交流滤波器用500kV瓷柱式断路器绝缘性能优化方法

摘要

本发明公开了一种交流滤波器用500kV瓷柱式断路器绝缘性能优化方法，其包括以下步骤：步骤1、判断500kV瓷柱式断路器故障类型，所述故障类型包括外绝缘故障和内绝缘故障；步骤2、当故障类型为外绝缘故障时，对干弧距离进行优化；当故障类型为重击穿故障时，提高灭弧室气压或者投入选相分闸功能；当故障类型为触头喷溅金属异物导致灭弧室电场畸变时，改进触头材质；当故障类型为灭弧室弧触头对瓷套内壁径向击穿时，优化均压电容器与灭弧室布置结构。本发明根据不同故障类型提出不同提高断路器绝缘性能的优化方法，确保断路器在频繁投切交流滤波器组并且经受较高的暂态恢复电压的情况下，不会发生灭弧室内部重击穿以及外绝缘闪络等绝缘故障。

说明书

技术领域

本发明涉及交流滤波器用500kV瓷柱式断路器运用在交直流工况下绝缘性能优化的方法，其通过分析交流滤波器(以下简称ACF)特殊运行工况对断路器绝缘性能的影响，针对性提出交流滤波器用断路器的绝缘性能优化方法。

背景技术

ACF用500kV瓷柱式断路器开断过程中，由于系统参数和工作条件的改变，会引起电容器和电感间的电磁能量转换，造成内部过电压。同时在断开后，断口间需要承受交直流混合过电压共同作用，这是普通交流系统断路器没有的运行工况。此外，对于直流换流站中交流滤波器组容量大，投切频繁，其断路器投切操作时除应满足一般交流断路器的常规要求外，触头需要承受合闸时涌流的累积烧蚀以及频繁操作的机械磨损。这些都有可能是影响滤波器断路器安全运行的因素。

交流滤波器用断路器与普通断路器主要存在的区别有3点：

(1)ACF断路器需切断容性负载，暂态恢复电压TRV(Transient Recover Voltage)较高，可能会引起断路器重击穿，需要在技术规范书要求用于投切交流滤波器的断路器型式试验TRV通过1470kV的试验验证，这个数值要求均比GB1984-2014、GB11022-2011相关规定值苛刻。

(2)交流滤波器断路器投切频繁，根据对各换流站统计结果，平均每组ACF断路器200次/月，而一般的交流场断路器每组一年的开断次数都达不到60次，投切过程中，频繁的触头机械磨损、合闸涌流的电弧烧蚀以及开断容性负载TRV对绝缘介质的考验以及承受交直流混合电压，均使ACF断路器运行在一个恶劣的工况下，对断路器本身绝缘设计以及装配工艺提出更高的要求。

(3)ACF断路器需采用合闸选相装置，对断路器时间特性的分散性要求非常严格，各厂家要求不同，根据标准《GB/T 30846-2014具有预定极间不同期操作高压交流断路器》要求，断路器必须保证单一断口分合闸时间的偏差在±1ms以内。

目前国内断路器制造厂对于ACF断路器的绝缘特性及运行可靠性研究较 少，除了依据技术规范书要求，进行断路器TRV 1470kV耐受试验以及建议加装选相合分闸装置外，其结构与技术条件与常规交流场断路器并无太大区别。总体来说，国内外目前对于断路器在交直流混合叠加下的绝缘特性研究不多，因此对用于ACF的断路器的绝缘性能仍旧沿用常规的绝缘设计，导致故障频发，据统计2014～2015年间，某型号断路器在NZ换流站发生了8次灭弧室内部重击穿，1次爆炸以及3次外绝缘闪络，另一型号断路器在QX换流站发生了1次爆炸事故。

