孫文藝

（廣東明陽(yáng)電氣股份有限公司，廣東中山 528451）

0 引言

2020 年9 月，我國(guó)提出將提高國(guó)家自主貢獻(xiàn)力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060 年前實(shí)現(xiàn)碳中和。為了實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)，國(guó)家發(fā)改委和國(guó)家能源局等印發(fā)了《“十四五”可再生能源發(fā)展規(guī)劃》指出在山東半島、長(zhǎng)三角、閩南、粵東、北部灣五大海上風(fēng)電基地，加快推動(dòng)海上風(fēng)電集群化開發(fā)，推動(dòng)深遠(yuǎn)海風(fēng)電技術(shù)創(chuàng)新，建設(shè)深遠(yuǎn)海示范項(xiàng)目［1］，根據(jù)環(huán)保與公用事業(yè)周報(bào)指出，我國(guó)海域風(fēng)力資源豐富，“十四五”期間各地區(qū)新裝機(jī)超過(guò)50 GW［2］，未來(lái)海上風(fēng)電承擔(dān)著清潔能源排頭兵角色，將成為電網(wǎng)能源重要組成部分。

隨著海上風(fēng)電的快速發(fā)展，輸電容量、離岸距離不斷增加，將面臨復(fù)雜多變的問(wèn)題，海上風(fēng)電的技術(shù)問(wèn)題日益嚴(yán)峻，其包含輸電方式的選擇［3］。

目前海上風(fēng)電輸電方式主要以下幾種：工頻交流系統(tǒng)、直流輸電系統(tǒng)及西安交通大學(xué)王錫凡教授課題組提出的分頻（低頻）交流系統(tǒng)［4］。文獻(xiàn)［5－8］介紹了3種不同的輸電方式的可行性及優(yōu)缺點(diǎn)，工頻交流輸電發(fā)展時(shí)間長(zhǎng)、技術(shù)體系成熟，具有電磁變壓、過(guò)零開斷、多級(jí)組網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)，但長(zhǎng)距離輸電受電壓降、靜穩(wěn)極限的影響，輸送容量難以達(dá)到其熱極限。直流輸電系統(tǒng)適用于遠(yuǎn)距離大容量輸電，基于電力電子設(shè)備，具備調(diào)控能力，但沒(méi)有電磁變壓、過(guò)零開斷特性，組網(wǎng)難度大成本高。分頻（低頻）交流系統(tǒng)適用于新能源輸送并網(wǎng)等場(chǎng)合，兼具以上兩種輸電方式的優(yōu)點(diǎn)。

海上風(fēng)電場(chǎng)主要傳輸設(shè)備為海底電纜，在工頻50 Hz下的合理輸電距離在80 km以內(nèi)。當(dāng)海上風(fēng)電場(chǎng)的離岸距離超過(guò)80～150 km［9］，采用低頻輸電可以降低電纜的并聯(lián)電容效應(yīng)，進(jìn)一步擴(kuò)展海上交流輸電的距離。隨著海上風(fēng)電深遠(yuǎn)海發(fā)展及低頻輸電的優(yōu)勢(shì)，使斷路器低頻輸電的工況日益增加，目前包括海上風(fēng)電低頻輸電線路、低壓交流開關(guān)設(shè)備、高壓交流開關(guān)設(shè)備、發(fā)電機(jī)保護(hù)斷路器等均對(duì)大容量分頻開斷能力提出要求。國(guó)內(nèi)外很多專家學(xué)者對(duì)低頻輸電展開了相應(yīng)的研究。文獻(xiàn)［10］從變壓器、電纜等方面對(duì)3 種輸電方式的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行綜合比較，得出低頻輸電的經(jīng)濟(jì)適用區(qū)間。文獻(xiàn)［11］詳細(xì)介紹了低頻輸電變頻裝置的研發(fā)，提出了具體方案。文獻(xiàn)［12］從國(guó)內(nèi)外已發(fā)展史，基本原理，經(jīng)濟(jì)性等方面進(jìn)行了系統(tǒng)分析，對(duì)低頻輸電的應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行了模擬分析，得出低頻輸電的適用場(chǎng)景。文獻(xiàn)［9］提出了交流斷路器低頻開斷等效試驗(yàn)方法設(shè)計(jì)。本文論述了1.5 kV真空斷路器低頻交流開斷性能分析以及試驗(yàn)驗(yàn)證工作，采用直接試驗(yàn)型試對(duì)1.5 kV斷路器進(jìn)行低頻交流開斷性能的驗(yàn)證，對(duì)在實(shí)際工況下斷路器開斷情況有了實(shí)際認(rèn)知，能為后續(xù)提升1.5 kV 斷路器低頻開斷性能提供依據(jù)，為1.5 kV及以下真空斷路器的研究、商業(yè)化提供了理論參考。

