双断口真空断路器配合特性仿真与试验

大连理工大学电气工程学院、吉林省电力科学研究院的研究人员葛国伟、廖敏夫、黄金强、段雄英、苏阔、邹积岩，在2016年第22期《电工技术学报》上撰文，针对目前多断口真空断路器多采用并联均压电容，均压可能存在运行隐患的问题，通过研究双断口真空断路器间隙，配合和不同横磁（TMF）触头和纵磁（AMF）触头真空灭弧室组合取缔均压电容得到最佳的开断能力。

基于真空电弧连续过渡模型建立了双断口真空断路器仿真模型，通过仿真与合成回路试验，研究了不同燃弧时间、不同期性和不同组合方式对开断能力的影响。仿真得到横纵组合方式具有最强的开断能力，且非同期动作（高压侧滞后动作）具有更强的开断能力，并得到了双断口真空断路器最佳间隙配合特性。

试验结果验证了仿真结果，并且证明了双断口真空断路器非同期动作存在电压分布反转和开断突变区间。最后得到双断口真空断路器优化方案——对真空灭弧室的优化和非同期间隙的最佳配合，实现自均压效果进而取缔均压电容，为多断口真空断路器的发展提供了新的思路与方法。

随着国家“坚强智能电网”建设的需要和环境保护的要求，智能、可靠、清洁的电力设备受到越来越多的关注[1]。在中低压领域，真空断路器以其优越的灭弧性能，可靠、环保和无维护等优点占据主导地位[2]。SF6在高压领域得到广泛应用，但SF6是温室气体，京都议定书和欧盟“禁氟令”都提出严格限制SF6的使用。

多断口真空断路利用串联真空短间隙优越的灭弧性能，解决了真空长间隙的绝缘饱和问题，是未来替代SF6断路器应用于高电压领域的发展趋势，近年来成为高电压电器领域的研究热点[3-5]。

多断口真空断路器的关键技术是均压问题和同期性。T. Betz等研究了均压电容对双断口真空断路器的影响，得到均压电容可以降低暂态恢复电压上升率和增大击穿情况下的暂态电流[6]。S. Yanabu等研究了横磁（TransverseMagnetic Field, TMF）和纵磁（Axial Magnetic Field, AMF）灭弧室组合的双断口真空断路器特性，得到弧后电流的差异是造成电压分布不均的原因[7,8]。

黄道春等研究了多断口真空断路器并联均压电容的影响，得到了三断口真空断路器最佳的均压电容范围[9]。T. Fugel等研究了双断口真空断路器的开断特性，得到均压电容的选取有一个最佳范围，随着均压电容的增大，开断能力有所降低[10]。

廖敏夫等提出基于光控真空断路器模块构成多断口真空断路器，开关分散性小于1ms，并研究了多断口真空断路器的静态和动态击穿统计特性，得到多断口真空断路器电压增益特性[11,12]。上述研究工作主要针对同期情况下多断口真空断路器的特性和均压电容对多断口真空断路器的影响，但对于双断口真空断路器的非同期配合特性研究较少。

并联均压电容是多断口真空断路器实现均压的常用措施，但并联均压电容一方面提高了多断口真空断路器的成本[13]；另一方面，均压电容在长期运行过程中，绝缘劣化会造成事故发生。例如2005年重庆电力公司长寿站5053号开关的两只均压电容（电容量均为1 600pF）发生爆炸，所以并联均压电容会存在一定的隐患[14,15]。

为此本文通过研究双断口真空断路器非同期真空间隙和不同触头结构灭弧室组合，得到双断口真空断路器最佳的组合方式和最佳间隙配合特性，进而取缔均压电容的使用。

图1  双断口真空断路器仿真模型

讨论分析

通过双断口真空断路器的仿真与开断试验，双断口真空断路器在无均压措施的情况下，电压分布不均匀，高压侧承受电压更高[21]。本文通过不同触头结构的真空灭弧室串联和不同间隙的配合分析与试验得到，在横纵触头灭弧室构成的4种组合方式中，横纵组合方式（即高压侧采用横磁，低压侧采用纵磁）具有最强的开断能力，这是由于横磁灭弧室具有更大的等效自电容，同等条件下，此组合方式具有更高的电压分布特性。

在非同期情况下，由于真空灭弧室等效自电容随着真空间隙的减小而增大，采用非同期动作，高压侧真空间隙小，低压侧真空间隙大，可以得到更好的电压分布特性。试验结果说明了采用此种方式的非同期配合可以得到电压分布情况的优化，甚至出现高、低压侧电压分布情况的反转。

综合考虑双断口真空断路器的电压分布与真空间隙动态绝缘特性，采用此种方式控制双断口真空断路器存在最佳的配合特性。第3节通过仿真得到了双断口真空断路器最佳间隙配合特性，由于开断试验的偶然性和重复次数较多，通过试验只是得到非同期最佳间隙配合特性的存在，最佳间隙配合特性的试验结果需要后续继续验证。

对双断口真空断路器的灭弧室进行了特殊设计：高压侧灭弧室采用直径较大的触头结构，以便增加其等效自电容；低压侧真空灭弧室波纹管加长，以便实现低压侧开距大于高压侧灭弧室；开断过程中，高、低压侧采用非同期动作配合，而且速度不同，高压侧后动作且动作速度慢，在电流过零点外，高压侧真空间隙小，等效自电容大，再考虑杂散电容的影响，进而实现双断口真空断路器自均压效果。

经过优化后的双断口真空断路器，由于增加了高压侧等效自电容，进而得到了比较良好的分压效果，再加以最佳间隙配合控制方法，实现双断口真空断路器在不需要增加均压措施的情况下得到较好的均压效果和最强的开断能力。双真空断路器间隙配合特性得到较好的自均压效果，进而取缔均压电容，得到较强的开断能力。

5  结论

1）在无均压措施的情况下，双断口真空断路器采用横纵组合方式构成，高压侧采用横磁真空灭弧室，低压侧采用纵磁真空灭弧室具有较强的开断能力，这主要是纵磁灭弧室等效自电容比横磁的小，采用此组合方式电压分布效果最佳。

2）非同期动作，高压侧真空间隙小，低压侧真空间隙大，可以得到更好的电压分布情况，能够增强开断能力。综合考虑电压分布特性与真空间隙动态绝缘强度，在此种非同期配合的情况下存在最佳间隙配合特性，本文通过试验与仿真验证了最佳间隙配合特性的存在，并通过仿真得到横纵组合方式的最佳间隙配合特性。

3）讨论分析通过对双断口真空断路器的灭弧室优化设计，高压侧灭弧室采用直径较大的触头结构，低压侧开距大于高压侧灭弧室，以增大高压侧真空灭弧室等效自电容，再利用最佳间隙配合控制，实现自均压效果进而取缔均压电容。