CN101651303A - 一种金属外壳气体绝缘的大容量组合开关装置 - Google Patents

一种金属外壳气体绝缘的大容量组合开关装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种金属外壳气体绝缘的大容量组合开关装置，其采用三相独立结构，由非导磁金属外壳封闭，内充绝缘气体。每相包括2～4个相互紧密耦合的电感线圈组成的电抗器和2～4个并联的断路器，还可以根据需要，将系统中的隔离开关、接地开关、电压互感器、电流互感器等组件也加入组合装置，形成一种适应变电站紧凑型布置的大容量开关组合装置，本发明能通过气体隔离气阀将装置内各组件分隔成不同充气单元，使得不同充气单元的气体压力及气体种类可以根据需要不同配置。本发明采用了高电气强度的气体绝缘和金属外壳封闭，使原露天敞开式靠空气绝缘的电抗器与断路器的组合整体体积减小了，且更安全稳定，不易受外界环境干扰。

Description

一种金属外壳气体绝缘的大容量组合开关装置
技术领域
本发明涉及一种金属外壳气体绝缘的大容量组合开关装置，属于输配电领域。
背景技术
随着电力系统联网的不断加强，系统的短路容量越来越大，甚至超过了高压断路器的额定开断电流，严重制约了电网的建设发展。另外，当大容量发电机出现端口短路时，形成的短路电流也将超过目前的高压断路器的开断容量。据计算，三峡发电机组出现出线端短路时，短路电流可达300kA，而国内现有500kV断路器开断电流最大只能达到63kA，国外的真空断路器或六氟化硫断路器也只能达到80kA，且价格昂贵，现有的开关装置已不能满足开断故障电流的要求。
中国专利CN200720086448.5“并联型断路器”中提到，通过耦合电抗器实现两个及以上断路器的可靠并联，保证并联断路器间的均流并实现故障时的自动限流，将断路器的开断容量提高了一倍以上。
一般用在电力系统中的串联补偿电抗器或限流电抗器，只是在特定场合或事故情况下通过快速操动机构投运，平时并不在主系统中运行。而专利CN200720086448.5中的耦合电抗器与并联断路器的组合需要在电力系统中长期运行，只要该断路器所在的母线运行，此耦合电抗器就必须无间断带电运行。如果耦合电抗器自身的绝缘性能及抗外界干扰能力不能保证，将其引入系统，不但不能起到提高断路器开断能力的作用，反而会大大降低系统的稳定性和传输容量。
由于该用途的电抗器的耦合度要求很高，电抗器的两个耦合线圈之间距离很近。应用于220kV及以上线路时，对电抗器的匝间绝缘与层间绝缘提出了很高的要求。线圈的绝缘应能无损伤地承受工作电压，以及在电网中可能发生的操作过电压和大气过电压。为了保证绝缘，电抗器的线圈绝缘采用了很厚的绝缘材料，这增大了电抗器的体积及成本。
发明内容
本发明的目的在于提供一种金属外壳气体绝缘的大容量组合开关装置，其可以改善耦合电抗器的绝缘及抗外界干扰能力，提高大容量断路器整体的安全性与稳定性，减小装置的体积。
本发明的技术方案是：一种金属外壳气体绝缘的大容量组合开关装置，采用三相独立结构，每相包括紧耦合电抗器和2～4个并联的断路器，电抗器由2～4个相互紧密耦合的电感线圈组成，电抗器线圈分别出线引至并联断路器；其特征在于：还包括接地的非导磁金属外壳，电抗器和断路器都在外壳内；气体隔离阀将外壳内各部件分隔成不同充气单元，充气单元充入高耐电强度绝缘气体。
如上所述的金属外壳气体绝缘的大容量组合开关装置，其特征在于：上述外壳内设备部件还包括母线进线、隔离开关、接地开关、电压互感器和电流互感器；高压母线经高压套管引入间隔，再经隔离开关和母线侧接地开关后引入紧耦合电抗器，由电抗器线圈分别出线引至并联断路器；并联断路器的出线连接在一起，经电流互感器后接断路器负荷侧接地开关，再经电压互感器最后经电缆出线至负荷。
如上所述的金属外壳气体绝缘的大容量组合开关装置，其特征在于：气体隔离阀将外壳内的电抗器、断路器、母线进线、隔离开关、接地开关、电压互感器和电流互感器分隔成不同充气单元，充气单元充入高耐电强度绝缘气体。
如上所述的金属外壳气体绝缘的大容量组合开关装置，其特征在于：紧耦合电抗器中相互耦合的几个线圈等长度，绕向相反；且正、反绕向的几个线圈分别分裂为多个线圈并联而成；并联的分线圈间采取辐向绕组嵌套结构，并与之绕向相反的各分线圈间隔布置。
如上所述的金属外壳气体绝缘的大容量组合开关装置，其特征在于：不同充气单元的气体压力及气体种类根据需要配置。
如上所述的金属外壳气体绝缘的大容量组合开关装置，其特征在于：断路器部分的隔离气室中采用高压高耐电强度气体介质，其他部分采用与断路器部分相同的气体或气压较低的绝缘气体或耐电强度相对较低且价格较便宜的混合绝缘气体。
本发明的有益效果是：本发明采用了高电气强度的气体绝缘和金属外壳封闭，使原露天敞开式靠空气绝缘的电抗器与断路器的组合整体体积减小了，且更安全稳定，不易受外界环境干扰。另外本发明可以集成变电站其他电气设备如电压\电流互感器、隔离开关等，整体形成一个大容量的气体绝缘封闭式组合电器GIS(也可以不集成入)，进一步减小各设备所占体积。
1.本发明采用紧耦合电抗器实现电流在并联断路器之间自动均流、限流，可以将现有开关装置的短路电流开断容量扩大一倍。由于其工作原理基于电感自身物理特性，没有复杂的电子控制装置，因此更安全可靠。将此紧耦合电抗器加入传统金属封闭气体绝缘组合开关装置中，实现了大容量组合开关。本装置可以在35kv-1000kv范围适用。
2.本发明采用高耐电强度的气体介质作为该紧耦合电抗器的主绝缘及纵绝缘，取代原依靠沥青云母带绝缘与空气绝缘的组合设计，绝缘介质分布均匀，整个电抗器的总体积可以明显减小。同时采用非导磁的金属外壳封装，本发明可以改善紧耦合电抗器的绝缘及抗外界干扰能力，提高大容量断路器整体长期运行的安全性与稳定性。