1 低頻輸電優(yōu)勢(shì)及對(duì)斷路器的影響

1.1 低頻輸電優(yōu)勢(shì)

低頻輸電就是通過(guò)降低輸電的頻率，可以大幅度提升輸電線路容量。本文研究的是將工頻50 Hz 降低到20 Hz時(shí)的情況。由式（1）和式（2）可以看出電抗與頻率成正比［12］，當(dāng)系統(tǒng)頻率由50 Hz 降低到20 Hz 時(shí)，電抗降低為原來(lái)的2／5，電壓損耗也降為原來(lái)的2／5，因此低頻輸電能大幅度提高輸電容量。

式中：Pmax為架空線靜穩(wěn)功率極限；U為輸電系統(tǒng)的額定電壓；X為線路的電抗；f為系統(tǒng)的頻率；L 為線路的電感；ΔU%為線路電壓降落百分比；Q為線路流過(guò)的無(wú)功功率，

海上風(fēng)電低頻輸電升壓系統(tǒng)如圖1 所示，低頻輸電系統(tǒng)是通過(guò)降低工作頻率從而降低線路阻抗以提升輸電容量的有效手段，由圖可以看出低頻斷路器是輸電系統(tǒng)中一個(gè)重要環(huán)節(jié)，下面將主要研究頻斷路器的開斷與試驗(yàn)情況。

圖1 風(fēng)電發(fā)電低頻輸電線路并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)

1.2 低頻輸電對(duì)斷路器影響

當(dāng)系統(tǒng)頻率降低時(shí)，斷路器的燃弧時(shí)間會(huì)變長(zhǎng)。例如斷路器在50 Hz下，一個(gè)對(duì)稱短路電流的半波為10 ms，但在20 Hz時(shí)，一個(gè)半波為25 ms。較長(zhǎng)的燃弧時(shí)間對(duì)各種滅弧介質(zhì)和滅弧機(jī)理的斷路器都會(huì)造成短路電流開斷困難，從而引起斷路器的開斷能力降低。

20 Hz 及以下頻率的短路電流對(duì)比于工頻電流，其周波時(shí)間是工頻周波的數(shù)倍，如圖2所示。斷路器的開斷原理為：要求斷路器在預(yù)期的燃弧時(shí)間內(nèi)能夠有效開斷，否則延后到下一個(gè)低頻電流半波，增加15 ms 以上的燃弧時(shí)間將會(huì)給試驗(yàn)帶來(lái)巨大風(fēng)險(xiǎn)，有可能造成開斷失敗。

圖2 20 Hz和50 Hz電流波形曲線對(duì)比

2 低頻開斷能力的研究

式中：isc為短路電流；T為周期；f為頻率。

介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度峰值為：

因此，對(duì)于一個(gè)給定的介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度峰值UTRV（peak），則有：

式中：f 為待求短路電流開斷能力的電流頻率，Hz；isc（f1）為在頻率f1下的短路電流開斷能力，kA；f2＝50為已知短路電流開斷能力的電流頻率，Hz；isc（f2）為在頻率f2下的已知短路電流開斷能力，kA。