因此，本发明专利将提出一种基于交流滤波器组交直流叠加工况对断路器的影响可以有效提高断路器绝缘性能的优化方法。

发明内容

针对上述不足，本发明的目的在于基于交流滤波器组交直流叠加工况对断路器的影响，提出提高断路器绝缘性能的优化方法，确保断路器在频繁投切交流滤波器组并且经受较高的暂态恢复电压的情况下，不会发生灭弧室内部重击穿以及外绝缘闪络等绝缘故障。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：

一种交流滤波器用500kV瓷柱式断路器绝缘性能优化方法，其包括以下步骤：

步骤1、判断500kV瓷柱式断路器故障类型，所述故障类型包括外绝缘故障和内绝缘故障，其中，所述内绝缘故障包括重击穿、触头喷溅金属异物导致电场畸变以及灭弧室弧触头对灭弧室瓷套内壁径向击穿；

步骤2、当500kV瓷柱式断路器故障类型为外绝缘故障时，对干弧距离进行优化；当500kV瓷柱式断路器故障类型为重击穿故障时，提高灭弧室SF₆气体压强或者投入选相分闸功能；当500kV瓷柱式断路器故障类型为触头喷溅金属异物导致电场畸变时，改进触头材质；当500kV瓷柱式断路器故障类型为灭弧室弧触头对灭弧室瓷套内壁径向击穿时，优化均压电容器与灭弧室布置结构。

所述对干弧距离进行优化的方法是加长灭弧室瓷套长度，并同时加长与所述灭弧室瓷套对应的均压电容器瓷套长度，以增加爬电距离。

所述对干弧距离进行优化的方法是将单个灭弧室瓷套在原有长度基础上至少增加200mm、并将该单个灭弧室瓷套对应的均压电容器瓷套在原有长度基础上增加相应的长度。

提高灭弧室SF₆气体压强的方法是在原灭弧室SF₆气体压强的基础上增加0.1MPa～0.2MPa。

优化均压电容器与灭弧室布置结构的方法是将均压电容器瓷套和灭弧室由原有的垂直方向的上下布置结构更改为同一水平面上的左右布置结构。

所述判断500kV瓷柱式断路器故障类型的方法包括以下步骤：

步骤1、通过500kV瓷柱式断路器故障滤波设备中故障电流波形提取故障电流波形特征数据，所述故障电流波形特征数据包括熄弧后至出现故障电流的时间t1、故障电流持续时间t2以及故障电流波形特点；

步骤2、根据故障电流波形特征数据判断故障类型：

第一种情况：当熄弧后至出现故障电流的时间t1不小于400ms且不大于2000ms时，同时故障电流波形出现持续击穿电流时，则故障类型为外绝缘故障；

第二种情况：当熄弧后至出现故障电流的时间t1不小于7ms且不大于9ms，故障电流持续时间t2小于等于2ms，同时故障电流波形出现高频单波峰、高频单波振荡峰以及高频振荡衰减中的任一种时，查看灭弧室瓷套内壁是否出现烧蚀痕迹，如果灭弧室瓷套内壁没有出现烧蚀痕迹，则故障类型为重击穿，反之，则故障类型为灭弧室弧触头对灭弧室瓷套内壁径向击穿；

第三种情况：当熄弧后至出现故障电流的时间t1不小于10ms且不大于100ms时，同时故障电流波形出现多次燃弧熄弧后稳定于正常电流时，则故障类型为触头喷溅金属异物导致电场畸变(即导致灭弧室内部电场发生畸变)。

本发明与现有技术相比，其有益效果在于：通过该评估方法可以准确地判别因本体绝缘设计不足500KV瓷柱式双断口断路器的故障类型，根据不同故障类型提出不同提高断路器绝缘性能优化方法，确保断路器在频繁投切交流滤波器组并且经受较高的暂态恢复电压的情况下，避免发生灭弧室内部重击穿以及外绝缘闪络等绝缘故障。

