研究背景

雙碳目標(biāo)背景下電力裝備正逐漸向綠色低碳轉(zhuǎn)型升級(jí)。真空斷路器作為一種環(huán)保型電力開關(guān)，以真空優(yōu)異的絕緣與滅弧能力在中低壓領(lǐng)域占主導(dǎo)地位。由于真空長(zhǎng)間隙下的飽和效應(yīng)限制了其向更高電壓發(fā)展，輸電等級(jí)真空斷路器是世界上迫切需求突破的難題。

高電壓等級(jí)真空斷路器主要由單斷口和多斷口兩種技術(shù)方向，多斷口真空斷路器采用商業(yè)成熟應(yīng)用的單斷口真空滅弧室串聯(lián)構(gòu)成，是實(shí)現(xiàn)高電壓等級(jí)真空斷路器經(jīng)濟(jì)和有效的手段。但多斷口串聯(lián)技術(shù)工程應(yīng)用存在串聯(lián)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、操動(dòng)機(jī)構(gòu)多、斷口不均壓和難以兼容GIS等問題。

單斷口真空斷路器電壓等級(jí)已達(dá)到170kV，各國(guó)正在努力攻克252kV真空滅弧室這一世界級(jí)難題，目前252kV真空斷路器開斷能力基本滿足要求，但絕緣性能不足，更高電壓等級(jí)的單斷口真空滅弧室技術(shù)路線仍需探索。

論文所解決的問題及意義

本文提出了一種基于兩間隙異步聯(lián)動(dòng)的一體化高壓真空滅弧室結(jié)構(gòu)，分析了其工作原理，建立了兩間隙異步聯(lián)動(dòng)的一體化高壓真空滅弧室電場(chǎng)模型，分析了自然分壓條件下進(jìn)出線方向、主輔間隙大小對(duì)分壓關(guān)系和電場(chǎng)強(qiáng)度的影響規(guī)律，得到自然分壓條件下主輔間隙配合關(guān)系和進(jìn)出線方式。

另外針對(duì)進(jìn)出線方向不同時(shí)的自然分壓關(guān)系不符合要求問題，通過改滅弧室內(nèi)部屏蔽罩和外部并聯(lián)環(huán)形陶瓷電容器等分壓措施解決其雙向開斷的問題，得到了基于外部并聯(lián)環(huán)形陶瓷分壓電容器的解決方案，為252kV及以上電壓等級(jí)真空滅弧室的研制與工程應(yīng)用提供新思路。

論文方法及創(chuàng)新點(diǎn)

1、主輔間隙串聯(lián)異步聯(lián)動(dòng)的高壓真空滅弧室結(jié)構(gòu)與原理

圖1 基于兩間隙異步聯(lián)動(dòng)的一體化高壓真空滅弧室結(jié)構(gòu)示意圖

基于兩間隙異步聯(lián)動(dòng)的一體化高壓真空滅弧室結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，主要包括主間隙、主間隙屏蔽罩、輔間隙、輔間隙屏蔽罩以及自驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。主間隙開距大，承擔(dān)主要的滅弧和絕緣任務(wù)，輔間隙開距小，協(xié)助主間隙滅弧和絕緣，主輔間隙屏蔽罩主要是避免電弧濺射的影響，主間隙與輔間隙通過自驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)一體化異步聯(lián)動(dòng)自驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)剛性系數(shù)和阻尼系數(shù)可實(shí)現(xiàn)主輔間隙的異步聯(lián)動(dòng)，同時(shí)主輔間隙開距相配合，可提高單斷口真空滅弧室內(nèi)部絕緣強(qiáng)度。

圖2 異步聯(lián)動(dòng)分合閘過程示意圖

異步聯(lián)動(dòng)分合閘過程如圖2所示，合閘動(dòng)作時(shí)，動(dòng)導(dǎo)電桿外部操動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)作推動(dòng)動(dòng)導(dǎo)電桿向上移動(dòng)使得主間隙閉合；導(dǎo)電桿繼續(xù)向上移動(dòng)使得輔間隙閉合，斷路器合閘完成。分閘動(dòng)作時(shí)，操動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)作拉動(dòng)導(dǎo)電桿向下移動(dòng)，主間隙先分一段距離(10mm)后輔間隙開始分閘，且動(dòng)導(dǎo)電桿速度大于中間導(dǎo)電桿，直至分閘完成。

2、主輔間隙串聯(lián)異步聯(lián)動(dòng)的高壓真空滅弧室電場(chǎng)分析

首先研究了進(jìn)出線方向?qū)Ψ謮杭半妶?chǎng)的影響，結(jié)果如圖3所示。進(jìn)出線方向不同時(shí)主輔間隙分壓比與內(nèi)部電場(chǎng)強(qiáng)度變化較大，進(jìn)線端在動(dòng)、靜端蓋時(shí)主間隙分壓比變化了27%左右，最大電場(chǎng)變化了19%。

圖3 不同進(jìn)出線方向時(shí)的電場(chǎng)分布情況

由上述可知靜端蓋進(jìn)線、動(dòng)觸桿出線方式下難以滿足主間隙承擔(dān)主要電壓的任務(wù)，而靜端蓋出線、動(dòng)觸桿進(jìn)線方式可以滿足較好的分壓關(guān)系，但實(shí)現(xiàn)最合理的電壓分布需要主輔間隙開距配合。兩間隙開距變化對(duì)主間隙分壓的影響如圖4所示。