根據(jù)以上理論，現(xiàn)有1.5 kV真空斷路器在20 Hz 下理論開斷能力如表1 所示。

文獻(xiàn)［15］中描述了2 個(gè)12 kV 真空滅弧室試驗(yàn)情況，一個(gè)真空滅弧室采用橫向磁場(chǎng)觸頭，另一個(gè)真空滅弧室采用縱向磁場(chǎng)觸頭，開斷能力為12 kV／25～34 kA。12 kV 真空斷路器在10～60 Hz 頻率下開斷能力隨頻率下降而下降，如圖3 所示，對(duì)于縱向磁場(chǎng)真空滅弧室其開斷能力的下降程度也與橫向磁場(chǎng)真空滅弧室近似。

圖3 真空滅弧室開斷能力與頻率關(guān)系

由于斷路器的開斷能力由電流零點(diǎn)的di／dt 值和暫態(tài)恢復(fù)電壓TRV 的上升速度du／dt的乘積所決定的，在低頻輸電系統(tǒng)中，由于頻率降低，可有效降低斷路器開斷短路電流時(shí)電流零點(diǎn)的di／dt值，這對(duì)于斷路器的開斷是有利的。

3 開斷能力的驗(yàn)證

3.1 技術(shù)方案

本文研發(fā)了一臺(tái)在工頻50／60 Hz下開斷能力為100 kA的1.5 kV真空斷路器（圖4），設(shè)計(jì)方案為：包含3 只真空滅弧室、彈簧機(jī)構(gòu)、主導(dǎo)體、散熱片和二次燈組成，導(dǎo)體和滅弧室采用軟連接連接。觸頭壓力10 000 N，開距4.5 mm，真空滅弧室直徑為151 mm，真空滅弧室采用橫向磁場(chǎng)觸頭，觸頭直徑為100 mm，觸頭材料為CuCr25，分閘速度為0.8 m／s。

圖4 1.5 kV真空斷路器

對(duì)斷路器進(jìn)行分閘特性分析，初定仿真條件如下。主回路運(yùn)動(dòng)部分質(zhì)量為11.5 kg（滅弧室＋導(dǎo)電夾＋軟連接＋絕緣拉桿），超程簧k ＝557 N／mm，F(xiàn)1＝4 177 N，F(xiàn)2＝7 500 N，力變比為1.86，開距s ＝4.5 mm，超程Soverstroke＝6 mm／1.86≈3.2 mm。仿真模型如圖5 所示，仿真結(jié)果曲線如圖6 所示，由圖可知，仿真結(jié)果：運(yùn)動(dòng)行程s ＝3 mm，運(yùn)動(dòng)時(shí)間Δt ＝2.32 ms，分閘平均速度v ＝s／Δt ＝1.3 m／s。

圖5 仿真模型

圖6 仿真結(jié)果曲線

3.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

文獻(xiàn)［16－17］詳細(xì)介紹了產(chǎn)品的試驗(yàn)要求和方法，本文試驗(yàn)主要依據(jù)此方法進(jìn)行，試驗(yàn)結(jié)果符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。本開斷試驗(yàn)在三相直接實(shí)驗(yàn)回路上進(jìn)行，該回路包括短路發(fā)電機(jī)、電抗器和TRV調(diào)頻回路等，短路電流和暫態(tài)恢復(fù)電壓TRV都由該直接實(shí)驗(yàn)回路提供，試驗(yàn)回路如圖7 所示，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試連接如圖8 所示。

圖7 試驗(yàn)回路

圖8 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試連接

4 機(jī)械磨合、特性測(cè)試

依據(jù)文獻(xiàn)［16－17］中要求，開斷試驗(yàn)前對(duì)斷路器進(jìn)行空載特性檢測(cè)，在各操作電壓狀態(tài)下，斷路器分合閘正常，其性能參數(shù)正常，分合閘時(shí)間如表2 所示，測(cè)試曲線如圖9 所示。