附图说明

图1为本发明一种交流滤波器用500kV瓷柱式断路器绝缘性能优化方法的流程图；

图2是故障类型判断方法的流程图；

图3是故障电流为击穿电流的典型波形；

图4是故障电流为高频单波峰的典型波形；

图5是故障电流为高频单波振荡峰的典型波形；

图6是故障电流为高频振荡衰减的典型波形；

图7是故障电流为多次燃弧熄弧后稳定于正常电流的典型波形；

图8为现有均压电容器和灭弧室的布置结构图；

图9为本发明均压电容器和灭弧室的优化布置结构图；

图10为图9的A向结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。

实施例

一、基于ACF断路器绝缘故障类型的统计分析

根据国内外ACF断路器绝缘故障缺陷统计，ACF瓷柱式断路器绝缘故障主要分为4类，分别是：1)灭弧室干弧距离不足导致在潮湿多雨天气发生外绝缘闪络；2)灭弧室熄弧后弧触头之间发生重击穿；3)灭弧室中弧触头喷溅金属异物导致灭弧室内部电场畸变从而出现内部闪络；4)均压电容器与灭弧室布置不当导致均压电容器与灭弧室存在较大电压差从而出现弧触头对灭弧室瓷套内壁径向击穿。

ACF断路器绝缘性能优化的流程

请参照图1所示，ACF断路器绝缘性能优化的方法是包括根据故障设备的特征波形判断断路器的故障类型，然后根据不同的故障类型给出不同的解决方案。其中：

二、故障类型的判断方法

特征波形是指在发生闪络时故障电流的波形特征参量，每一类闪络故障都有其特殊的波形，波形特征参量存于波形特征参量数据库，数据库内包含所有闪络故障的特征参量数据。具体判断方法请参照图2所示，其包括以下步骤：

(1)、通过故障滤波设备中故障电流波形提取故障电流波形特征数据，所述故障电流波形特征数据包括熄弧后至出现故障电流的时间t1、故障电流持续时间t2、故障电流波形特点，并查看灭弧室瓷套内壁是否有烧蚀痕迹。

(2)、将上述故障电流波形特征数据与波形特征参量数据库的特征参量进 行对比，判断故障类型：

其中，波形特征参量包括以下四种情形：

第一种情况：当熄弧(断路器断开)后至出现故障电流的时间t1不小于400ms且不大于2000ms时，故障电流波形出现持续击穿电流，提取故障电流波形特征数据如果在此种情况下，则故障类型判断为外绝缘故障。

故障电流波形出现持续击穿电流的情况如图3所示，持续击穿电流的波形特征是持续时间长(大于2ms)，波峰波谷连续交替出现多次，且波峰值之间以及波谷值之间的差别均不大。

第二种情况：当熄弧后至出现故障电流的时间t1不小于7ms且不大于9ms，故障电流持续时间t2小于等于2ms，同时故障电流波形出现高频单波峰、高频单波振荡峰以及高频振荡衰减其中之一，并且灭弧室瓷套内壁没有出现烧蚀痕迹，此种情况下的故障类型为重击穿。

请参照图4所示，故障电流波形出现高频单波峰的波形特征是持续时间短(不大于2ms)，出现至少连续两个波峰，两个波峰之间无零点电流，且两个波峰值相差较大。请参照图5所示，故障电流波形出现高频单波振荡峰的波形特征是持续时间短(不大于2ms)，出现一个波峰，该波峰后电流回到零点。请参照图6所示，故障电流波形出现高频振荡衰减的波形特征是持续时间短(不大于2ms)，波峰波谷连续交替出现多次，且波峰值和波谷值均逐渐减小。

第三种情况：当熄弧后至出现故障电流的时间t1不小于7ms且不大于9ms，故障电流持续时间t2小于等于2ms，同时故障电流波形出现高频单波峰、高频单波振荡峰以及高频振荡衰减其中之一，并且灭弧室瓷套内壁有烧蚀痕迹，此种情况下的故障类型为灭弧室弧触头对灭弧室瓷套内壁径向击穿。

