12 kV SF6环网柜负荷开关转移电流提升的研究与设计

独田娃，徐忠秋，周 程

（大全集团，江苏扬中 212200）

12 kV SF6环网柜负荷开关转移电流提升的研究与设计

独田娃，徐忠秋，周 程

（大全集团，江苏扬中 212200）

通过实验观察分析了12 kV SF6环网柜负荷开关开断过程中的电弧运动过程，对其导电回路做了优化设计，同时建立了三维模型进行了静态磁场的计算，对比了优化前后电流密度和磁场强度的分布规律，为提高负荷开关转移电流提供了参考。

栅片灭弧式；负荷开关；转移电流；导电回路；电弧运动

0 引言

12 kV SF6环网柜主要用于二次配电系统，并选用性价比优异的负荷开关——限流熔断器组合电器，配合承担工作电流和全短路电流之间的开断任务。在这种组合电器中，对负荷开关提出了更高的要求，它必须能分断远大于其额定电流的转移电流[1]。目前，提高负荷开关的转移电流开断能力是行业内关心的难点问题之一。本文通过对SF6环网柜负荷开关开断过程的实验观察，从电弧的运动特性出发，结合三维有限元建模及电磁分析，合理地优化了负荷开关，改善了动静触头间的电磁分布及负荷开关的开断能力，并经实验测试证实了这一方法的有效性，为负荷开关的优化提供了参考。

1 结构简介

本文的研究对象为栅片灭弧式SF6负荷开关，如图1所示。其中，驱动机构用来实现负荷开关的分合闸操作，当开关分闸时，高速拉开动触头，引起的电弧在磁场力的作用下通过灭弧栅片冷却分离熄灭，达到电路分离的目的[2]。

图1 环网柜负荷开关结构示意图

2 开断过程分析

实验的初步目的是观察负荷开关开断过程中的电弧运动特性，分析主要影响因素，为改善开断能力提供参考。图2所示为实验原理图。环网柜负荷开关连接在LC振荡电路中，电弧电压和电弧电流分别由高压探头Tektronix P6015和霍尔传感器测量，得到的波形用示波器TektronixD⁃PO4032记录。电弧运动过程由一台高速摄影仪记录。预期实验电流为1 750 A（有效值）。

图2 实验原理图

高速摄影仪记录的图像如图3所示。由图3可见，动触头刚开始拉弧阶段，电弧缓缓燃烧，形态比较稳定。当动触头打开到一定程度，t= 23.396 ms时，动触头上距离静触头较近的中部出现了新的弧根，取代原弧根成为主要的电流通道，导致了背后击穿现象。t=26.837 ms时，电弧形态被充分拉展开，逐渐进入栅片。t=27.392 ms时，电弧发生摆动，又出现背后击穿情况，示波器上反映为电弧电压波形的振荡。动触头打开后，随着电流过零时刻的到来，电弧逐渐冷却熄灭。

图3 高速摄影仪记录的图像

开断过程中，如果电弧背后击穿多次发生，电流过零后，动静触头间区域温度会较高，造成介质恢复强度降低，电弧有可能出现重燃，导致负荷开关开断失败。所以，电弧特性对于负荷开关的开断能力具有十分重要的影响，特别是分断过程中的电弧运动过程，直接关系着电流过零后。电弧能否重燃，而这一过程与动静触头区域的磁场分布密切相关。另外，还发现因为导电回路的设计问题及某些附件的阻挡，静触头上弧根燃烧的位置比较固定，很难运动，造成局部热量堆积，静触头烧蚀严重，也不利于开断。

3 优化及仿真分析

根据实验观察结果及分析，本文提出了优化导电回路的方法，主要改善磁场分布和电弧运动特性来提高负荷开关的开断能力。具体方法为在静触头上开设一条倒L形的细槽，如图4所示，静触头近似为长方形，上侧与回路连接，开槽后改变了原来的电流流经路径。同时，修改了一些零部件的结构，减少了外侧金属栅片的数量（由原来的14片减少为现在的11片），利于动静触头间的热量扩散。针对该优化方案，本文采用有限元软件，进行了电磁场对比分析。

