800kV SF6高压断路器的研究与开发

论文摘要

电力工业是国民经济发展的命脉,国民经济发展促进了我国电力工业的高速发展,受我国发电、用电地域之差影响,我国电网建设规划为大机组、超高压和实现大电网互联。高压断路器是保证电力系统安全运行重要的电气设备,西北电网已于2005年采用750kV高压交流输电,目前1000kV特高压交流输电技术研究也正在开展,因此我国自行开发800kV高压断路器意义重大。高压断路器的开发涉及到机、热、气、电、磁等多种学科,具有相当的广度和难度,本文对其相关理论进行了深入研究,采用引进软件和自编程相结合的方法,形成了集压力特性和运动特性耦合、灭弧室气流场仿真、电场数值分析、开断判据等高压断路器开发必需用分析软件包。结合“十五”重大科技攻关项目——750kV交流输变电成套设备及电网互联成套设备研制（项目编号ZZ03-07-01-03-01）,成功研究开发了800kVSF6高压断路器。基于气体质量守恒、能量守恒定律和牛顿第二定律,采用模块化拓扑关联分析方法,建立了SF6高压断路器压力特性与机械特性耦合数值分析计算方法;在验证其适用性的基础上应用该方法对800kV SF6高压断路器空载、T100s开断条件下压气室內气体压力特性和操动机构的机械特性进行了耦合数值计算,对比了开断电弧、关键结构参数对压气室內气体压力特性、质量和焓的流动特性及操动机构行程曲线的影响,优化确定了800kV SF6高压断路器灭弧室的气吹结构。基于气体质量、动量、能量守恒定律建立了断路器开断过程灭弧室气流场仿真数学模型:采用区域分解算法和移动网格技术解决了复杂流路及变场域问题;对建立的数学模型采用有限体积法进行求解。在验证所建立气流场分析计算方法适用性的基础上应用该方法对800kV SF6高压断路器空载开断、T100s开断条件下对应气流场进行了详细的计算分析,确定了800kV SF6高压断路器开断过程中介质较薄弱位置。针对高压断路器实际运行工况和型式试验工况,全面考虑介质的电容性能和电阻性能,在国内较多采用的静电场分析计算方法的基础上建立了工频电压及瞬态电压下的电场分析计算方法。应用该方法结合800kV SF6高压断路器的工频耐受电压试验、操作冲击耐受电压试验、雷电冲击耐受电压试验及开断过程中的瞬态恢复电压,对其静态绝缘及动态绝缘性能进行了详细的分析计算,优化确定了其绝缘结构。基于流注放电理论所确立的开断判据,对800kV SF6高压断路器T100s开断方式的开断性能进行了分析论证。基于本文理论研制的800kV SF6高压断路器样机于2007年1月在机械工业高压电器产品质量检测中心（沈阳）顺利通过了中华人民共和国电力行业标准DL/T593-2006要求的工频耐受电压试验、操作冲击耐受电压试验、雷电冲击耐受电压试验等绝缘试验项目;于2007年6月在国家高压电器质量监督检验中心西安高压电器研究所顺利通过了中华人民共和国电力行业标准DL/T402-2007要求的短路开断试验、近区故障开断试验等关键容量试验项目。这些试验的成功,验证了本文计算理论及计算方法的的合理与正确性,也验证了评价体系的可信性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 中国电力工业的发展特点
• 1.2 我国开发800kV高压断路器的必要性
• 1.3 开发800kV高压断路器存在的难点问题
• 1.4 高压断路器数值辅助分析方法
• 1.4.1 电场数值分析计算方法
• 1.4.2 电弧数学模型的发展
• 1.4.3 气流场数值分析计算方法
• 1.4.4 本文的技术路线
• 1.5 本文完成的主要工作
• 6高压断路器压力特性与机械特性耦合数值模拟'>第二章 800kV SF₆高压断路器压力特性与机械特性耦合数值模拟
• 2.1 概述
• 6高压断路器压力特性与机械特性耦合数值模拟分析计算方法'>2.2 SF₆高压断路器压力特性与机械特性耦合数值模拟分析计算方法
• 6高压断路器拓扑结构'>2.2.1 SF₆高压断路器拓扑结构
• 2.2.2 体积模块数学模型
• 2.2.3 气流通道模块数学模型
• 2.2.4 电弧模块数学模型
• 2.2.5 短路电流模块数学模型
• 2.2.6 操动机构模块数学模型
• 6气体物性参数'>2.2.7 SF₆气体物性参数
• 2.2.8 气体质量守恒方程和能量守恒方程的求解
• 6断路器压力特性与机械特性耦合计算与试验结果的比较'>2.3 550kV SF₆断路器压力特性与机械特性耦合计算与试验结果的比较
• 2.4 影响压气室气体压力建立的主要因素
• 6高压断路器主要结构参数的确定'>2.5 800kV SF₆高压断路器主要结构参数的确定
• 6高压断路器压力特性与机械特性耦合数值模拟'>2.6 800kV SF₆高压断路器压力特性与机械特性耦合数值模拟
• 2.7 小结
• 6高压断路器灭弧室气流场仿真'>第三章 800kV SF₆高压断路器灭弧室气流场仿真
• 3.1 概述
• 3.2 断路器灭弧室气流场仿真分析计算方法
• 3.2.1 数学模型
• 3.2.2 数值算法
• 3.3 550kV断路器气流场计算结果与试验结果的比较
• 6高压断路器气流场仿真及结果分析'>3.4 800kVSF₆高压断路器气流场仿真及结果分析
• 6高压断路器空载开断气流场仿真'>3.4.1 800kV SF₆高压断路器空载开断气流场仿真
• 6高压断路器T100s短路开断热态气流场仿真'>3.4.2 800kV SF₆高压断路器T100s短路开断热态气流场仿真
• 3.5 小结
• 6高压断路器绝缘性能分析计算'>第四章 800kV SF₆高压断路器绝缘性能分析计算
• 4.1 概述
• 4.2 高压电器电场数值分析计算方法
• 4.2.1 工频交流电压及瞬态电压下的电场分析数学模型
• 4.2.2 有限元法
• 6高压断路器绝缘性能分析计算'>4.3 800kV SF₆高压断路器绝缘性能分析计算
• 4.3.1 高压断路器中绝缘性能的分类
• 4.3.2 高压断路器绝缘结构设计原则
• 6高压断路器绝缘性能分析计算'>4.3.3 800kV SF₆高压断路器绝缘性能分析计算
• 4.4 小结
• 6高压断路器开断性能评价及试验分析'>第五章 800kV SF₆高压断路器开断性能评价及试验分析
• 6高压断路器开断性能评价'>5.1 800kV SF₆高压断路器开断性能评价
• 5.1.1 断路器开断判据
• 6高压断路器开断性能评价'>5.1.2 800kV SF₆高压断路器开断性能评价
• 6高压断路器型式试验总结'>5.2 800kV SF₆高压断路器型式试验总结
• 5.2.1 绝缘试验
• 5.2.2 T100s短路开断试验
• 5.3 本章小结
• 第六章 结论
• 参考文献
• 在学研究成果
• 致谢