第四种情况：当熄弧后至出现故障电流的时间t1不小于10ms且不大于100ms时，同时故障电流波形出现多次燃弧熄弧后稳定于正常电流。

提取故障电流波形特征数据如果在此种情况下，则故障类型判断为触头喷溅金属异物导致电场畸变。请参照图7所示，故障电流波形出现多次燃弧熄弧后稳定于正常电流的波形特征为故障电流持续时间不确定，出现多次燃弧熄弧(图7虚框部分)。

上述判断方法可通过闪络故障电流波形特征数据库快速判别断路器闪络故障类型。

三、断路器绝缘性能优化技术方案

(1)、避免外绝缘故障的优化方案

外绝缘故障大致包括因雨水、冰、污秽以及水雾分别引起的雨闪、冰闪、污闪和雾闪。其优化措施为优化干弧距离。

按照对国外ABB HPL550型以及国内西开LW15A-550型在交流滤波器组的运行情况，发现单瓷柱式断路器双断口干弧距离＜2*2150mm时，在潮湿多余天气或者低温结冰的气候下，断路器切除交流滤波器容性负载后，多次发生外绝缘闪络故障。

因此，针对ACF断路器由于干弧距离不足导致外绝缘性能的情况，可以采取加长灭弧室干弧距离的优化方案，确保断路器干弧距离>2*2200mm，下面以NZ换流站断路器优化案例为例：

由于NZ换流站潮湿多雨，灭弧室外表面电阻下降，可能导致外绝缘击穿，所以需要对外绝缘能力进行加强。根据产品情况，灭弧室外绝缘优化措施为：

1)加长灭弧室瓷套200mm，增加爬电距离。

2)加长均压电容器瓷套200mm，增加爬电距离。

灭弧室瓷套和电容器瓷套改进前后的具体参数见表1。

表1灭弧室瓷套和电容器瓷套改进前后参数对比

当ACF断路器在交直流叠加工况下，原产品灭弧室瓷套表面最大电场强度为1.64kV/mm，改造后灭弧室瓷套表面最大电场强度为1.63kV/mm，基本保持不变，但是瓷套加长后瓷套爬电距离增长，相应的防污闪能力可以得到明显提高。

改进断路器外绝缘干弧距离后，根据GB1984～2014的要求，改变了断路器原有型号结构，需要补充验证性的型式试验，考虑到对现有的灭弧室瓷套更换 为加长型的灭弧室瓷套，需补充的型式试验项目如下：

1)灭弧室瓷套全套型式试验；

2)断路器断口绝缘试验；

3)温升试验；

4)密封试验；

上述各试验以及以下各补充验证性试验均为在GB1984～2014要求下的型式试验，其具体试验方法可以参照标准执行，这里不再赘述。

(2)、避免灭弧室发生重击穿的优化方案

1、在原灭弧室气压(指灭弧室SF₆气体压强)的基础上提高0.1MPa～0.2MPa。

灭弧室弧触头发生重击穿的原因主要是在开断容性负载后交直流混合工况下，灭弧室绝缘裕度设计较低，而弧触头刚分时间点存在随机性，当刚分时间点在电弧过零点附近时，弧触头由于开距过小，导致触头间暂态恢复电压大于触头击穿电压，出现重击穿。

因此在原灭弧室气压的基础上根据灭弧室瓷套承压能力的裕度，可选择提高气体压强0.1MPa～0.2MPa，可以有效提高灭弧室的绝缘裕度，根据SF6气体绝缘裕度计算公式(ρ：灭弧室气体提高后的绝对压强，ρ₀：原灭弧室气体的绝对压强)可计算出绝缘裕度提高比值为1.1～1.2倍左右。

对比两种操作压强下压强密度分布，参数见表2和表3。

表2压强参数分布

表3密度参数分布

可以看出，随着操作压力的逐渐增加，压气室内压强逐渐增加，气流通过触头间间隙流向拉杆方向，拉杆中的气压也呈现随操作压力增加而增加的趋势，喷口和静触头的间隙处压力也呈现整体增加的趋势。但总体来说，随着操作压力的变化，压强分布的趋势是相同的。

