我国电力系统内各区域电网的短路电流水平逐年提升，部分地区短路电流已经超过目前断路器具备的短路电流开断能力，采用一种高耦合度的紧耦合空心电抗器用于与两个支路断路器并联，提高开断能力以解决现有断路器开断能力不足问题。
引言
目前，高压断路器的绝缘介质主要采用SF6，中压断路器的绝缘介质主要采用真空;随着环保意识逐渐加强，世界各国的开关行业都在寻找一种绝缘性能优良且环保的开关，以替代SF6高压断路器。真空开关具有环保、少维护的优良特性，但真空绝缘主要应用于中压领域，其具有短间隙绝缘优良的特点;目前，比较成熟的真空灭弧室电压等级为40.5kV和72.5kV，开展真空短间隙串联可提高绝缘耐压等级。本文将3个40.5kV真空断路器模块串联构成126kV断路器，采用均压电容将3个断路器模块进行串联均压，可提高整体断路器耐受恢复电压的能力;随着更高电压等级的126kV单个灭弧室研制成功且可靠应用后，可将真空介质应用进一步提升到超高压断路器。
目前，我国电力系统内各区域电网的短路电流水平逐年提升，部分地区短路电流已经超过目前断路器具备的短路电流开断能力，国外公司曾经开展过断路器直接并联技术应用于发电机出口断路器;本文采用一种高耦合度的紧耦合空心电抗器用于与两个支路断路器并联，提高开断能力以解决现有断路器开断能力不足问题。
1、整体结构设计
研制一种高压交流智能型模块化光控真空断路器，其样机参数为：额定电压126kV，额定电流5000A，短路开断电流80kA。高压交流智能型模块化光控真空断路器(以下简称整机)的A相断路器结构，如图1所示，紧耦合空心电抗器与两支路断路器串联，每个支路断路器由3个真空断路器模块串联，通过均压电容进行均压。单个40.5kV、2500A/40kA光控真空断路器模块如图2，断路器模块的操动机构采用永磁机构与灭弧室直动式连接，分合闸电容的电源通过感应电源线圈从高压线路取能，控制器封闭在高压侧金属模块内，由光纤控制真空灭弧室模块的分合闸。
1-左端盖法兰;2-真空灭弧室;3-右端盖法兰;4-电源;5-高压侧控制器(永磁机构控制系统);6-光纤接口;7 -外绝缘;8 -永磁操动机构;9- 感应电源线圈;10- 软连接;11-中间法兰
图2 40.5kV真空断路器模块结构图
模块具体参数为：触头开距18±1mm，触头超程4±1ms，分合闸分散性小于1ms，模块样机触头刚分后12mm的平均分闸速度1.8±0.2 m/s，触头接触前12mm的平均合闸速度1.2±0.2 m/s，合闸弹跳≤2ms，分闸反弹≤1mm，断路器模块实物如图3所示。
图3 40.5kV真空断路器模块实物图
对于静态耐压下U型排列的三断口串联真空断路器，静态均压下不同电容值对均压效果的影响见图4，按照不均匀系数n<1.1选取均压电容值，取500 pF可满足要求。
图4 静态均压下不同电容值对均压效果的影响
对动态均压下同期开断与非同期开断时串联三断口的电压分布开展研究。同期开断为串联三个断路器模块在同一时刻开断，同期开断时，不同均压电容值对各断口TRV峰值处电压分布影响见图5，当均压电容大于400pF时，不均匀系数已小于1.1，基本满足设计要求。
图5 同期开断条件下三断口真空断路器的TRV峰值随均压电容值的变化关系
非同期开断时，各断口开断顺序不同时对各断口电压分布的影响不同，计算TRV峰值处不同电容值对各断口均压的影响见图6。当断口开断排序先后为断口1、断口2、断口3时，200pF可使不均匀系数n<1.1，需要的均压电容值与同期开断时相比较小。当断口开断先后排序为断口3、断口2、断口1时，若要满足不均匀系数n<1.1，则并联均压电容值要大于700pF。适当调整三断口开断顺序可提高分布效果。对图4、图5、图6的数据分析和比对，均压电容对断口均压性具有饱和效应。增大电容值可降低TRV的上升率，但使断路器断口间恢复电压TRV幅值加大不利于开断，综合考虑选取1000pF。
紧耦合空心干式电抗器如图7所示，它的功能是实现正常工作状态下对各并联真空灭弧室间的强制均流作用，以及异常工作状态下对各并联真空灭弧室的强制限流作用。
