阅读说明：本技术 一种sf6快速断路器 (SF (sulfur hexafluoride)6Quick circuit breaker ) 是由 刘凯 彭在兴 王颂 张�杰 赵林杰 李锐海 于 2020-06-11 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种SF<Sub>6</Sub>快速断路器,适用于550kV高压交流输电线路,其特征在于,包括：动触头、静触头和操动机构；所述操动机构与所述动触头连接,用于驱动所述动触头与所述静触头分闸；在所述SF<Sub>6</Sub>快速断路器的分闸过程中,所述操动机构驱动所述动触头以预设的分闸速度进行移动,以使所述SF<Sub>6</Sub>快速断路器的预压缩时间小于8.8ms；所述SF<Sub>6</Sub>快速断路器的短燃弧时间小于9.3ms。采用本发明实施例,能够有效减少分闸过程中的预压缩时间和燃弧时间,有效减少自身的全开断时间,从而减少电力系统的故障切除时间,极大地提升了电力系统的暂态稳定极限,提高了电力系统交流输电线路的送电能力和电力系统的稳定性。(The invention discloses an SF 6 Quick circuit breaker is applicable to 550kV high tension AC transmission line, its characterized in that includes: the moving contact, the static contact and the operating mechanism; the operating mechanism is connected with the moving contact and used for driving the moving contact and the fixed contact to be switched off; at the SF 6 In the opening process of the quick breaker, the operating mechanism drives the moving contact to move at a preset opening speed so as to enable the SF to move at the preset opening speed 6 The precompression time of the fast circuit breaker is less than 8.8 ms; the SF 6 The short arcing time of the fast circuit breaker is less than 9.3 ms. By adopting the embodiment of the invention, the precompression time and the arcing time in the brake separating process can be effectively reduced, and the full on-off time of the device can be effectively reduced, so that the fault removing time of the power system is reduced, the transient stability limit of the power system is greatly improved, and the power transmission capacity of the alternating current transmission line of the power system and the stability of the power system are improved.)

一种SF6快速断路器

技术领域

本发明涉及电力系统技术领域，尤其涉及一种SF₆快速断路器。

背景技术

在配电网的实际运行中，交流输电线路的送电能力主要受线路的热稳定约束和电力系统的暂态稳定约束两方面的制约。其中，电力系统暂态稳定指的是电力系统受到大干扰后，各发电机保持同步运行并过渡到新的或恢复得到原来稳定运行状态的能力。目前，配电网范围内的500kV交流输电线路存在较多暂态稳定极限低于热稳定极限的情况。同时，电力系统发生故障容易导致电网暂态失稳。对于暂态稳定极限低于热稳定极限的情况，交流输电线路的送电能力由暂态稳定极限决定，系统的暂态稳定极限较低在一定程度上减弱了输电线路的送电能力。

目前，对于500kV高压交流输电线路，在仿真计算时采用的快速保护故障切除时间包括了断路器开关的开断时间50ms，以及继电保护故障检测、判别与出口时间共计约35ms。在实施本发明过程中，发明人发现现有技术至少存在如下问题：目前规定的输电线路的故障切除时间较长，加速了故障及恢复过程中电力系统的暂态稳定特性的恶化，是导致暂态稳定极限低的一个关键原因，交流输电线路的送电能力受到了较大限制。

发明内容

本发明实施例的目的是提供一种SF₆快速断路器，其能有效减少自身的开断时间，从而减少电力系统的故障切除时间，极大提升电力系统的暂态稳定极限，提高了输电线路的送电能力和电力系统的稳定性。

为实现上述目的，本发明实施例提供了一种SF₆快速断路器，适用于550kV高压交流输电线路，包括：动触头、静触头和操动机构；所述操动机构与所述动触头连接，用于驱动所述动触头与所述静触头分闸；

在所述SF₆快速断路器的分闸过程中，所述操动机构驱动所述动触头以预设的分闸速度进行移动，以使所述SF₆快速断路器的预压缩时间小于8.8ms；所述SF₆快速断路器的短燃弧时间小于9.3ms；其中，所述预压缩时间为所述SF₆快速断路器的动触头从合闸位置移动到刚分位置的时间段；所述刚分位置为所述动触头与所述静触头断开的位置。