3.本发明将组合装置通过气体隔离阀按实际需要分隔成不同充气单元，可以在对灭弧性能要求高的断路器部分采用高压高耐电强度气体介质，同时在其他部分采用气压较低的绝缘气体或耐电强度相对较低且价格较便宜的混合绝缘气体。这样降低了气体总成本，并便于检修。
附图说明
图1为本发明实施例金属封闭气体绝缘的大容量开关组合装置的电路示意图。
图2为本发明实施例金属封闭气体绝缘的大容量开关组合装置的内部结构示意图。
图3-1为图1中的电抗器中两个线圈相互耦合的横断面结构示意图。
图3-2为图1中的电抗器中两个线圈相互耦合的纵断面结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
图1中标记的说明：1-隔离开关，2-母线侧接地开关，3-电抗器，4-断路器，5-电流互感器，6-断路器负荷侧接地开关，7-电压互感器，8-快速接地开关，9-电缆出线。
图2中标记的说明：10-隔离气阀，11-高压套管，12-金属外壳。
图3-1和图3-2中标记的说明：13，14，15，16，17，18，19，20-线圈。
本发明实施例装置采用三相独立结构，由非导磁金属外壳12封闭，内充绝缘气体。每相包括2～4个相互紧密耦合的电感线圈组成的电抗器3和2～4个并联的断路器4，还可以根据需要，将系统中的隔离开关1、母线侧接地开关2、电压互感器7、电流互感器5等组件也加入组合装置，形成一种适应变电站紧凑型布置的大容量开关组合装置，非导磁的金属外壳12接地。
可以通过气体隔离气阀10将各组件(如母线进线、隔离开关1、电抗器3、断路器4、母线侧接地开关2、电压互感器7、电流互感器5等)分隔成不同充气单元，使得不同充气单元的气体压力及气体种类可以根据需要不同配置。
所述的绝缘气体是采用除大气压下空气以外的高耐电强度气体介质，如气压大于0.1MPa的压缩空气或氮气(N2)、氩气(Ar)、二氧化碳气体(CO2)等，六氟化硫(SF6)气体、三氟碘甲烷(CF3I)气体、八氟异丁烯(c-C4F8)气体、四氟甲烷(CF4)气体、全氟丙烷(C3F8)气体、全氟乙烷(C2F6)气体等，或者以上气体的不同比例混合气体。包括并不限于以上提及气体。
并联的断路器4型号相同，其灭弧介质可以为真空或除大气压下空气以外的高耐电强度气体介质，如气压大于0.1MPa的压缩空气或氮气(N2)、氩气(Ar)、二氧化碳气体(CO2)等，六氟化硫(SF6)气体、三氟碘甲烷(CF3I)气体、八氟异丁烯(c-C4F8)气体、四氟甲烷(CF4)气体、全氟丙烷(C3F8)气体、全氟乙烷(C2F6)气体等，或者基于以上气体的不同比例构成混合气体或不同压力的组合。包括并不限于以上提及气体。
图1和图2分别为本发明实施例金属封闭气体绝缘的大容量开关组合装置的电路和内部结构示意图，本发明实施例金属封闭气体绝缘的大容量开关组合装置包括隔离开关1、母线侧接地开关2、紧耦合电抗器3、并联断路器4、电流互感器5、断路器负荷侧接地开关6、电压互感器7、快速接地开关8、隔离气阀10和非导磁金属外壳12。
如图1和图2所示，高压母线经高压套管11引入间隔、再经隔离开关1、母线侧接地开关2后引入紧耦合电抗器3。以两线圈电抗器为例，由电抗器3两线圈分别出线引至两并联断路器4。两并联断路器4的进线分别接电抗器3的两线圈出线，两并联断路器4的出线连接在一起，经电流互感器5后接断路器负荷侧接地开关6，再经电压互感器7、快速接地开关8(可免)等最后经电缆出线9至负荷。非导磁金属外壳12内为各部件相对位置。其中断路器4可以经隔离气阀10与其他部分隔离开来，断路器4部分的隔离气室中充灭弧性能更高的气体，而其他部分可以充以介电强度较低的绝缘气体。例如断路器4中充的气体是高纯度SF6气体，其他部分可以充以SF6与氮气等气体的混合气体。
图3-1和图3-2为本发明实施例两个线圈相互耦合的结构示意图。两个线圈采用分裂绕组导线。即顺时针绕向和逆时针绕向的线圈各采用两个及以上线圈(13-14、17-18，15-16、19-20)并联而成，其中端子(13、17)，(14、18)，(15、19)，(16、20)分别短接。绕向相同的各分线圈间直径不同，顺时针绕向的分绕组线圈13-14、17-18与逆时针绕向的分绕组线圈15-16、19-20，辐向嵌套间隔排列(即从圆心向往的绕组依次为13-14、15-16、17-18、19-20)。
下面具体介绍本发明实施例金属封闭气体绝缘的大容量开关组合装置的原理。
对于两线圈耦合的紧耦合电抗器3：两个线圈通流能力、及动热稳定要求相同，因此两线圈采取尽可能对称的结构。为提高线圈间的耦合系数，两线圈采取辐向分层间隔套绕的绕线方式，两线圈绕线方向相反(一个顺时针绕，一个逆时针绕)，在两线圈通过大小相等的电流时，两线圈产生的磁通相互抵消。各个线圈采用分裂导线，即顺时针绕向和逆时针绕向的线圈各采用两个及以上线圈并联而成，绕向相同的各分线圈间直径不同，顺时针绕向的分线圈与逆时针绕向的分线圈辐向嵌套间隔排列。把每个线圈分裂为多个相同绕向的分线圈并联，并与绕向相反的线圈辐向间隔嵌套，既提高了正反向线圈的耦合度，同时，分裂导线本身也满足了交流电流趋肤效应的要求，增大了导线的通流能力。总之，该紧耦合电抗器3的引入，即从物理原理上保障了电流在并联断路器4中的自动均匀分配，如果出现一个支路先开断的情况，该电抗器3自动转入大阻抗的限流状态，从而保障后开断的断路器4能可靠地开断短路电流。
由于采用高耐电强度的气体介质作为该紧耦合电抗器3的主绝缘及纵绝缘，取代原依靠沥青云母带绝缘与空气绝缘的组合设计，绝缘介质分布相对更均匀，整个电抗器3的总体积可以明显减小。
将该紧耦合电抗器3采用非导磁的金属外壳12封装，较之原敞开式设计，基本可以排除外界环境(如直击雷、风、霜、雨、雪、污秽、鸟害等)干扰。非导磁金属外壳12不会改变紧耦合电抗器3的磁路。