灭弧室气体压强提高后，灭弧室的电场仿真计算结果如下表4-6所示：

表4不同气压下工频电场临界击穿场强的判据

表5不同气压下雷电电场临界击穿场强的判据

表6不同气压下雷电电场临界击穿场强的判据

通过对产品气体提高前后的电场及气流场分析，改造后的结构，由于额定压强提高，SF6气体压强和密度提高，有利于提高灭弧室内部绝缘及开断性能。

提高灭弧室气压改进断路器内绝缘裕度后，根据GB1984～2014的要求，需要补充验证性的型式试验项目如下：

1)断路器断口绝缘试验；

2)短路电流开断和关合试验；

3)密封试验；

4)切合电容器组BC1、BC2试验。

2、对断路器投入选相分闸控制功能

ACF断路器发生重击穿与燃弧时间相关，当动静弧触头刚分之际，电流波形已接近过零点，而电流幅值很小(200-300A)，这时压气缸强大的气流通过喷口会将电流吹熄，在熄弧后7ms-9ms，弧触头间的介质恢复强度可能低于暂态恢复电压幅值(1-coswt)U_m，从而发生重击穿。

投入选相分闸控制功能后，使弧触头刚分之际，电流波形滞后90°以上(即刚分时间点提前电流过零点5ms)，此时动静弧触头相对运动并拉弧5ms，当电流过零点时，弧触头开距已有足够距离，触头间的击穿电压相应提高。

当断路器灭弧室内部绝缘裕度设计不足时，弧触头在刚分时间点的不同，决定了电弧过零点熄灭时，弧触头开距的大小，而开距与弧触头的击穿电压在SF₆气压一定的情况下成正比例关系。因此，投入选相分闸控制功能，可以有效控制灭弧室弧触头拉弧的时间，确保在电流过零点熄弧的时候，弧触头的开距的距离不会被过电压击穿。

投入选相分闸功能改进断路器内绝缘裕度后，根据GB1984～2014的要求，需要补充验证性的型式试验项目如下：

1)断路器双断口时间同期性试验；

2)断路器双断口分合闸时间分散性试验

3)选相分闸装置与断路器联调试验，包括：大气环境试验、机械试验、电气绝缘试验以及电磁兼容试验。

(3)避免灭弧室中弧触头(在开断过程中)喷溅金属异物的优化方案

灭弧室开断电弧用的弧触头如果触头材质控制不佳或者不符合制造厂控制标准，会导致弧触头在多次开合交流滤波器组容性负载后，弧触头表面受到巨大烧蚀，并且在开断过程喷溅金属异物，而金属异物对灭弧室开断电流后的电场产生影响造成局部电场分布密集，最终出现灭弧室内部闪络故障。

因此弧触头的优化方案为：静弧触头烧蚀严重，与触头铜钨材料搅拌混合均匀度和烧结工艺有关，对灭弧室解体后发现弧触头烧蚀严重的，应该采取更换开关内部弧触头的措施，铜钨触头采用真空条件下钨骨架预烧结工艺，铜钨触头的配比严格按照该型号产品通过型式试验时所采用的参数(CuW70或者CuW80)。