紧耦合空心干式电抗器的参数为：额定电压126kV，单臂电感2.6mH，耦合系数0.97，额定电流2×2500A，短时耐受电流2×40kA-2s，峰值耐受电流2×100kA，直流电阻3.9mΩ。
整机控制器如图8所示，整机控制器可同时收发18路光纤控制信号给断路器模块内的高压侧控制器。整机控制器可分别单独控制单个断路器模块，通过控制器可对每个模块的分合闸时间进行延时设定，确保刚分刚合时间在同一时刻，降低分合闸的分散性。高压交流智能型模块化光控真空断路器整机(126kV-5000A/80kA)在特高压交流试验基地进行组装，整机现场图如图9所示。
图8 整机的控制器
图9 126kV-5000A/80kA真空断路器现场
2、整机试验
整机试验分别在特高压交流试验基地和西安高压电器研究院完成，试验方式为研究性试验，从绝缘等级、均流限流能力、短路电流开断能力等方面考核整机性能，制定的试验项目主要包括绝缘试验、均压试验、机械操作试验、回路电阻测试和短路开断试验等。
2.1绝缘试验
整机断路器设备的绝缘试验，依据GB/T11022-1999标准中断路器绝缘试验要求，对断路器相对地、相间、断口间，进行1min工频耐压和雷电冲击试验。整机试验现场如图10所示。依据标准中绝缘试验要求，在安装现场对单个40.5kV断路器模块进行绝缘试验，断路器对地电压、相间电压和断口电压均为95 kV/1min;对126kV三个串联断路器模块进行绝缘试验，断路器对地电压、相间电压和断口电压均为185kV/1min;试验设备采用工频升压变压器进行耐压试验;绝缘试验中的雷电冲击试验在室内进行，依据GB1984和GB11022要求，对40.5kV单个断路器模块施加185kV ，对126kV三个串联断路器模块施加450kV，正负极各进行15次;试验全部一次成功通过。
图10 整机断路器绝缘试验现场
2.2均压试验
三个真空断路器模块串联均压试验包括静态均压测试试验和动态均压测试试验。静态均压测试试验采用工频升压装置对三断口串联模块施加电压，用静电电压表测量三断口模块串联的总电压，绝缘子分布电压测量表测量模块断口各端电压，U型排列三断口模块串联真空断路器无并联电容试验数据见表1，并联1000pF电容后的数据见表2。电容器对改善各断口电压分配不均匀的现象有明显效果，可以使各个断口的电压达到比较接近的水平，起到良好的静态均压作用。
表1 U型三断口模块串联真空断路器无并联电容试验数据
表2 U型三断口模块串联真空断路器并联电容试验数据
动态均压测试试验，采用合成回路进行暂态恢复电压TRV13kV，短路电流20kA下的开断试验，在各模块两端并联1000pF的均压电容，试验的现场布置如图11所示。
图11 并联1000pF均压电容的三断口开断试验现场布置图
整机断路器采用2944﹕1的电阻分压器测量两端电压;三个真空断路器模块断口电压采用泰克P6015A高压探头测量，电压量程为直流20 kV，借助光纤隔离采集系统对各电压实现模拟数字进行隔离测量;采用Pearson电流探头测量流过三断口真空断路器模块的短路电流，电流量程为工频20kA。采用泰克DPO4054四通道500MHz带宽数字示波器记录试验波形。示波器测试图，如图12所示，从图12中可以得到各个断口两端的TRV峰值，并可计算出各个断口承担的电压百分比，见表3;从表3可以看出U型排列方式下三断口真空断路器并联1000 pF均压电容后，三个断口的动态TRV分配均匀。
表3 三断口真空断路器的TRV分配关系
(1—短路电流;2—高压断口两端TRV电压;3—中间断口两端TRV电压;4—低压断口两端TRV电压)
图12 并联1000pF均压电容时三断口真空断路器TRV波形
2.3均流与限流试验
