1100kV断路器合闸电阻的研制

[摘 要]介绍了1100kV合闸电阻的工作原理、技术参数、主要结构的设计、试验验证情况，对几个主要方面进行了计算分析，与国内外同类产品技术比较。结果表面，与同类产品比较此结构合闸电阻更加安全可靠，具有着明显的优越性。

[关键词]合闸电阻；反向合闸；投入时间；电阻热容量；可靠性

中图分类号：TM762 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）47-0239-01

0 引言

我国电力发展迅速，国家电网已经开始由超高压向特高压进行跨越。1000kV晋东南―南阳―荆门特高压交流试验示范工程已于2008年12月30日投入通电试运行，成为世界首个以额定电压长期运行的特高压工程。在“十二五”期间建成“三横三纵一环网”的特高压交流线路。GIS作为特高压电网建设中的关键设备之一，它的安全可靠将是建立坚强智能电网的重要保证。在消化总结示范工程的基础上，我公司开发了具有自主知识产权的1100kV GIS设备，合闸电阻作为GIS的主要部件之一，安全可靠在设计过程中一直被放在首位。

1 线路要求

363kV以上线路中，在关合空载长线时，尤其是发生电源电压幅值与线路残余电压反向合闸时，系统参数发生突变，电网L―C线路上电磁能量振荡而引起的较大过电压。为了抑制这种合闸过电压，较长的330kV线路使用氧化锌避雷器（MOA）来限制。较长的550kV线路中（300km以上）需用开关带合闸电阻，也有线路中点悬挂MOA来抑制过电压。750～1000kV线路上的断路器目前都要求带有合闸电阻来限制合闸操作过电压。

2 工作原理

合闸电阻的工作原理是，利用合闸电阻的提前投入将电网中的部分电能吸收转化为热能，以达到削弱电磁振荡，降低合闸过电压的目的。

3 主要技术参数

3.1 使用条件

海拔低于1000m；最高气温+45℃；最低气温-25℃；最大日温差30K；阳光辐射不大于1000W/m2；抗震水平：AG3地面水平加速度0.3g，地面垂直加速度0.15g，安全系数1.67。

3.2 技术参数

额定电压1100kV（50Hz）； 1min工频耐受电压：对地1100kV，断口1100+635kV；雷电冲击耐受电压：对地2400kV，断口2400+900kV；操作冲击耐受电压：对地1800kV，断口1675+900kV；额定操作循环：O-0.3s-CO-180s-CO；合闸电阻值500～600Ω；合闸电阻的提前投入时间8～12ms[1]。

3.3 电阻片的参数

电阻片做为合闸电阻中的重要部件，在设计过程中应首先确认电阻片的特性参数，尤其是电阻片的比热、短时安全工作体积热容量、短时工作的允许温度、电阻片发热后的散热系数对合闸电阻的设计有重要影响。合闸电阻在操作循环之后的电阻值变化，温升值及冷却时间都是由电阻片的特性参数决定的。选取特性优异性能可靠的电阻片是合闸电阻性能的保障。

英国摩根公司是世界知名的陶瓷电阻供应商，所生产的产品被各国高压开关制造厂和电力运行商所信赖。其电阻片特性参数如下[2]：

比热容≥2J/（cm3・℃）；电阻温度系数-0.05%～-0.1%/℃；热膨胀系数≤7x10-6/℃；短时安全工作体积热容量（SF6介质中）：500J/cm3（直径Φ151cm）；抗压强度≥16000N；散热时间常数，V-电阻片体积（cm3），S-电阻片侧面积（cm2）。

电阻片尺寸Φ151xΦ34x25.4

4 合闸电阻设计

合闸电阻的额定参数中电阻值R、电阻的投入时间t、两次合闸的时间间隔t和电阻投入时所承受的电压U。这是电阻设计前所必须明确的参数。

4.1 电阻热容量参数设计

（1）确定合闸电阻的额定参数：电阻值R与系统容量、线路长短有关。1000kV线路要求合闸电阻在500～600Ω，可取值为550Ω。电阻的投入时间t不应小于三相不同期加上2倍的线路暂态时间，从限制过电压的角度考虑，电阻的投入时间没有上限，但考虑到电阻热容量的限制，通常值为8～12ms。GB/Z24838-2009中规定电阻投入时间不小于11ms，电阻热容量最小应满足2倍额定相电压进行两次合闸，时间间隔30min。