作为上述方案的改进，所述操动机构驱动所述动触头以预设的分闸速度进行移动，以使所述SF₆快速断路器的预压缩时间为4ms；所述SF₆快速断路器的短燃弧时间为7ms。

作为上述方案的改进，当所述SF₆快速断路器处于合闸状态时，所述SF₆快速断路器的动触头在所述静触头中的***量设置为33mm。

作为上述方案的改进，在所述SF₆快速断路器的预压缩时间内，所述操动机构驱动所述动触头移动，以使所述动触头到达所述刚分位置时的刚分速度为13m/s。

作为上述方案的改进，所述SF₆快速断路器的长燃弧时间是根据所述短燃弧时间和预设的燃弧时间差值确定的。

作为上述方案的改进，在所述SF₆快速断路器的短燃弧时间内，所述动触头的分闸速度是根据所述短燃弧时间和预设的短燃弧位移值而确定的。

作为上述方案的改进，所述SF₆快速断路器在短燃弧时间结束至长燃弧时间结束的时间段内，所述动触头的分闸速度是根据所述长燃弧时间和预设的长燃弧位移值而确定的。

作为上述方案的改进，所述SF₆快速断路器采用三断口结构。

作为上述方案的改进，所述SF₆快速断路器还包括压气缸；所述压气缸的长度是根据所述SF₆快速断路器的动触头在分闸过程中的行程和所述压气缸的直径而确定的。

作为上述方案的改进，所述SF₆快速断路器中的SF₆气体绝对压力为0.65MPa。

与现有技术相比，本发明公开的一种SF₆快速断路器，相比于常规SF₆断路器，其通过减少动触头的***量，并在整体上提高动触头的分闸速度，实现所述SF₆快速断路器的预压缩时间小于8.8ms，所述SF₆快速断路器的短燃弧时间小于9.3ms的有益效果，从而有效减少分闸过程中的预压缩时间和燃弧时间，有效减少所述SF₆快速断路器的全开断时间。同时，通过适当增加SF₆气体的充气压力，并采用三断口结构设计，进而确保所述SF₆快速断路器能够成功开断。采用本发明实施例，能有效减少SF₆快速断路器的全开断时间，从而减少电力系统的故障切除时间，极大地提升了电力系统的暂态稳定极限，提高了电力系统交流输电线路的送电能力和电力系统的稳定性。

附图说明

图1是本发明实施例中一种SF₆快速断路器的局部结构示意图；

图2是本发明实施例中的SF₆快速断路器在开断过程中动触头的位置示意图；

图3是常规SF₆断路器的分闸速度与行程的特性曲线示意图；

图4(a)和图4(b)是本发明实施例中的SF₆快速断路器在不同行程下的分闸速度与行程的特性曲线示意图；

图5是本发明实施例中的SF₆快速断路器的压气缸的压强与行程的特性曲线示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供的一种SF₆快速断路器，适用于550kV高压交流输电线路，参见图1，是本发明实施例1提供的一种SF₆快速断路器的局部结构示意图。所述SF₆快速断路器包括动触头、静触头和操动机构；所述操动机构与所述动触头连接，用于驱动所述动触头与所述静触头分闸；所述操动机构包括绝缘拉杆。

SF₆断路器的工作原理为：在所述SF₆快速断路器的分闸过程中，所述操动机构通过所述绝缘拉杆驱动所述动触头运动，所述SF₆快速断路器的压气缸中的SF₆(六氟化硫)气体受到压缩，动触头与静触头分开后，受压的SF₆气体冲出喷嘴，断路器的灭弧室获得理想的气吹压力，使电弧熄灭。