Claims (6)

1、一种金属外壳气体绝缘的大容量组合开关装置，采用三相独立结构，每相包括紧耦合电抗器和2～4个并联的断路器，电抗器由2～4个相互紧密耦合的电感线圈组成，电抗器线圈分别出线引至并联断路器；其特征在于：还包括接地的非导磁金属外壳，电抗器和断路器都在外壳内；气体隔离阀将外壳内各部件分隔成不同充气单元，充气单元充入高耐电强度绝缘气体。
2、根据权利要求1所述的金属外壳气体绝缘的大容量组合开关装置，其特征在于：上述外壳内设备部件还包括母线进线、隔离开关、接地开关、电压互感器和电流互感器；高压母线经高压套管引入间隔，再经隔离开关和母线侧接地开关后引入紧耦合电抗器，由电抗器线圈分别出线引至并联断路器；并联断路器的出线连接在一起，经电流互感器后接断路器负荷侧接地开关，再经电压互感器最后经电缆出线至负荷。
3、根据权利要求1或2所述的金属外壳气体绝缘的大容量组合开关装置，其特征在于：气体隔离阀将外壳内的电抗器、断路器、母线进线、隔离开关、接地开关、电压互感器和电流互感器分隔成不同充气单元，充气单元充入高耐电强度绝缘气体。
4、根据权利要求1所述的金属外壳气体绝缘的大容量组合开关装置，其特征在于：紧耦合电抗器中相互耦合的几个线圈等长度，绕向相反；且正、反绕向的几个线圈分别分裂为多个线圈并联而成；并联的分线圈间采取辐向绕组嵌套结构，并与之绕向相反的各分线圈间隔布置。
5、根据权利要求1所述的金属外壳气体绝缘的大容量组合开关装置，其特征在于：不同充气单元的气体压力及气体种类根据需要配置。
6、根据权利要求1或5所述的金属外壳气体绝缘的大容量组合开关装置，其特征在于：断路器部分的隔离气室中采用高压高耐电强度气体介质，其他部分采用与断路器部分相同的气体或气压较低的绝缘气体或耐电强度相对较低且价格较便宜的混合绝缘气体。
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