不同灭弧室串联的真空断路器分压特性研究

摘要

较之六氟化硫断路器，真空断路器具有体积小、免维护、环境友好等特点，在低压和中压等级的电力系统中得到青睐。由于真空间隙的饱和效应，不能简单的通过增加间隙长度的方式将真空断路器应用于高压系统中。针对这一问题，相关的研究学者发现，将多个短间隙串联在一起，较单个真空间隙相比，可以显著提高击穿电压，这为真空断路器向高压系统的推广提供了可能。然而杂散电容的存在使多断口真空断路的各个断口等效电容参数不同，导致电压分布不均，影响了断路器的绝缘特性。 为了获得较为理想的电压分布特性，目前在工程实际中主要采用均压电容。然而，在并联过大的均压电容对开断带来了不利影响，并存在一定的安全隐患。针对以上问题，本文主要研究双断口真空断路器的高低压断口的电压分布特性，以实现无外加均压电容条件下，改善电压分布特性的目的。本文主要从Ansoft静电场仿真、静动态分压实验等方面展开研究，得到不同灭弧室串联可以改善电压分布特性的结论，并提出一种自均压式真空灭弧室的设计思路。 本文首先分析了影响双断口真空断路器分压特性的因素，详细解释了对地杂散电容和断口之间的弧后电荷的差异性在双断口真空断路器电压分布中的不利影响。在此基础上，提出一种通过组成双断口真空断路器的高低压侧真空灭弧室之间的相互配合，实现改善电压分布特性的设计思路。 然后，在Ansoft仿真软件中对不同结构参数真空灭弧室组合下的双断口真空断路器进行了静电场仿真计算，获得了每种组合方式下高低压侧断口承受电压分布情况，并计算了各个断口的等效自电容参数和对地杂散电容参数。仿真结果表明，通过将不同结构参数的真空灭弧室串联，可以达到优化双断口真空断路分压特性的效果。 在静电场仿真计算的基础上，本文用5种不同参数结构的商用灭弧室作为双断口真空断路器的高低压侧断口，由此构成20组双断口真空断路器。对这些断路器分别进行静态高频电压分布实验，选出了四种典型的组合方式进行了动态分压实验。根据实验结果，获得了一种较为理想的组合方式，并分析了同一种组合方式以及不同组合方式之间静电场仿真、静态高频分压和动态分压特性出现差异的原因。仿真计算和实验结果可以证明，在无外加均压电容的条件下，合理选择构成双断口真空断路器高低压侧断口的真空灭弧室，可以使高低压侧等效电容参数近似相等，以削弱杂散电容的影响，改善电压分布特性。 最后，本文提出一种用于双断口真空断路器领域的自均压式真空灭弧室的设计思路，在商用灭弧室的高铝瓷外壳外添加一定厚度的钛酸锶钡基陶瓷，可以大大增加灭弧室的等效自电容参数从而削弱杂散电容的影响，使双断口真空断路器的高低压侧断口等效电容参数近似相等，达到自均压的目的，并给出了外加陶瓷壳的尺寸计算公式，通过Ansoft静电场仿真在理论上解释了这一思路的机理。

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