圖9 分合閘波形

5 開斷能50 kA測(cè)試

開始試驗(yàn)，參考GB／T 1984 高壓交流斷路器［16］標(biāo)準(zhǔn)基本短路試驗(yàn)可分多段進(jìn)行，標(biāo)準(zhǔn)中取的T10、T30、T60及T100及考慮產(chǎn)品需有開斷老練過(guò)程、開斷試驗(yàn)穩(wěn)妥性及對(duì)產(chǎn)品不同電流下收集，確定第一階段開斷按50 kA進(jìn)行。為讓滅弧室開斷老練，進(jìn)行8 次50 kA開斷試驗(yàn)，其中4次O，4 次CO，試驗(yàn)電壓為：分閘線圈電壓143 V DC，合閘線圈電壓187 V DC，ABC 三相各均有首開，最小燃弧時(shí)間1.8 ms，最長(zhǎng)燃弧時(shí)間21.4 ms。試驗(yàn)后，試品正常開斷，無(wú)異常情況出現(xiàn)，試驗(yàn)有效，選取其中兩次CO試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示，開斷波形如圖10～11所示。

表3 50 kA開斷測(cè)試數(shù)據(jù)

圖10 50 kA開斷波形1

圖11 50 kA開斷波形2

6 開斷能63 kA測(cè)試

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，斷路器可以開斷63 kA，確定第二階段開斷按63 kA 進(jìn)行，看計(jì)算結(jié)果與實(shí)際驗(yàn)證情況，進(jìn)行8 次63 kA 開斷試驗(yàn)，其中4 次O，4 次CO，試驗(yàn)電壓為：分閘線圈電壓143 V DC，合閘線圈電壓187V DC，ABC三相各均有首開，最小滅弧時(shí)間2.4 ms，最長(zhǎng)滅弧時(shí)間18.9 ms。試驗(yàn)后，試品正常開斷，無(wú)異常情況出現(xiàn)，試驗(yàn)有效，選取其中兩次CO 試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4 所示，開斷波形如圖12～13 所示。

表4 63 kA開斷測(cè)試數(shù)據(jù)

圖12 63 kA開斷波形1

圖13 63 kA開斷波形2

7 開斷能70 kA測(cè)試

斷路器在經(jīng)過(guò)8 次50 kA和8 次63 kA開斷測(cè)試后，斷路器開斷性能完好，為探究此斷路器更真實(shí)的開斷能力及依據(jù)試驗(yàn)站現(xiàn)有直接試驗(yàn)?zāi)芰?，確定按70 kA 來(lái)探尋斷路器真實(shí)開斷能力。進(jìn)行4 次70 kA 開斷試驗(yàn)，都為O，試驗(yàn)電壓為：分閘線圈電壓143 V DC，合閘線圈電壓187 V DC，C相首開，最小滅弧時(shí)間2.2 ms，最長(zhǎng)滅弧時(shí)間19 ms。試驗(yàn)正常開斷，無(wú)異常情況出現(xiàn)，試驗(yàn)有效，選取其中兩次O 試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表5 所示，波形如圖14～15 所示。

表5 70 kA開斷測(cè)試數(shù)據(jù)

圖14 70 kA開斷波形1

圖15 70 kA開斷波形2

8 試后絕緣驗(yàn)證

斷路器完成開斷試驗(yàn)，為驗(yàn)證斷路器試驗(yàn)是否成功，按文獻(xiàn)［16－17］要求進(jìn)行絕緣測(cè)試，如果試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)破壞性放電，且不能給出任何證據(jù)來(lái)證明該破壞性放電出現(xiàn)在自恢復(fù)絕緣上，則在完成絕緣試驗(yàn)系列后應(yīng)對(duì)斷路器進(jìn)行解體檢查。如果發(fā)現(xiàn)非自恢復(fù)絕緣損壞（例如痕跡、擊穿等），則斷路器就沒(méi)有通過(guò)該試驗(yàn)。依照要求，在斷路器完成開斷試驗(yàn)后，進(jìn)行產(chǎn)品絕緣驗(yàn)證，測(cè)試產(chǎn)品的絕緣性能是否合格，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)照片如圖16所示。

圖16 絕緣測(cè)試

8.1 工頻電壓試驗(yàn)

