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机械专业英语论文
中国首个126KV真空断路器
王季梅
(西安交通大学电器工程学院,中国西安,710049)
摘要:
本文介绍了中国首个126KV单断真空断路器,描述了126KV真空断路器的机构及其电极构造。
特别是,在真空开关中用硅油实现外部绝缘,设计了散热片以提高额定电流,设计大行程的永磁操作机构来提高真空断路器的性能。
1、引言
在中国,由西安交通大学、真空灭弧室制造商和真空开关厂家相互合作,已经完成了一个关于研究和开发126KV单断真空断路器的项目。
建立一个原型花费了大约16个月的时间,它的主要技术指标如表1所示。
2、126KV真空断路器的结构
126KV单断真空断路器的原型如图1所示。
图中,三个真空灭弧室分别组装在各自的瓷套1上。
瓷绝缘支座2安装在横向钢支架3上,三个永磁操作机构4分别安装在每个瓷绝缘支架2的末端,永磁操作机构4由控制箱5进行电控,从而实现同步开关。
在横向钢支架3和钢基座7之间焊接有两个钢支撑6。
真空断路器安装在水泥块上。
相邻真空灭弧室之间的距离是1700mm,整个断路器的高度接近5000mm.
3电极分析
3.1、A型轴向磁场电极
图2所示为A型轴向磁场电极的结构。
如图3所示,在真空灭弧室中,当电流通过线圈时会产生一个磁场。
在峰值电流时,分布于接触体间隙的中间面的轴向磁通密度如图4所示,图中,在峰值电流平均值为40KA、接触体直径为100mm、接触面气隙为60mm时,中间面的最大轴向磁通密度为0.205T。
合成电路测试表明,配有A型电极轴向磁场的真空灭弧室模型很好的中断了一个平均电流为40KA的短路电流。
3.2、B型轴向磁场电极
图5所示为B型轴向磁场电极的结构。
电流通过导引棒1流经线圈2,再进入接触圆板3,穿过圆板电流流经与之对应的圆板4、线圈5和棒6。
当电流通过线圈2和线圈5时就产生了轴向磁场,峰值电流时,轴向磁场在接触气隙中间平面的分布如图6所示。
图中,在峰值电流平均值为40KA、接触体直径为100mm、接触面气隙为60mm时,中间面的最大轴向磁通密度为0.356T,这比A型轴向磁场电极时增加了74%。
合成电路测试表明,配有B型电极轴向磁场的真空灭弧室模型很好的中断了一个平均电流为40KA的短路电流。
3.3、C型轴向磁场电极
图7所示为C型轴向磁场电极的机构,它是一个双极轴向磁场电极。
如图8所示,电流经过导引轴,分成两路通过线圈,再流到一个连接圆盘,接着通过两个真空灭弧装置,此后,电流流经与之对应的连接盘,连个线圈以及导引轴。
故而,在导引轴的两旁产生方向相反的感应磁场。
在峰值电流平均值为40KA、接触体直径为100mm、接触面气隙为60mm时,中间面的最大轴向磁通密度为0.202T。
4、硅油浇注技术
在高压真空断路器中,SF6是一种候选绝缘物质。
考虑到其温室效应,我们采用Okubo和Yanabu的建议,尝试用硅油来替代作为126KV真空断路器的外部绝缘物质。
硅油是一种透明的物质,它的浇注技术如下:
1)先用蒸馏水清洗磁套内腔,再用100%的乙醇清洗。
2)如图9所示,将磁套内腔抽成真空。
首先,打开真空阀将内腔压力抽到0.2Pa;其次,保持真空度在0.2-0.3Pa的同时打开硅油阀让硅油自由的流到内腔中直到达到指定的高度;第三,再次打开真空阀将油上的剩余空间抽成0.5Pa;最后,关闭真空阀打开N2控制阀,让N2将空间的压力充至1Pa。
3)24小时之后,观察N2压力计看N2压力是否正常从而判断硅油浇注是否成功。
5、关于额定电流的研究
图1所示126KV真空断路器的的额定电流的有效值为1600A。
为了提高它的有效电流,在断路器上安装了散热器,以提高它的额定电流水平。
图10为本断路器的散热器的布局。
如图11所示,为了提高126KV真空断路器的性能,在出口终端测出温升。
测试结果表明,当额定电流的有效值为2000A时出口终端的温升为30K,这满足了中国的国家标准。
当额定电流为2000*1.2=2400A时的额外温升测试结果表明,它既满足中国国家标准又满足ICE标准。
这表明,借助于散热器技术额定电流由1600A增加到了2000A。
6、大行程永磁操作机构的开发
永磁操作机构的结构非常简单,它的组成部件数仅为传统弹簧操作机构的25-40%。
此外,它还具有高可靠性和长达100000次操作寿命等优点。
永磁操作机构已经出现在市场上,使用于真空断路器后得到了很多的共同好处。
我们开发了一种用于126KV真空断路器的大行程真空断路器,它的行程为60mm,平均分闸速度为3.5-4m/s。
此外,永磁操作机构实现了同步操作,这进一步提高了高压真空断路器的性能。
由于永磁操作机构的性能稳定,它可以用于控制分合闸时间为500us的真空断路器。
当电流很低时,真空灭弧室很容易停止工作。
根据我的经验,这将增加额定断路断开电压20-25%。
在合闸操作时,冲击电流将减至0左右。
7、结论
本文介绍了中国首个126KV真空断路器的设计特点,即:
1)用硅油作为真空灭弧室的外部绝缘物质。
2)增设了散热器,使真空断路器的额定电流增至2000A。
3)利用永磁操作机构来实现同步开关操作。
126kVVacuumCircuitBreakerDebutedinChina
JimeiWang
(DepartmentofElectricalEngineering,Xi'anJiaotongUniversityXi'an710049,ShaanxiProvince,P.R.China)
Abstract-Asinglebreak126kVvacuumcircuitbreakerdebutedinChinaisintroduced.Configurationof126kVvacuumcircuitbreakerandconfigurationofitselectrodeareillustrated.Particularly,siliconeoilisusedasexternalinsulationofvacuuminterrupters.Heatradiatorsaredesignedforraisingratedcurrent.Permanentmagnetactuatorswithlongstrokearedevelopedforimprovingperformanceofthevacuumcircuitbreaker.