一次反向合闸时电阻吸收的能量：

一次反向合闸后电阻片的温升：

V――电阻片的总体积（cm3）；c――电阻片的比热容 2.0（J/cm3*K）

第一次投入30min后电阻片温度下降值

第二次投入时电阻片的温升

≤电阻片最大温升值T

电阻片短时安全工作体积热容量（SF6介质中）：500J/cm3，每片电阻片允许最大温升T=500/2=250K

得；V=106530cm3；

最少需要电阻片数n=V/432=247片

4.2 电阻片耐电压能力核算

反向合闸时电阻应承受的工频电压值：

摩根公司电阻片，每片可以耐受的10ms工频电压值为：，ρ（Ω*in）为电阻率，也可以通过摩根公司电阻片耐压特性曲线[1]查出。

在校核电阻片的耐压能力时，应考虑到电压不均匀，长期运行中电阻片绝缘性能的老化等因素，乘以一个安全系数，安全系数可取为1.35。

4.3 合闸电阻结构设计

百万伏断路器合闸电阻与灭弧室分开独立装配于一个单独罐体内，结构主要由合闸电阻罐体、电阻单元和绝缘支撑等主要元件构成。电阻单元为电阻片通过简单的串并联原理组合而成，5片电阻并联为1层，39层串联构成一电阻单元，每层串联电阻间使用盘状结构作为电气连接同时起到屏蔽和散热作用。电阻单元两侧连接绝缘子起到支撑和对地绝缘的作用。3个电阻单元串联构成完整电阻串。总电阻值560Ω，单片电阻值23.9Ω。具体见图1。

5 合闸电阻结构验算

5.1 电阻热容量计算

第一次反相合闸电阻吸收能量：

第一次投入电阻片温升：

第一次投入30min后电阻片温度下降值

τ=1290V/S=4622.6s≈77min散热时间常数；

第二次反相投入时电阻片的温升

两次反向投入后电阻片的温升值

电阻短时安全工作体积热容量：

一相共有电阻片5*39*3=585片

W=400*V*585=400*431.8*585=101MJ

电阻短时安全工作温升值：

由于最大温升值105.3K远小于安全温升值200K。

远低于绝缘支撑杆短时最高工作温度300℃

5.2 电阻片绝缘耐压能力计算

反相合闸时每片应承受10ms的工频电压为：

摩根公司电阻片每片可承受10ms工频电压值为：

电阻率

每片电阻雷电冲击耐受电压值为

每片电阻操作冲击耐受电压值为

根据摩根公司给客户提供的电阻片耐压特性曲线查出：

雷电冲击耐受电压，操作冲击耐受电压

考虑到电压分布不均匀系数1.35

5.3 对地电场计算

使用ACE软件对电场进行计算，雷电冲击耐受电压2805kV（远远高于标准值2400kV）

合闸电阻对地绝缘的计算结果如图2和图3所示。

6 型式试验验证

此合闸电阻结构与断路器整机通过了1100kV绝缘试验的型式试验验证。2011年8月于西安高压电器研究所完成了1100kV电阻热容量试验。依据GB/Z24838标准要求，满足2倍额定相电压下两次合闸试验，合闸电阻每次投入11ms，两次时间间隔30min。

7 结论

本文中百万伏断路器合闸电阻的短时安全工作体积热容量：101MJ，电阻短时安全工作温升值200K，反相合闸一次投入的最大能量为31.7MJ，最严酷工况下温升值105.3K。合闸电阻可以满足最严酷工况的要求，并具有较大裕度。

电阻片的绝缘性能见表1（电压分布不均匀系数1.35）

对地绝缘性能，在额定充气压力为0.6MPa，最低功能充气压力为0.5MPa，不同气压的许用场强[1]见表2。

通过设计计算和型式试验的验证，这种百万断路器合闸电阻的热容量性能和绝缘性能都可以满足要求并具有较大的安全裕度。

参考文献

[1]GB/Z 24838-2009.1100kV高压交流断路器技术规范.北京：中国标准出版社.2009

[2] 黎斌.SF6高压电器设计.北京：机械工业出版社.2009