以负荷开关开断过程中动触头位于总开距1/3位置时的电磁场域为分析对象。为了便于计算求解，对负荷开关模型做了适当简化，只保留了起决定作用的关键部分，并将动静触头之间产生的电弧用均匀固体导体代替，它的导电率是恒定的。所建立的模型如图5所示，包括灭弧栅片、动静触头和电弧弧柱。

图4 静触头修改示意图

图5 模型简化图

计算分析分成两步进行：首先进行静态电流传导分析，获得导电回路中各处的电流密度分布；其次利用求解的电流密度分布进行静态磁场计算，得到触头和灭弧栅片周围的空间磁场分布，包括各处磁通密度、磁场强度等，同时计算了电弧所受总磁吹力的大小。

图6 电流密度矢量图

图6为开槽前后电流2 000 A时负荷开关触头及电弧上的电流密度矢量分布图。可以看到，开槽前，电流在静触头中直接由上向下经电弧流入动触头；而开槽后，电流流经路径改变，在静触头中先向下后向上进入电弧，所以电弧根部向斜上方的电流矢量要大于原来开槽前，而其他部分整体分布差别不大。

图7为开槽前后电流2 000 A时负荷开关触头区域竖直方向的磁场强度图。因为静触头上电流流向的变化，影响了动静触头间及电弧上的磁场分布，特别是弧根位置，使竖直方向上的磁场强度、磁通密度有所增大。磁场分布之所以与电弧运动过程密切相关，是因为它会影响电弧所受磁吹力的大小。利用电流密度和磁通密度将电弧各单元所受磁吹力计算出来之后求和，可得电弧整体不同方向所受磁吹力大小，结果如表1所示。可知，优化后的负荷开关，其动静触头间的电弧受到的竖直向上的磁吹力增大约20%，这样电弧更容易运动进入栅片被切割冷却熄灭，有助于开断性能的提高。

图7 触头区域竖直方向的磁场强度图

表1 电弧不同方向上所受的总磁吹力

4 实验验证

将负荷开关按优化方法修改后，又在相同的条件下做了观察实验，高速摄影仪记录的图像如图8所示。t=16.033 ms时，电弧沿着静触头侧面的跑弧区迅速向上运动。t=20.915 ms时，电弧被充分拉开，大半部分进入栅片。t=21.388 ms时，出现背后击穿现象，电弧有所回摆。然后电弧在栅片中稳定燃烧，慢慢冷却熄灭。

对比可见，优化前后的负荷开关，动静触头间的电弧运动形态差别较大，静触头上的弧根能够向上运动，在更大磁吹力的作用下，电弧能够充分的进入栅片并在里面稳定保持，虽然仍有背后击穿，电弧摆动的情况出现，但次数明显减少，范围也小了很多。

改进后的12 kV环网柜负荷开关在西安高压电器研究院顺利通过了额定电压下1 750 A的转移电流开断实验认证，相比之前大幅度提高，也证明了此方案的可行性。

图8 高速摄影仪记录的图像

5 结论

按照以上研究成果，设计制造的12 kV SF6环网柜负荷开关已在多个工程中成功应用，使用结果表明，该产品技术性能稳定，取得了很好的社会和经济效益。

［1］王季梅，卜小玉，蔡龙权.高压负荷开关-熔断器组合电器转移电流的确定［J］.高压电器，1994，12（6）：49-53.

［2］邵敏艳，金晓明，吴翊.中压环网柜栅片灭弧式负荷开关开断性能实验研究［J］.高压电器，2011，47（11）：98-101.

Research and Designing of Transferring Current Improvement of Load Switch in 12 kV SF6Ring Main Unit

DU Tian-wa，XU Zhong-qiu，ZHOU Cheng
（DAQO GROUP，Yangzhong212200，China）

In this paper，a three-dimensional model of the load switches 12 kV SF6ring main unit was built and calculated.The current density and magnetic field intensity distribution and the effect of configuration were gained through analysis and calculation.At the same time，according to the arc movement obtained by experiments，we optimized the conducting circuit design of load switch and improved its breaking capacity about transfer current.

splitter arc extinction type；load switch；transferring current；conducting circuit；arc movement

TM592

：A

：1009－9492(2014)12－0103－04

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.12.024

独田娃，男，1976年生，甘肃礼县人，硕士，高级工程师。研究领域：气体绝缘开关柜研发与管理。

(编辑：向 飞)

2013－07－26；

2014－08－07