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常州博瑞电力自动化设备公司赵树生、惠杰等：真空灭弧室击穿分析及仿真优化

文摘科技 2024-11-14 07:04 北京

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真空灭弧室作为真空断路器的开断单元，制约着真空断路器的绝缘和开断性能。为提升真空灭弧室绝缘性能，常州博瑞电力自动化设备有限公司的赵树生、惠杰、刘博嘉、胡全丹、李钊在2024年第7期《电气技术》上撰文，分析真空灭弧室与地电位平板在不同相对位置、动静端分别加压条件下的电场分布情况，探究真空灭弧室瓷套绝缘击穿的根本原因，进而创新性地优化真空灭弧室内均压罩的固定方案，消除楔形气隙。改进后真空灭弧室击穿点瓷套内部的电场强度降至0.02kV/mm，较改进前降低了99%，避免了均压罩固定点高电场强度引起的绝缘击穿，为真空灭弧室的结构优化提供了解决思路。

国内真空开关理论及技术的研究起步于1959年。经过多年的发展，真空开关技术及其应用已十分成熟。真空灭弧室是断口绝缘及灭弧功能的核心部件，决定了真空开关的核心性能参数。真空灭弧室的性能与触头材料、电弧能量和真空度有关。真空灭弧室采用瓷套与金属真空密封焊接技术，其内部的真空是绝缘与灭弧的主要介质，若瓷套或金属焊接部分漏气，真空度达不到要求，则其绝缘强度不达标，会发生开断故障及绝缘击穿等异常，影响电力系统的可靠运行。

同时，国网招标将真空断口的通用值42kV提高至隔离断口的48kV绝缘水平，产品在绝缘试验中更容易发生真空灭弧室绝缘击穿问题。

国内外专家学者对真空灭弧室内部均压罩、瓷套外形、动静端电极结构等均进行了相关研究，但尚未深入开展对灭弧室屏蔽罩与瓷套结合处畸形电场的研究，本文通过对瓷套绝缘击穿的真空灭弧室进行三维建模，分析真空灭弧室距地不同距离、动、静端分别加压条件下的电场情况，探究瓷套击穿的根本原因，并提出优化方案，以期为真空灭弧室结构的优化设计提供参考。

1 真空灭弧室击穿分析

1.1 案例背景

真空断路器出厂试验存在如下异常：

1）局部放电量超标。

2）断口工频绝缘耐受电压48kV异常，试验平台合闸后台表计电压显示为0V，高压侧电流为12.9mA（正常值为0）。

根据上述测试数据可以判断，真空灭弧室断口绝缘失效。

1.2 真空灭弧室击穿原因分析

真空灭弧室击穿点如图1所示，瓷套外侧自静端第六个波的波谷处有一击穿孔，其余部位未见损伤及缺陷。由此确定此灭弧室的瓷套击穿漏气，内部真空环境遭到破坏，致使其绝缘性能降低。

图1 真空灭弧室击穿点

真空灭弧室瓷套的主要成分为95氧化铝陶瓷，其绝缘性能及机械强度较强，但真空条件下电极设计不合理或陶瓷表面质量问题均会引起电极和陶瓷绝缘体表面打火产生高压击穿；同时，陶瓷颗粒的均匀性差及微孔问题也会降低陶瓷绝缘体的耐压强度，易因高压击穿形成沟道，造成陶瓷穿孔漏气。

为了达到绝缘与灭弧的功能，真空灭弧室内部气压要求小于等于1.33×10^-³Pa。根据空气帕邢曲线可知：在不同空气压力下，存在一个使绝缘性能最弱的空气压力值。当气压小于该压力值时，绝缘强度随气压的降低而升高；当气压大于该压力值时，绝缘强度随气压的升高而升高。研究表明，8mm真空灭弧室断口在10～100Pa空气压力下的绝缘性能最差，击穿电压仅为几百V，与真空灭弧室的异常击穿情况相符。