参见图2，是本发明实施例中的SF₆快速断路器在开断过程中动触头的位置示意图。所述SF₆快速断路器的全开断时间由分闸时间和燃弧时间组成，所述分闸时间由机构动作时间和预压缩时间组成，所述预压缩时间为所述SF₆快速断路器的动触头从合闸位置移动到刚分位置的时间段；所述刚分位置为所述动触头与所述静触头断开的位置。所述燃弧时间分为短燃弧时间和长燃弧时间，所述长燃弧时间包括所述短燃弧时间，燃弧时间指的是断路器从开始起弧到最终熄弧的时间段。

在现有的SF₆断路器中，参见图3，是常规SF₆断路器的分闸速度与行程的特性曲线示意图。常规LW-550/Y5000-63型断路器采用双断口设计，动触头的行程为200mm，触头***量为58mm，开距为142mm。所述SF₆断路器的动触头从接收分闸指令起到移动至刚分位置的过程中，分闸速度逐渐递增。所述动触头到达刚分位置时，其分闸速度也即刚分速度达到9.5m/s，所述分闸时间为17.5ms(包括机构动作时间8.7ms，预压缩时间8.8ms)。到达刚分位置之后，常规SF₆断路器的动触头与静触头分开，动触头的分闸速度逐渐递减，这一过程中，常规SF₆断路器的短燃弧时间为9.3ms，长燃弧时间为19.4ms，可以得到其全开断时间为36.9ms。常规SF₆断路器开断过程中，动触头由合闸位置运动至分闸位置的时间由预压缩时间、燃弧时间和弧后运动时间组成。常规SF₆断路器的全开断时间较长，导致电力系统交流输电线路的故障切除时间较长，加速了故障及恢复过程中电力系统的暂态稳定特性的恶化，使得电力系统交流输电线路的送电能力受到了较大限制。

为了解决上述问题，本发明实施例提供的一种SF₆快速断路器，在所述SF₆快速断路器的分闸过程中，所述操动机构驱动所述动触头以预设的分闸速度进行移动，以使所述SF₆快速断路器的预压缩时间小于8.8ms；所述SF₆快速断路器的短燃弧时间小于9.3ms。在本发明实施例中，可以通过调整所述操动机构对SF₆快速断路器的驱动力，进而使得在整个分闸过程中，所述SF₆快速断路器的动触头在每一单位时间的分闸速度均高于常规SF₆断路器的分闸速度，从而减少所述SF₆快速断路器的预压缩时间和短燃弧时间，以减少所述SF₆快速断路器的全关断时间。

作为优选的实施方式，所述操动机构驱动所述动触头以预设的分闸速度进行移动，以使所述SF₆快速断路器的预压缩时间为4ms；所述SF₆快速断路器的短燃弧时间为7ms。

过小的预压缩时间和短燃弧时间将无法保证所述SF₆快速断路器的成功开断，而过高的预压缩时间和短燃弧时间则无法实现减少所述SF₆快速断路器的全关断时间的效果。因此，通过对所述SF₆快速断路器在分闸过程中的分闸速度进行调整，最终实现将所述SF₆快速断路器的预压缩时间调整为4ms目标值，并将所述短燃弧时间调整为7ms目标值，能够保证所述SF₆快速断路器在实际应用过程的成功开断，并实现减少所述SF₆快速断路器的全关断时间的有益效果。

进一步地，本发明实施例通过调整所述SF₆快速断路器的动触头***量和分闸速度，以减少所述预压缩时间和短燃弧时间，以使所述SF₆快速断路器的预压缩时间为4ms，所述SF₆快速断路器的短燃弧时间为7ms。

具体地，当所述SF₆快速断路器处于合闸状态时，将所述SF₆快速断路器的动触头在所述静触头中的触头***量调整至小于常规SF₆断路器的触头***量，也即将所述触头***量调整至小于58mm。并且，在所述SF₆快速断路器的分闸过程中，通过调整操动机构的驱动力，使得所述SF₆快速断路器的动触头的刚分速度大于常规SF₆断路器的刚分速度，也即将所述动触头的刚分速度调整至小于9.5m/s。根据所述触头***量和刚分速度，确定所述SF₆快速断路器的动触头在预压缩时间段内的分闸速度，计算得到v＝f(t)的分闸速度特性曲线，使得在预压缩时间段内，所述SF₆快速断路器的动触头在每一单位时间的分闸速度均高于常规SF₆断路器的分闸速度，并通过所述操动机构，驱动所述SF₆快速断路器的动触头以相应的分闸速度移动，从而缩短所述预压缩时间。

