n=0(4)真空断路器的灭弧室是一个轴对称结构,因此灭弧室中暂态电场的边值问题为对于真空断路器的悬浮电极,满足⎧⎩⎨⎪⎪φ˙=U˙F∮ε∂φ˙F∂nds=Q(5){φ˙=U˙F∮ε∂φ˙F∂nds=Q(5)其中U˙U˙F、S和Q分别表示悬浮电极电位、表面积和电极上的电荷量.悬浮电极求解应满足⎧⎩⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪∇2φ˙=0φ˙=U˙F∮ε0∂φ∂nds=Ep(6){∇2φ˙=0φ˙=U˙F∮ε0∂φ∂nds=Ep(6)U˙U˙F在计算前初始假定,通过迭代,使得悬浮电极的总电荷接近零,本文Ep取1E-12.采用有限元法求解式(4),即可得到不同频率分量下场域各节点的电位相量φ˙φ˙(k)ii(k),然后将各频率电位分量变成瞬时表达式,再将3个频率分量下瞬时变化的电场分布叠加,求得整个场域的暂态电场分布及电场强度分布.φi(t)=∑k=13φ(k)i(t)(7)φi(t)=∑k=13φi(k)(t)(7)其中k为正整数,表示谐波的次数;φ(k)ii(k)(t)为第k次谐波的电位.3计算结构和计算3.1介电常数和屏蔽装式密度的测定图3为40.5kV真空断路器灭弧室的计算结构示意图,计算区域包括真空、瓷套、触头和屏蔽罩4种物质.其中真空介电常数ε0=8.85×10-12F/m;瓷套的相对介电常数取εr=6.0.3.2计算内容和结果分析3.2.1暂态电压的结果采用有限元法对图3的结构进行了计算,计算区域被剖分为10969个单元和5692个节点,剖分的示意图如图4所示.图5为计算时间t=0.02ms(触头间最大电压时刻)时灭弧室的电位分布曲线,由计算结果可知:在不同的计算时刻,灭弧室中的电位分布曲线的分布趋势相同,表明了暂态过电压作用在计算边界上时,场域的响应没有滞后,与计算的时间步长相比,计算区域在不同激励值下的暂态响应是瞬间完成的.同时在动、静触头表面的转弯处和悬浮电极的弯曲处出现了电力线的集中,并产生了较高的电场,当电极表面的光洁度不高时,很容易造成触头间再次击穿,产生更高的过电压,造成触头间隙的再次复燃.3.2.2最大电场强度的确定真空断路器触头间的击穿除了与触头材料及触头表面的光洁度有关外,触头表面的电场强度值也是一个重要的因素.图6给出了电力线收缩的3个典型部位(图3中的A、B、C点)的电场强度随时间变化的曲线.由图6可以看出,电场强度最大值的发生时刻为t=0.02ms,此时静触头表面的转弯处,其最大值高达EAmax=2702V/mm,如此高的电场强度值及易造成触头表面的电场发射,使得触头间隙的绝缘击穿.其它两点也出现了较高的电场强度值,分别为Emax=866V/mm和ECmax=676V/mm.为进一步分析触头表面电场分布情况,图7分别给出了t=0.02ms(最大电场强度值发生时刻)静触头表面,中封悬浮电极的内、外表面电场强度分布.由图7可以看出,最大电场强度发生时刻,静触头表面及中封悬浮电极表面出现了不均匀的电场分布,除图6中出现的最大电场强度外,在触头表面的局部位置也出现了较高的电场,因此,对这些位置的绝缘设计应给予足够的重视.4u2009局压电线暂态电压的特性计算了真空断路器开断空载变压器时由复燃和截流引起的暂态过电压,并采用有限元方法首次对真空断路器灭弧室内的暂态电场进行了计算,计算结果表明:1)由复燃和截流引起的暂态过电压在截流后20ms时,触头之间出现了最大的过电压,最大过电压的值为2.48p.u.2)通过离散的傅立叶变换(DFT)可知,暂态过电压包括3个主要的频率分量:50Hz的工频分量、由负载电容电感决定的1.3kHz振荡分量和2MHz的高频分量,高频分量主要是断路器等值电容和线路的电感引起的.3)断路器灭弧室中