依據(jù)文獻(xiàn)［16－17］中絕緣試驗(yàn)要求先進(jìn)行工頻電壓試驗(yàn)，試驗(yàn)條件如下：試品狀態(tài)為開關(guān)斷口合閘，加壓部位、接地部位依據(jù)文獻(xiàn)試驗(yàn)要求（A、B、C為被測(cè)試設(shè)備一側(cè)端子，a、b、c為被測(cè)試設(shè)備另一側(cè)端子，F(xiàn)為外殼或底座接地），試驗(yàn)電壓取10 kV，試驗(yàn)時(shí)間去1 min，試驗(yàn)相對(duì)濕度：51.0%，環(huán)境溫度：25.5 ℃，大氣壓：100.4 kPa，實(shí)驗(yàn)室海拔高度：5 m，大氣修正因數(shù)kt＝0.973，實(shí)際取1，工頻試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

表6 工頻試驗(yàn)

8.2 雷電沖擊電壓試驗(yàn)

依據(jù)文獻(xiàn)［16－17］中絕緣試驗(yàn)要求先進(jìn)行雷電沖擊電壓試驗(yàn)，試驗(yàn)條件如下：試品狀態(tài)為開關(guān)斷口合閘，加壓部位、接地部位依據(jù)文獻(xiàn)試驗(yàn)要求（A、B、C 為被測(cè)試設(shè)備一側(cè)端子，a、b、c為被測(cè)試設(shè)備另一側(cè)端子，F(xiàn)為外殼或底座接地），額定雷電全波耐受電壓取20 kV，試驗(yàn)相對(duì)濕度：51.0%；環(huán)境溫度：25.5 ℃；大氣壓：100.4 kPa，實(shí)驗(yàn)室海拔高度：5 m，大氣修正因數(shù)kt＝0.973，實(shí)際取1，雷電沖擊試驗(yàn)結(jié)果如表7 所示。

表7 雷電沖擊試驗(yàn)

9 斷路器滅弧室分析

對(duì)斷路器滅弧室進(jìn)行解剖（圖17），發(fā)現(xiàn)滅弧室內(nèi)屏蔽層有被弧光灼燒，出現(xiàn)破損，同時(shí)可看到動(dòng)、靜觸頭雖有痕跡但燒損并不嚴(yán)重，分析當(dāng)采用橫磁時(shí)，當(dāng)電流越大弧度越超外彎曲，在大電流開斷時(shí)，弧光已對(duì)屏蔽層造成破壞，在后續(xù)如需繼續(xù)提升滅弧室分?jǐn)嗄芰?，保證滅弧室屏蔽層不被灼燒，可采用大肚子型滅弧室即增大的滅弧室的外徑，為后續(xù)滅弧室設(shè)計(jì)提供重要設(shè)計(jì)依據(jù)。

圖17 滅弧室

10 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)一款1.5 kV工頻50 Hz下100 kA橫磁斷路器，驗(yàn)證頻率下降到20 Hz 時(shí)的開斷能力，前期依據(jù)Slade研究的真空斷路器開斷能力的降低與頻率降低的平方根有關(guān)，滿足關(guān)系，對(duì)斷路器理論開斷能力進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果為63 kA，然后通過(guò)實(shí)際試驗(yàn)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行開斷能力、絕緣驗(yàn)證，并對(duì)后續(xù)橫磁式低頻開斷設(shè)計(jì)給出指導(dǎo)意見。通過(guò)試驗(yàn)得出：用該公式可用來(lái)評(píng)估1.5 kV真空斷路器在低于工頻頻率下的開斷能力，當(dāng)頻率降低時(shí)開斷能力也跟著降低，同時(shí)通過(guò)試驗(yàn)得出實(shí)際開斷能力會(huì)高于該公式的計(jì)算結(jié)果，但在初始設(shè)計(jì)時(shí)可以通過(guò)公式進(jìn)行初步計(jì)算，使設(shè)計(jì)產(chǎn)品參數(shù)無(wú)限接近需求目標(biāo)，對(duì)后續(xù)1.5 kV低頻真空斷路器設(shè)計(jì)提供計(jì)算依據(jù)。