I.INTRODUCTION
Aprojectofresearchinganddeveloping126kVsinglebreakvacuumcircuitbreakerisbeingdonebycooperationofXi'anJiaotongUniversity,vacuuminterruptermanufacturersandvacuumswitchgearfactoriesinChina.Ittooknearlysixteenmonthstofinishaprototype.ItsmaintechnicalobjectivesareshowninTable1.
II.CONFIGURATIONOF126kVVACUUMCIRCUITBREAKER
The126kVsinglebreakvacuumcircuitbreakerprototypeisshowninFig.1,whichshowsthreevacuuminterruptersareindividuallyassembledineachporcelainbushing1.Porcelaininsulatingsupport2ismountedonahorizontalsteelbracket3,andthreepermanentmagnetactuators4areseparatelyinstalledattheendofeachinsulatingporcelaininsulatingsupport2,whichareelectronicallycontrolledbycontrolbox5,thussynchronizationswitchingcouldberealized.Twosteelvacuuminterrupterthatisassembledinporcelainbushing,2-porcelaininsulationsupporters,3-horizontalsteelbracket,4-permanentmagneticactuator,5-controlbox,6-steelsupportingstand,7-steelbasesupportingstands6areweldedbetweenhorizontalsteelbracket3andsteelbase7.Thevacuumcircuitbreakerisfixedonacementblock.Thedistancebetweenvacuuminterruptersis1700mmandthetotalheightofthebreakerisapproximately5000mm.
III.ELECTRODEANALYSIS
A.Axialmagneticfieldelectrode-TypeA
ConfigurationoftypeAaxialmagneticfield(AMF)electrodeisshowninFig.2.J1'Magneticfieldisgeneratedwithcurrentpassingthroughcoilsanditappliesonvacuumarc,whichisshowninFig.3.TheaxialmagneticfluxdensitydistributiononintermediateplaneofcontactgapatcurrentpeakisshowninFig.4.Itshowedthatmaximumaxialmagneticfluxontheplaneis0.205Tatcurrentpeakwithcurrent4OkArms,contactdiameter100mmandcontactgap60mm.AsyntheticcircuittestshowedthatavacuuminterrupterprototypewiththetypeAAMFelectrodesuccessfullyinterrupteda4OkArmsshortcircuitcurrent.
B.Axialmagneticfieldelectrode-TypeB
Fig.5showsconfigurationoftypeBAMFelectrode.21Currentflowsthroughconductingrod1,thenitgoesoneroundincoil2anditenterscontact3.Bypassingthrougharc,currentflowsthroughcounterpartcontact4,coil5androd6.AMFisgeneratedwithcurrentpassingthroughcoil2andcoil5,anditsdistributiononintermediateplaneofcontactgapatcurrentpeakisshowninFig.6.Themaximumaxialmagneticfluxdensityontheplaneatcurrentpeakis0.356Twithcurrent40kArms,contactdiameter100mmandcontactgap60mm,whichis7400higherthanthatoftypeAAMFelectrode.SyntheticcircuittestalsoprovedthatavacuuminterrupterprototypewithtypeBelectrodecansuccessfullyinterrupta40kArmscurrent.