2 真空灭弧室仿真分析

真空灭弧室由瓷套、静端组件、动端组件、屏蔽罩四大部件组成，根据建模原则，忽略介质内气泡，并去除不必要的特征，得到真空灭弧室分闸状态的模型剖视图如图2所示。

图2 真空灭弧室分闸状态的模型剖视图

模拟灭弧室装配的外部环境，在真空灭弧室一侧设一地电位金属板，金属板至灭弧室中心的净距为d。真空灭弧室静电场仿真模型如图3所示，模型参数设置如下。

图3 真空灭弧室静电场仿真模型

1）域设定：灭弧室长度方向外延20%，金属板方向0%，其余方向外延50%。

2）材料设定：计算域的材料属性设定为真空（vacuum），动触头组件、静触头组件、屏蔽罩和金属板都设定为金属（copper），瓷套设为Al₂O₃ ceramics。

3）电位设定：金属板设为0V，屏蔽罩设为悬浮电位（floating），动、静触头组件根据要求分别设为高压与0V。

根据国网招标要求，在高压部位施加激励电压为工频耐受电压48kV的峰值电压68kV。真空断口动端组件、静端组件分别施加高压进行仿真计算，得到电场云图如图4和图5所示。

图4 动端加压电场云图

图5 静端加压电场云图

图7 静端加压，击穿处电场强度

图8 屏蔽罩与瓷套结合处的楔型气隙

3 真空灭弧室结构优化

瓷套本体的绝缘性能很强，击穿场强达到30kV/mm，故仅瓷套内部局部击穿并不会导致瓷套击穿，但瓷套的质量受瓷粉材料、加工工艺、气孔等多方面影响，若楔型气隙周围的瓷套存在气孔等瑕疵，长期的表面局部击穿会导致瓷壳击穿，进而形成击穿故障。

为杜绝该类击穿故障的发生，本文提出一种新型均压罩与瓷套结合方案。增加均压环设计方案如图9所示，取消瓷套原内部凸台，在瓷套内预制金属均压环，屏蔽罩与金属均压环钎焊固定。该方案可以满足真空灭弧室一次成型真空钎焊的装配要求，同时预制在瓷套内的金属均压环能够屏蔽屏蔽罩与瓷套结合处的电场，消除楔型气隙，优化电场分布，从而提升真空灭弧室绝缘性能，满足使用要求。

图9 增加均压环设计方案

增加均压环后动、静端加压电场云图如图10和图11所示，可以看出：消除瓷套内部楔型气隙后，瓷套与屏蔽罩结合点（图中圆圈标注处）的电场强度由原来的畸变集中电场分布变为均匀的低电场分布；灭弧室击穿点瓷套内部的电场强度降至0.02kV/mm，远低于瓷套表面击穿场强，改进效果明显。

图10 增加均压环动端加压电场云图

图11 增加均压环静端加压电场云图

4 结论

本文分析了12kV真空灭弧室瓷套绝缘失效的原因，并通过仿真分析了真空灭弧室击穿点周边的电场情况，得出以下结论：

1）瓷套与屏蔽罩结合点处的高电场强度是导致瓷套击穿的原因。

2）优化了真空灭弧室内均压罩的固定方案，消除了楔形气隙，使电场分布更均匀，改进后真空灭弧室击穿点瓷套内部的电场强度为0.02kV/mm，较改进前降低了99%，绝缘性能得到显著提升，为真空灭弧室的结构优化提供了参考。

本工作成果发表在2024年第7期《电气技术》，论文标题为“真空灭弧室击穿分析及仿真优化”，作者为赵树生、惠杰、刘博嘉、胡全丹、李钊。

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常州博瑞电力自动化设备公司赵树生、惠杰 等：真空灭弧室击穿分析及仿真优化

本工作成果发表在2024年第7期《电气技术》，论文标题为“真空灭弧室击穿分析及仿真优化”，作者为赵树生、惠杰、刘博嘉、胡全丹、李钊。

常州博瑞电力自动化设备公司赵树生、惠杰等：真空灭弧室击穿分析及仿真优化