作为优选的实施方式，当所述SF₆快速断路器处于合闸状态时，所述SF₆快速断路器的动触头在所述静触头中的***量设置为33mm。

作为优选的实施方式，在所述SF₆快速断路器的预压缩时间内，通过所述操动机构驱动所述动触头移动，以使所述动触头到达刚分位置时的刚分速度为13m/s。

采用本发明实施例的技术手段，通过将所述SF₆快速断路器的动触头的***量调整为33mm，将所述SF₆快速断路器的刚分速度调整为13m/s，可以使得所述SF₆快速断路器的预压缩时间缩短至4ms。相比于常规SF₆断路器，所述SF₆快速断路器的全开断时间明显降低。

需要说明的是，当所述SF₆快速断路器的动触头的***量调整为33mm后，可以保持所述SF₆快速断路器的开距为常规SF₆断路器的开距142mm不变，则所述SF₆快速断路器的行程相应调整为175mm；也可以保持所述SF₆快速断路器的行程为常规SF₆断路器的行程200mm不变，则所述SF₆快速断路器的开距相应调整为167mm，均不影响本发明取得的有益效果。

参见图4(a)和图4(b)是本发明实施例中的SF₆快速断路器在不同行程下的分闸速度与行程的特性曲线示意图。其中，图4(a)为所述SF₆快速断路器保持行程为200mm不变的情况下分闸速度与行程的特性曲线示意图；图4(b)为所述SF₆快速断路器保持开距为142mm不变，也即调整行程为175mm的情况下分闸速度与行程的特性曲线示意图。与常规SF₆断路器相比，本发明实施例提供的所述SF₆快速断路器的动触头在预压缩时间段内的分闸速度更大，并在刚分位置达到刚分速度13m/s，预压缩时间明显缩短。

进一步地，本发明实施例将短燃弧时间段内所述SF₆快速断路器的动触头的每一单位时间的分闸速度调整至小于常规SF₆断路器的分闸速度，从而缩短所述短燃弧时间。具体地，在所述SF₆快速断路器的短燃弧时间内，所述动触头的分闸速度是根据所述短燃弧时间和预设的短燃弧位移值而确定的。其中，所述预设的短燃弧位移值采用常规SF₆断路器的短燃弧位移值，也即所述动触头在短燃弧时间段内的位移与常规SF₆断路器的位移一致。

根据SF₆快速断路器的短燃弧时间为7ms目标值，结合所述短燃弧位移值，以及所述SF₆快速断路器的刚分速度13m/s，确定所述SF₆快速断路器的动触头在短燃弧位移过程中的分闸速度，计算得到v＝f(t)的分闸速度特性曲线，并通过所述操动机构，驱动所述SF₆快速断路器的动触头以相应的分闸速度移动，使得所述SF₆快速断路器的动触头在所短燃弧位移中的每一单位时间的分闸速度均小于常规SF₆断路器的分闸速度，最终实现将所述SF₆快速断路器的短燃弧时间降低至7m/s的效果。

参见图4(a)和图4(b)，与常规SF₆断路器相比，所述SF₆快速断路器的动触头在短燃弧时间段内的分闸速度更大，短燃弧时间明显缩短。采用本发明实施例的技术手段，通过调整所述SF₆快速断路器的动触头在短燃弧位移内的分闸速度，可以使得所述SF₆快速断路器的短燃弧时间缩短至7ms。相比于常规SF₆断路器，所述SF₆快速断路器的全开断时间明显降低。