高壓側(cè)在滅弧室靜端時(shí)，無法使兩間隙分壓達(dá)到理想狀態(tài)，當(dāng)高壓側(cè)在滅弧室動(dòng)端且輔間隙開距為30mm，主間隙開距為60mm時(shí)，輔間隙分得總電壓的1/3左右，此時(shí)主間隙所占電壓比為66.3%。故確定滅弧室主輔間隙開距分別為60mm、30mm。

圖4 兩間隙開距變化對(duì)主間隙分壓的影響

3、主輔間隙串聯(lián)異步聯(lián)動(dòng)的高壓真空滅弧室電場(chǎng)優(yōu)化

圖5 外部并聯(lián)電容結(jié)構(gòu)示意圖

為了滿足斷路器雙向開斷的要求，本文提出了在滅弧室外部并聯(lián)環(huán)形陶瓷電容方案（圖（5）），并對(duì)其進(jìn)行可行性探索。電場(chǎng)仿真結(jié)果如圖6所示，進(jìn)線端在動(dòng)端蓋時(shí)兩間隙真空滅弧室內(nèi)部最大電場(chǎng)為12.1kV/mm，相較于自然分壓時(shí)滅弧室內(nèi)部最大電場(chǎng)強(qiáng)度12.43kV/mm降低了2.4%；進(jìn)線端在靜端蓋時(shí)兩間隙真空滅弧室內(nèi)部最大電場(chǎng)為10.3kV/mm，相較于自然分壓滅弧室內(nèi)部最大電場(chǎng)強(qiáng)度14.9kV/mm降低了30.87%。

由上述結(jié)果可知在滅弧室外部并聯(lián)環(huán)形陶瓷電容器不僅可以滿足斷路器雙向分?jǐn)嗟囊?，同時(shí)也可在一定程度上提高滅弧室內(nèi)部絕緣能力。

圖6  并電容結(jié)構(gòu)與自然分壓結(jié)構(gòu)內(nèi)部電場(chǎng)對(duì)比圖

結(jié)論

本文創(chuàng)新性提出了一種基于兩間隙異步聯(lián)動(dòng)的一體化高壓真空滅弧室結(jié)構(gòu)，主輔間隙通過自驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)異步聯(lián)動(dòng)操動(dòng)，輔間隙協(xié)助主間隙絕緣和滅弧，為高電壓等級(jí)真空滅弧室研發(fā)提供新思路。

研究了主輔間隙開距、進(jìn)出線方向?qū)Ψ謮宏P(guān)系和電場(chǎng)強(qiáng)度的影響規(guī)律，在自然分壓時(shí)采用靜端蓋出線、動(dòng)觸桿進(jìn)線方式可以實(shí)現(xiàn)最合理的分壓關(guān)系，對(duì)應(yīng)的主輔間隙開距分別為60mm和30mm，分壓比分別為66.3%和33.7%，且此時(shí)此結(jié)構(gòu)對(duì)相較于長(zhǎng)間隙90mm時(shí)的電場(chǎng)強(qiáng)度降低23%，可以有效提升絕緣性能。進(jìn)出線方向?qū)Ψ謮宏P(guān)系影響較大，自然分壓難以滿足雙向開斷要求。

為此提出環(huán)形陶瓷電容器分壓措施，實(shí)現(xiàn)了各段陶瓷外殼間的電壓均勻分配，將進(jìn)出線為滅弧室靜動(dòng)端時(shí)最大電場(chǎng)強(qiáng)度分別降低30.87%和2.4%，初步說明了新結(jié)構(gòu)的可行性和有效性。

團(tuán)隊(duì)瞄準(zhǔn)國(guó)家對(duì)高壓電力裝備環(huán)?；?、智能化、高可靠、緊湊型等方面迫切需求，開展新型電力開關(guān)裝備研制、電力裝備狀態(tài)感知與系統(tǒng)安全及電工材料等離子體改性與可靠性提升等研究，提升電力裝備行業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力和自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，促進(jìn)中原區(qū)域新型電力裝備產(chǎn)業(yè)鏈創(chuàng)新發(fā)展。

團(tuán)隊(duì)整合電氣工程學(xué)科高電壓與絕緣技術(shù)二級(jí)學(xué)科、電機(jī)與電器二級(jí)學(xué)科電器方向相關(guān)資源，主持申報(bào)獲批河南省輸配電裝備與電氣絕緣工程技術(shù)研究中心（2017年），河南省高電壓與放電學(xué)科創(chuàng)新引智基地（2021年），河南省研究生聯(lián)合培養(yǎng)基地（2022年）等科教平臺(tái)，共建單位包括平高集團(tuán)有限公司、許繼集團(tuán)有限公司、國(guó)網(wǎng)河南省電力公司電力科學(xué)研究院等。

團(tuán)隊(duì)核心科研設(shè)備包括300kV/420kV交直流絕壓耐壓測(cè)試、126kV/50kA斷路器合成試驗(yàn)與電弧診斷、脈沖電壓發(fā)生器與放電等離子體應(yīng)用、電介質(zhì)材料高尺度多參數(shù)特性檢測(cè)等試驗(yàn)平臺(tái)，科研、教學(xué)設(shè)備總值2000余萬元，校內(nèi)科研場(chǎng)地1100余平米，校外測(cè)試基地20000余平米。