电弧电接触理论

SF6断路器灭弧室设计

姓名：叶玮

学号： 2010255

专业：电机与电器

指导教师：曹云东

论文提交日期：年月日

目录

1 灭弧室简介 (1)

2 平均分闸速度

υ的设计 (1)

f

3 触头开距

ι及全行程0ι设计 (3)

k

4 喷嘴设计 (3)

4.1 上游区设计 (3)

4.2 喉颈部设计 (5)

4.3 下游区设计 (7)

5 总结 (8)

1 灭弧室简介

断路器的主要功能是安全可靠地开断与关合。目前高压SF6断路器的发展方向是单断口开断容量增大，而产品整体体积逐渐缩小，这就要求断路器开断过程中吹弧气体流动必须合理。SF6断路器是靠气吹来熄弧的，因此在开断过程中灭弧室内气流场的分布状况就成为研究高压SF6断路器开断特性非常重要的组成部分。

GCB 灭弧室带负荷开断过程，是一个涉及热力学、气体动力学、电磁学及高压绝缘等专业的极其复杂的物理过程，电弧的燃烧与熄灭特性与灭弧室结构息息相关。以往的灭弧室设计是以理论定性分析为基础结合研究试验的经验设计，设计可靠性小、盲目性大、成功率低。近年来，灭弧室开断特性的数学模拟计算软件包已做了许多研究，有成果但不能满足工程设计计算需要，还应继续研究。一个新的GCB 灭弧室数学计算模型(或新型灭弧室研究试品)设计的好坏，对计算机计算结果的可适用性及反复修改设计、重复计算的次数都有直接的影响。

SF 6断路器灭弧室的喷口，对开断过程中吹弧气体的流动起着控制作用，它直接影响着开断过程中喷口内SF6气体的介质强度的恢复特性。从而对灭弧室喷口的设计成为SF6断路器整体设计中的核心内容之一。断路器喷口结构对开断性能的影响很大，喷口是决定特高压断路器开断性能的最关键部件，也是特高压断路器设计的核心。为此，世界上各大SF6断路器制造厂家研发出各具特色、具有独立知识产权的喷口结构。但是，各公司的喷口的设计技术都是核心的机密。目前为止，研究喷口结构和气流控制的国内外报道极少。

影响灭弧室工作特性的主要元件和特性参数是：分闸速度；行程、超程和开距；压气缸直径与容积；喷嘴尺寸与形状；触头形状与尺寸。

2 平均分闸速度f

υ的设计 确定f υ主要考虑两个因素，一是开断小电容电流(相当于冷态开断)时．要保证断口有足够的介质恢复强度；二是近区故障(SFL)开断时，对应短燃弧时间t d ，要保证断口有足够快的介质热恢复速度。

切空载长线GCB 开断小电容电流(31.5~500A)时，对应于最短燃弧时间的断口电强度可由下式计算

7.00

71f k 69.0t ）（ρρυK E U K = 式 1 式中 6K ——设计裕度，6K =1.15；

U ——恢复电压峰值（KV ）

n n n 78.2327.12322U U U K U =⨯⨯=⨯=

按JB ／T 5871—199l 《交流高压断路器线路充电电流开合试验》表4及第11.2.2条，单相试验时恢复电压峰值为

322n U K U ⨯=

其中系数x ＝1.2~1.7，它与系统中性点是否接地、是否发生单相(或两相)短路有关，计算时取最大值1.7。U(KV)为系统额定工作电压。 t （ms ）是从起弧瞬时到恢复电压上升到峰值所需的最短时间：

t sk =t d +t 2

t d 为切小电容电流时可能的最短燃弧时间， t 2＝8.7ms 。E 1(KV ／mm)为GCB 在SF 6操作闭锁气压时允许的雷电冲击场强。考虑开断小电容电流时少量电弧分解物对绝缘的影响，计算时灭弧室断口间允许场强取0.9E 1。

K 7为断口电场分布不均匀系数，与触头结构和开距有关，在切小电容电流开距较小时，K7值较大。

表一 切长线时可能的最短熄弧时间t d 表二 灭弧室断口电场不均匀系数K 7

）（0

ρρ切小电容电流时短燃弧时间对应的断口间SF6平均密度ρ与GCB 额定SF6密度ρ0的比值。不同的灭弧室，）（

0ρρ值不尽相同，根据部分灭弧室冷态气流场计算的经验数据，初步设计时可取5.10

=ρρ， 328.17.00=）（ρρ。由式(1)可得： k

n k n k t E U K E t U K t E UK K 1717017

6f 674.2328.19.078.215.19.0=⨯⨯⨯⨯=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=ρρυ 式 2 式中 t k ——s 按表一取值(ms)；

K 7——按表二取值；

U ——额定电压(KV)；

E l ——E 1=24kv ／mm(SF6为0.4MPa 时)，E 1＝29kV ／mm(SF6为0.5MPa 时)。 按式(2)，126kV GCB ，取K 7＝3.2，U ＝126kV ， t k =9.7ms ， E l ＝24kV ／mm ， 算出f υ＝4.6m/s 。同样可算出252kV 、363kV 及550kV 单断口灭弧室对应的平均分闸速度为

7.6m/s 、9.2m/s 及11.6m/s 。

对于压气式灭弧室，当机构操作功充足时，f υ值可比式(2)计算值稍高。对自能式灭弧室可稍取低一点。在初步确定f υ值后，应对分闸速度特性()t f =f υ作必要的限定。从刚分点t 开始至短燃弧时间小时段内，要求平均速度f υ数值大一些，以压缩短燃弧时间；在长燃弧时间开断时，过大的f υ可能导致动触头提前达到分闸终点，使零后的吹弧能力太弱或者

丧失，因此从t d 时刻应投入分闸缓冲，压缩f υ，并要求在t c 时刻，气缸内要维持足够的SF6气体，为此要设定从t c 到分闸终点t f 时段应大于3ms 。速度特性()t f =f υ设计好之后，为后面的其他灭弧室元件设计提供了依据。f υ初设值是否合理，最终还需要经灭弧室SLF 开断特性的数学模拟计算来确认。必要时可作少量调整。

3 触头开距k ι及全行程0

ι设计 触头开距与分闸位置时断口间的静态耐受电压的能力有关，也与各种开断时必需的熄弧距离有关。初步设计时，重点考虑由f υ及各种开断时预期的最长燃弧时间t c 所决定的最长熄弧距离f υt c 的需要，开距k ι应满足下式要求

()ms 3t c f k +≥υι 式 3 同时还应按下式核算分闸位置时的静态电强度

176k E U K K ≥ι 式 4

式中 k ι——触头开距(Mm)；

K 6、K 7——见式(1)及表二；

t c ——比较稳妥的预期长燃弧时间，t c =25ms;

U ——断口间雷电冲击耐受电压 (KV)

E 1——同式(2)的值。

k ι按式(3)、式(4)两式计算结果取较大值，弧触头超程c ι取30~40mm ．与电压等级无关。为保证弧触头比主触头先分断，主触头超程较小取15~20mm 。全行程0ι＝k ι+c ι。 4 喷嘴设计

喷嘴形状与尺寸对气吹压力的建立和整个熄弧过程中气吹压力特性的影响、对弧道气流状态的影响都很大，对灭弧室的开断性能起着关键性作用。喷嘴初步设计包括三个部分(上游区、喉颈部及下游区)的形状和尺寸设计。

4.1 上游区设计

见图一，喷嘴入口处电弧长L u 对熄弧有两种相反的影响