进一步地，所述SF₆快速断路器的长燃弧时间是根据所述短燃弧时间和预设的燃弧时间差值确定的。在本发明实施例中，设置所述燃弧时间差值为9ms，则可以确定所述长燃弧时间为16ms。所述SF₆快速断路器在短燃弧时间结束至长燃弧时间结束的时间段内，所述动触头的分闸速度是根据所述长燃弧时间和预设的长燃弧位移值而确定的。其中，所述预设的长燃弧位移值采用常规SF₆断路器的长燃弧位移值，也即在所述短燃弧位移值不变的情况下，所述动触头在长燃弧时间段内的位移也与常规SF₆断路器的位移一致。根据SF₆快速断路器的长燃弧时间为16ms目标值，结合所述长燃弧位移值，确定所述SF₆快速断路器的动触头的分闸速度，计算得到v＝f(t)的分闸速度特性曲线，并通过所述操动机构，驱动所述SF₆快速断路器的动触头以相应的分闸速度移动。

需要说明的是，在短燃弧时间结束后，过大的分闸速度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，因此从短燃弧时间结束的时刻起应投入分闸缓冲，压缩分闸速度。参见图4(a)和图4(b)，所述SF₆快速断路器从短燃弧时间结束的时刻起的分闸速度明显降低，从而保证SF₆快速断路器的吹弧能力。并且压气缸内要维持足够的SF₆气体，为此要设定弧后运动时间(即长燃弧时间结束后的运动时间)应大于3ms。

采用本发明实施例的技术手段后，所述SF₆快速断路器的全开断时间降低至24ms左右，在电力系统运行过程中，所述SF₆快速断路器能够有效减少电力系统的故障切除时间，极大提升电力系统的暂态稳定极限。

参见图4(a)和图4(b)，在所述SF₆快速断路器保持行程为200mm不变的情况下，可以得到所述SF₆快速断路器的平均分闸速度约为7.81m/s，而在所述SF₆快速断路器保持开距为142mm不变，也即调整行程为175mm的情况下，可以得到所述SF₆快速断路器的平均分闸速度约为7.29m/s。根据现有技术中主流厂家对断路器的长期设计经验，断路器的平均分闸速度v_f由以下公式确定：

其中，k₇灭弧室断口电场不均匀系数，针对550kV的断路器，该值取2.6；U_n设备额定电压；E₁断路器在SF₆操作闭锁气压时允许的雷电冲击场强(kV/mm)。根据设计经验，针对550kV的断路器，操作闭锁气压0.5MPa下，该值取29；t_ak是从起弧瞬时到恢复电压上升到峰值所需的最短时间(ms)，针对550kV的断路器，该值取13.7。通过计算可以得到断路器平均分闸速度v_f为8.87m/s。

因此，优化后的断路器平均分闸速度应按照[8.87m/s±Δv_f]进行控制。Δv_f差值可以根据断路器的实际应用情况确定，如设置Δv_f＝2m/s。本发明实施例提供的所述SF₆快速断路器的平均分闸时间均满足现有技术中主流厂家对断路器的长期设计经验所得出的断路器平均分闸速度范围，从而能够保证在开断小电容电流(相当于冷态)时，断口有足够的介质恢复强度，同时保证在近区故障(SFL)开断时，对应短燃弧时间，断口有足够的介质热恢复速度。

进一步地，作为优选的实施方式，所述SF₆快速断路器采用三断口结构。

SF₆断路器的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。设计时，应重点考虑由平均分闸速度v_f及各种开断时预期的最长燃弧时间t_ac所决定的最长熄弧距离的需要，开距l_k应满足下式要求：

l_k≥v_f(t_ac+3ms)；

根据本发明实施例所提供的SF₆快速断路器的最长燃弧时间和平均分闸速度，计算得出开距l_k应大于218mm。由于电压等级未改变，本发明实施例的SF₆快速断路器的绝缘水平无需提升。因此，分闸位置时断口的静态耐受电压能力对开距的要求采用常规SF₆断路器的开距要求即可。本发明实施例中的触头开距的设置分别为142mm和167mm，为了弥补开断时熄弧距离不足，将断路器的两断口增加至三断口设计，从而提升断路器的灭弧能力。

