- 頭條鄭州大學科研人員在罐式多斷口真空斷路器研究方面取得新進展2022-02-28 作者：程顯、杜帥 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語環保型罐式多斷口真空斷路器是未來高壓真空斷路器的發展趨勢之一，但目前對罐式多斷口真空斷路器的均壓配置問題研究不足。鄭州大學電氣工程學院、河南省輸配電裝備與電氣絕緣工程技術研究中心的研究人員程顯、杜帥 等，在2021年第15期《電工技術學報》上撰文進行了相關研究。結果表明：不同均壓配置結構的斷口間均壓效果由優到差依次為圓筒狀、單邊、三邊、雙邊，圓筒狀均壓配置金屬連接件處最大電場強度為3kV/mm，遠小于其他方式的15~20kV/mm，該研究為罐式多斷口真空斷路器均壓配置提供了參考依據。
真空與SF6是斷路器領域廣泛應用的滅弧與絕緣介質，而《京都議定書》與歐盟“禁氟令”都對SF6的使用提出嚴格的限制。而真空斷路器長間隙存在絕緣飽和問題，使其難以向高壓超高壓領域發展。尋求環境友好的SF6替代氣體和開發高壓真空斷路器是高壓開關領域亟待解決的熱點問題。
多個真空短間隙串聯組成多斷口真空斷路器，是將真空斷路器推向更高電壓等級的有效手段。罐式結構多斷口真空斷路器符合模塊化變電站建設需求，是未來替代SF6斷路器的發展方向之一。多斷口真空斷路器廣泛應用于交流輸電、機械式高壓直流開斷等領域，目前T型、U型、直立型等結構的多斷口真空斷路器已在204kV以下電壓等級的工程中得到應用。
大連理工大學研發了基于40.5kV光控模塊式真空開關單元串聯構成126kV智能多斷口真空斷路器技術方案，并在武漢湯山變電站掛網運行。華中科技大學聯合南方電網公司研制的機械式高壓直流斷路器應用于廣東電網±160kV南澳多端柔性直流輸電系統中。西安交通大學針對投切電容器組時重擊穿概率高的問題，研制了40.5kV雙斷口真空投切電容器組專用固封極柱。
以上多斷口斷路器多為柱式結構，存在占地面積大、集成化水平低的問題，超/特高壓組合電器（GIS/HGIS）的發展是未來行業發展的趨勢。
由于雜散電容的存在，多斷口斷路器斷口間分壓并不均勻，這直接影響斷路器的開斷能力。為消除雜散電容的影響，一般采取外并均壓電容的方式保證斷口間電壓分布均勻，而過大的均壓電容不利于斷路器發生重燃后滅弧室內部介質恢復過程。
有學者研究了模塊化多斷口真空斷路器電位與電場分布特性，得出三斷口真空斷路器高壓端承受電壓超過60%。有學者計算了模塊化三斷口真空斷路器等效電容參數，分壓特性實驗驗證了計算結果的正確性。有學者從靜、動態均壓兩方面對均壓電容的選取進行了理論與實驗研究。
有學者提出了一種全新SF6氣體絕緣的363kV真空斷路器，采用40.5kV真空滅弧室的串并聯結構，并進行了電場仿真分析。有學者控制雙斷口真空斷路器的開斷速度，改善斷路器電壓分布情況。有學者提出不同滅弧室的組合方式影響雙斷口滅弧室電壓分布，合理的組合方式可起到一定的自均壓效果。
現有研究主要針對傳統戶外柱式結構，對罐式結構均壓配置研究圍繞超特高壓SF6罐式斷路器，而罐式多斷口真空斷路器均壓配置問題有必要進行深入探索。集合環保氣體絕緣、3~5個真空滅弧室開斷、罐式結構兼容HGIS/GIS的全環保型罐式多斷口真空斷路器，能夠較好滿足開關設備環保化、模塊化的技術需求。
鄭州大學電氣工程學院等單位的科研人員前期對罐式結構整體電場分布與優化進行了探討。在本次研究中，建立了126kV環保型罐式多斷口真空斷路器電壓與電場強度仿真模型，計算其等效電容分布參數。針對斷口間電壓分布不均的問題，設計不同并聯電容配置結構，對比分析不同電容配置結構電場強度和電壓分布情況，得到并聯電容的容值與絕緣布置方案，為環保型罐式多斷口真空斷路器均壓配置設計提供參考依據。
圖1 三斷口真空斷路器結構示意圖
科研人員對結果分析后，總結得出以下結論：
1）對比多斷口真空斷路器罐式結構與戶外瓷柱式結構電位分布情況可知，罐式結構電壓分布不均勻度高于瓷柱式斷路器，其各斷口間電壓分布為74%、19%、7%；由于罐體結構縮短了電極對地距離，其斷口和屏蔽罩對地雜散電容明顯增大，由瓷柱式的1.6~2.6pF增加至6.1~7.5pF，是造成兩種斷路器電壓分布存在差異的主要原因。
2）不同并聯電容配置結構電容值的變化對均壓效果影響基本一致，單邊、雙邊、三邊電容布置方式下，均壓電容容值至少選擇1000pF；由于圓筒狀電容電極形狀與布置措施，在一定程度上增強了電容均壓效果，圓筒狀電容布置方式選擇800pF即可，繼續增大電容值均壓效果趨于飽和。
3）常規單邊、雙邊、三邊并聯電容配置，電場強度較大處位于金屬連接件處與滅弧室沿面，金屬連接件處最大電場強度為15~20kV/mm，而圓筒狀均壓電容金屬連接件部分最大電場強度為3kV/mm。圓筒狀電容配置其電場強度分布最為均勻，符合罐式斷路器緊湊型設計需求，后續將進一步深入研究一體化集成的串聯用自均壓真空滅弧室。
以上研究成果發表在2021年第15期《電工技術學報》，論文標題為“環保型罐式多斷口真空斷路器均壓配置研究”，作者為程顯、杜帥 等。