改进弧触头工艺提高断路器内绝缘裕度后，根据GB1984～2014的要求，需要补充验证性的型式试验项目如下：

1)断路器断口绝缘试验；

2)短路电流开断和关合试验；

3)切合电容器组BC1、BC2试验。

(4)避免灭弧室弧触头对灭弧室瓷套内壁径向击穿的优化方案

避免灭弧室弧触头对灭弧室瓷套内壁径向击穿的解决方案为对均压电容器与灭弧室布置方式进行优化。现有断路器的均压电容器与灭弧室为同一个垂直平面上下布置，其结构请参照图8所示，其包括T型躯壳2，该T型躯壳2的左右两侧分别固定连接第一灭弧室瓷套11和第二灭弧室瓷套12，T型躯壳2中心设有一个圆孔，用于与竖直方向设置的支架固定连接。第一灭弧室瓷套11和第二灭弧室瓷套12内部均设置有SF₆灭弧室，第一灭弧室瓷套11和第二灭弧室瓷套12的上侧(也可以是下侧)分别设有与其长度相同且平行分布的第一均压电容器瓷套41和第二均压电容器瓷套42，第一灭弧室瓷套11和第二灭弧室瓷套12的远端端部分别设置有第一外侧均压环31和第二外侧均压环32；第一灭弧室瓷套11和第二灭弧室瓷套12的近端端部分别设置有第一屏蔽环51和第二屏蔽环52。该结构中，灭弧室瓷套与均压电容器瓷套同一个垂直平面上下布置，当断路器运行在潮湿多雨天气下，上下垂直布置的均压电容器与灭弧室会因为其瓷套表面水滴滴落，缩小均压电容器与灭弧室之间的空气放电间隙，当水滴频繁时，在极端条件下均压电容器瓷套与灭弧室之间会被雨水桥接，导致灭弧室弧触头与均压电容器瓷套形成电压差，从而发生弧触头对灭弧室瓷套内壁径向击穿。

优化方案：将均压电容器瓷套以灭弧室中轴线作为转轴，旋转90°，确保均压电容器与灭弧室改造后属于水平面的左右布置结构。

优化后的请参照图9和图10所示，其包括T型躯壳2，T型躯壳2的左右两侧分别固定连接一带有SF₆灭弧室的第一灭弧室瓷套11和第二灭弧室瓷套12，该第一灭弧室瓷套11和第二灭弧室瓷套12位于同一直线(当然也处于同一水平面上)上，T型躯壳2的中间位置设有与竖直方向的支架固定连接的圆孔。第一灭弧室瓷套11和第二灭弧室瓷套12所在的水平面上分别设置有一第一均压电容器瓷套41和第一均压电容器瓷套42，其中，第一均压电容器瓷套41和第一均压电容器瓷套42可位于第一灭弧室瓷套11和第二灭弧室瓷套12所在直线的异侧，当然也可以是同侧。

第一灭弧室瓷套11和第一均压电容器瓷套41的长度基本相等且平行分布，第一灭弧室瓷套11和第一均压电容器瓷套41相对应的两端均通过安装板固定在一起，其中，二者靠近T型躯壳2的一端的安装板并固定在T型躯壳2上。在第一灭弧室瓷套11和第一均压电容器瓷套41靠近T型躯壳2的一端上安装有第一屏蔽环51，在二者远离T型躯壳2的一端安装有第一外侧均压环31。同样的，第二灭弧室瓷套12和第二均压电容器瓷套42的长度相等且平行分布，第二灭弧室瓷套12和第二均压电容器瓷套42相对应的两端均通过安装板固定在一起，其中，二者靠近T型躯壳2的一端的安装板并固定在T型躯壳2上。在第二灭弧室瓷套12和第二均压电容器瓷套42靠近T型躯壳2的一端上安装有第二屏蔽环52，在二者远离T型躯壳2的一端安装有第二外侧均压环32。

改进断路器灭弧室与均压电容器瓷套布置结构后，根据GB1984～2014的要求，需要补充验证性的型式试验项目如下：

(1)断路器整体抗震试验。

虽然本发明是通过具体实施例进行说明的，本领域技术人员应当明白，在不脱离本发明范围的情况下，还可以对本发明进行各种变换及等同替代。另外，针对特定情形或应用，可以对本发明做各种修改，而不脱离本发明的范围。因此，本发明不局限于所公开的具体实施例，而应当包括落入本发明权利要求范围内的全部实施方式。