进一步地，所述SF₆快速断路器的压气缸的长度是根据所述SF₆快速断路器的动触头在分闸过程中的行程和所述压气缸的直径而确定的。

具体地，压气缸的体积以及与分闸特性配合对保证断路器成功开断具有重要意义。为保障断路器熄弧后压气缸能够维持足够的SF₆气体，保证持续压力的吹弧，本发明实施例提供的所述SF₆快速断路器在分闸到位后压气缸剩余气体量需与常规SF₆断路器分闸到位后压气缸剩余气体量保持一致。常规SF₆断路器的压气缸的长度设置为228.5mm。为此，在不改变压气缸直径的前提下，当确定所述动触头的行程为200mm时，所述SF₆快速断路器的压气缸的长度设置为228.5mm；当确定所述动触头的行程为175mm时，所述SF₆快速断路器的压气缸的长度设置为203.5mm。采用本发明实施例的技术手段，结合不同方案下的行程，改变不同方案压气缸的长度，使得最终分闸到位后，压气缸剩余28.5mm长的SF₆气体量。

进一步地，作为优选的实施方式，所述SF₆快速断路器中的SF₆气体绝对压力为0.65MPa。优化后的断路器需要保证其具备开断功能，断路器开断过程中主要通过压气缸压缩SF₆气体产生的强气吹对电弧进行灭弧。常规SF₆断路器的充气压力为0.60MPa，本发明实施例所提供的SF₆快速断路器在对触头***量和分闸速度进行调整后，为使得在整个开断过程中气压变化与常规SF₆断路器的气压变化相近，需将所述SF₆快速断路器中的SF₆气体绝对压力调整为0.65MPa，从而保证所述SF₆快速断路器能够达到更好的吹弧效果，保证SF₆快速断路器的开断功能。

参见图5，是本发明实施例中的SF₆快速断路器的压气缸的压强与行程的特性曲线示意图。将本实施例的SF₆快速断路器在不同行程和不同充气压力的组合方案，与常规SF₆断路器的设计方案进行对比。其中，方案一表示本发明实施例中的SF₆快速断路器的行程为200mm，充气压力为0.60MPa的设计方案，方案二表示本发明实施例中的SF₆快速断路器的行程为175mm，充气压力为0.60MPa的设计方案，方案三表示本发明实施例中的SF₆快速断路器的行程为200mm，充气压力为0.65MPa的设计方案，方案四表示本发明实施例中的SF₆快速断路器的行程为175mm，充气压力为0.65MPa的设计方案。图中常规设计曲线上的圆点从左到右依次代表常规设计的刚分时刻、小喷口打开时刻、达到大喷口时刻、理论短燃弧熄弧时刻、理论长燃弧熄弧时刻。根据图5可以得出，方案三(行程为200mm、充气压力为0.65MPa)和方案四(行程为175mm、充气压力为0.65MPa)所得到的SF₆快速断路器在整个开断过程中气压变化与常规设计相近，且压气室压强在长、短燃弧熄弧时刻要高于常规设计，能够达到更好的吹弧效果。

综上，本发明实施例提供的优选的SF₆快速断路器的设计方案参数如表1：

表1 SF₆快速断路器的设计方案参数

本发明实施例提供了一种SF₆快速断路器，相比于常规SF₆断路器，其通过减少动触头的***量，并在整体上提高动触头的分闸速度，实现所述SF₆快速断路器的预压缩时间小于8.8ms，所述SF₆快速断路器的短燃弧时间小于9.3ms的有益效果，从而有效减少分闸过程中的预压缩时间和燃弧时间，有效减少所述SF₆快速断路器的全开断时间。同时，通过适当增加SF₆气体的充气压力，并采用三断口结构设计，进而确保所述SF₆快速断路器能够成功开断。采用本发明实施例，能有效减少SF₆快速断路器的全开断时间，从而减少电力系统的故障切除时间，极大地提升了电力系统的暂态稳定极限，提高了电力系统交流输电线路的送电能力和电力系统的稳定性。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。