C.Axialmagneticelectrode-TypeC
Fig.7showsconfigurationoftypeCAMFelectrode[3].
ItisabipolarAMFelectrode.AsshowninFig.8,currentpassesthroughaconductingarm,thenitdividesinto2branchesinacoil.Afterthatcurrentgoesintocontactplateanditpassesthrough2vacuumarccolumns.Thereafteritenterscounterpartcontactplate,2coilbranchesandconductingarm.Sotheinducedmagneticfieldhaveoppositedirectionsat2sidesofconductingrods.Themaximumaxialmagneticfluxdensityonintermediateplaneofcontactgapatcurrentpeakis0.202Twithcurrent40kArms,contactdiameter100mmandcontactgap60mm.
IV.SILICONEOILPOURINGTECHNOLOGY
SF6isanexternalinsulationcandidateinhighvoltagevacuumcircuitbreaker.Consideringitsgreenhouseeffects,siliconeoilwastriedasanreplacementofSF6asexternalinsulationof126kVvacuumcircuitbreaker,assuggestedbyOkuboandYanabu.41Siliconeoilisakindoftransparentliquids.Itspouringtechnologyisasfollowing:
1)Tocleanporcelainbushingcavitywithdistilledwaterandthenuse10000ethylalcohol;
2)ToVacuumizetheporcelainbushingcavityasillustratedinFig.9.First,openthevacuumvalvetovacuumizethecavityto0.2Pa.Second,keepvacuumdegreeat0.2-0.3Paandgraduallyopenthesiliconeoilvalveandletsiliconeoilfreelyflowinthecavitytillreachingaspecifiedheightlevel,thenclosethevacuumvalve.Third,reopenthevacuumvalvetovacuumizetherestspaceovertheoilto0.5Pa.Finally,closethevacuumvalveandopentheN2gasvalvetochargeN2intothespacetillto1Pa.
3)ThesuccessofoilpouringtechnologycanbeexaminedbycheckingtheN2pressureatnormalpositionornotwithobservingthegaugeafter24hours.
V.RESEARCHONRAISINGRATEDCURRENT
Ratedcurrentof126kVvacuumcircuitbreakershowninFig.1is1600Arms.Toraiseitsratedcurrent,heatradiatorsareinstalledonthebreakertoimproveitsratedcurrentlevel.Fig.10showsthelayoutofheatradiatorsattachedtothisbreaker.Temperaturerisewasmeasuredfortheimproved126kVvacuumcircuitbreakerprototypeatanoutletterminal,asshowninFig.11.Testresultsshowedthattemperatureriseattheoutletterminalwas30Kwithratedcurrent2000Arms,whichmeetstherequirementsofChinesestandard.Anadditionaltestfortemperatureriseatratedcurrent20001.2=2400AshowsthatitstillsatisfiestheChinesestandardandIECstandard.Thisshowedthatratedcurrentwasincreasedfrom1600Ato2000Abytheheatradiatorstechnology.
VI.DEVELOPMENTOFHIGHSTROKEPERMANENTMAGNETACTUATOR
Constructionofpermanentmagnetactuatorisquitesimple.Itspartsnumberisonly25-4000ofspringtypeactuator.Besides,ithasmeritsofhighreliableperformanceandlongmechanicallifethatisapproximately100,000operations.Sincepermanentmagnetactuatorappearedonthemarket,ithasdrawnacommoninterestinvacuumcircuitbreakers.Wedevelopedahighstrokepermanentmagnetactuatorfor126kVvacuumcircuitbreaker.Itscontactstrokeis60mmandaverageopeningvelocityis3.5-4m/s.Moreover,synchronizationswitchingcanberealizedbypermanentmagnetactuatorthatcanfurtherimproveperformanceofhighvoltagevacuumcircuitbreaker.Becauseperformanceofpermanentmagnetactuatorisstable,itcanbeusedtocontrolthecontactsofvacuum
circuitbreaker,whichopenorcloseatabout500spriortocurrentzero.Withmuchlowercurrentvacuumarciseasytoextinguish.Bymyexperiencethismayraisetheratedshortcircuitbreakingcurrentby20-25%.Andinclosingoperation,rushcurrentcanbereducedtonearlyzero.
VII.CONCLUSIONS
Designfeaturesofsinglebreak126kVvacuumcircuitbreakerdebutedinChinaisintroduced,whichinclude:
1)Siliconoilisusedasexternalinsulationofvacuuminterrupters.
2)Ratedcurrentofthevacuumcircuitbreakerwasraisedto2000Awithheatradiators.
3)Synchronizationswitchingcanberealizedbypermanentmagnetactuator.