由于整机回路阻抗0.012Ω，升流5000A，开口电压为60V，常规升流器开口电压较低，需要研制升流设备额定开口电压100V，额定电流5000A的升流器进行大电流试验。为了对整机设备中紧耦合空心电抗器的均流和限流效果进行验证，在特高压试验基地搭建整机试验平台，测试设备主要包括：1台升流器、2台电子式组合互感器、1套监测后台。监测后台可在线监测三相断路器各并联支路中的电流电压量，断路器的分合闸位置，操作次数等信息。在特高压交流试验基地现场进行紧耦合空心分裂电抗器的均流和限流试验现场如图13所示。由于现场电源提供试验容量的限制，仅能对现场整机设备的回路电流试验做到500A，对紧耦合空心电抗器的均流和限流效果进行考核。
图13 真空断路器试验现场
通过监测后台可实现对现场整机三相断路器的各并联支路电流实时查看和记录，对紧耦合空心电抗器中均流和限流电流的测量值进行显示，可实现数据的记录和捕捉，是完成试验的主要人机交互界面。监测软件的主监控界面如图14所示。通过权限设置可设定操作人员的级别，避免误操作;网络设置可实现数据远程查看和捕捉。
图14 监测软件的主监控界面
通过控制器设置指令，两并联断路器同时开断，其紧耦合空心电抗器均流试验波形见图15所示，图15中1通道对应的电流为总回路电流，2、3通道对应的为加入紧耦合电抗器后流经两并联支路电流。图中横坐标为时间，单位为每大格10ms;纵坐标为经电流互感器测量的电流值，单位为A。由图15可见均流效果明显，两并联支路电流幅值与相位均保持一致。
图15 真空断路器并联均流试验波形
通过控制器设置指令，两并联支路断路器模块先后开断，其紧耦合空心电抗器限流试验波形见图16所示(横纵坐标同图15)，可见加入电抗器后限流效果明显，后开断支路电流下降至原值20%，紧耦合电抗平滑接入系统，对系统和设备无冲击。
图16 真空断路器并联限流试验波形
2.4开断试验
整机开断试验对灭弧室短路电流开断、均压电容动态均压效果和操动机构速度与分散性控制等整体性能进行高压强电流动态考核。整机开断试验在西安高压电器研究院大容量试验站进行。整机试验方式采用合成振荡回路，回路的示意图，如图17所示(略)。
为了对整机设备的并联和串联性能进行考核，整机设备试验现场为两种试验形态。第一种试验形态为整机设备并联考核，整机40.5kV/5000A—40kA真空断路器的组成为：2台40.5kV真空断路器模块、1台紧耦合空心电抗器和1台控制器。整机结构为并联断路器模块与紧耦合空心电抗器串联，40.5kV整机试验现场的组装接线图如图18所示。
图18 模块断路器并联(40.5kV)整机试验现场
第二种试验形态为整机设备串联考核，整机126kV/5000A—40kA真空断路器的组成为3台40.5kV真空断路器模块串联，通过1000pF均压电容与3个真空断路器模块并联后再进行串联，126kV整机试验现场的组装接线如图19所示。
图19 模块断路器串联(126kV)整机试验现场
现场试验为40.5kV/5000A—40kA真空断路器开断性能试验，在短路电流20kA、TRV为69.24kV，短路电流40kA、TRV为68.60kV时成功开断，并对40kA短路电流进行了燃弧区间试验，燃弧区间为6.0~13.5ms。126kV/5000A—40kA真空断路器开断性能试验，对短路电流分别为12kA、20kA、30kA和40kA，TRV为218kV，工频恢复电压为109kV，进行成功开断。单相试验时工频恢复电压要求为：首开极系数1.5与相对地电压(Ur / √3)乘积，对应单相126kV断路器工频恢复电压为109kV。全部短路试验前后，对操作电压施加最低电压、额定电压和最高电压下“分-0.3s-合分” 方式下5次，分闸时间、合闸时间不超过规定的分合闸时间范围。
本文对高压交流智能型模块化光控真空断路器的结构进行设计，并对整机进行绝缘试验和开断试验考核，试验结果表明整机设备的电气绝缘、均流和限流、短路开断、机械操作等指标优越，符合设计技术条件，提供了一种环保型、模块化、光控式的新一代高压断路器，为真空断路器在超高压领域中应用打下坚实基础。(李辉 孟涛 陈江波等)
作者简介
李辉(1982—)，男，硕士，高工，一次设备智能化和高压试验技术研究。
孟涛(1984—)，男，硕士，工程师，一次设备智能化和高压试验技术研究。
原标题：【设备研制与应用】李辉：高压交流智能型模块化光控真空断路器的研究与试验
