北京双杰电气股份有限公司 孔国威 魏杰 梁吉省

　　中国电力科学研究院 王昊晴 李向阳

　　目前中国10kV~35kV等级的金属封闭开关设备采用真空作为灭弧介质已成定局，采用固体绝缘材料作为绝缘介质的环保型产品正在快速推广中，并已经得到广泛的认可与应用[1-4]。

　　中压固体绝缘开关柜、环网柜目前主要的发展方向一是小型化；二是大容量，包括高额定电流和大开断电流[3,5]。然而固体柜的小型化要求势必制约着内部母线与真空灭弧室的浇注距离[6-8]。这将不仅影响固体柜的电绝缘与局放特性[9-10]，同时还将对固体柜的开断能力造成影响。真空灭弧室旁侧母线导体产生的磁场同时也作用在灭弧室触头间隙中，真空电弧受到母线电动力作用横向磁吹使屏蔽罩侧烧[11-13]，降低真空灭弧室的耐压水平，对开断性能会产生严重影响，而且开断电流容量越大，这种影响就越显著导致开断失败[14-17]。典型的大容量开断电弧侧烧后的触头和屏蔽罩状况见图1。这一现象在固体绝缘及其它类型的开关设备中普遍存在。

　　为提高小型化固体柜的大容量开断能力，文中将针对固体柜大容量开断过程中的触头屏蔽罩侧烧问题展开研究，并提供一种切实可靠的解决办法。结果可为目前12kV~40.5kV固体柜产品的开发提供技术参考。

　　1 研究方案

　　为实现上述研究目标，本文以目前市场占有率最高、已经成熟运行多年的成型系列固体柜产品为例展开研究，产品见图2所示。文中研究内容包括两部分：一是对母线磁场在触头间隙电弧中产生的电动力进行计算；二是对磁屏蔽罩影响下母线磁场在触头间隙的分布特征进行仿真。

　　2 母线磁场作用于触头间隙电弧上的电动力

　　本文选用的成型系列固体柜的开关本体和“真空灭弧室—母线”局部固封单元见图3。母线套管与开关本体浇注一体。

　　首先分析单相回路时自身母线磁场在触头间隙中产生的电动力，对此展开计算。不考虑横截面的影响，可将母线导体近似看作两段有限长导线AB和BC，分别垂直和平行于电弧间隙DE，同时将真空电弧看作一良导体，则上述回路对应的简化主电路和结构参数见图4。触头间隙电弧所受电动力Ft包括两部分FAB和FBC，分别受到AB段母线和BC段母线在触头间隙产生的法向磁场的作用，Ft方向垂直于触头间隙电弧和母线磁场并远离于母线侧。

　　通过磁场仿真发现，在固体绝缘开关设备真空灭弧室中设置导磁屏蔽罩，可有效降低母线及回路其他导体在触头间隙中产生的外磁场，减小电流开断过程中电弧受到磁场电动力，使触头烧蚀均匀，避免因电弧侧烧屏蔽罩而导致的开断能力降低乃至失败。因此，设置导磁屏蔽罩是解决上述问题的一项有力可行措施，可用来提高固体绝缘及其他开关设备的大容量开断能力。

　　4 导磁屏蔽罩设置后的试验验证

　　为验证导磁屏蔽罩在固体柜大电流真空开断过程中的显著提升作用，文中还开展了相关研究性试验验证。选用成型的固体柜产品进行更大短路电流开断试验。

　　原固体柜满容量开断能力为20kA，真空灭弧室屏蔽罩为常规非导磁屏蔽罩。在更大容量开断研究性试验中，开断电流达到23kA时合分过程中出现了A、B两相无法灭弧的情况，见图11。以A相为例，从波形图中可以看到分闸信号发出29ms后A相触头两端恢复电压开始建立，测量发现恢复电压在升高到7.75kV时触头间隙发生击穿，随后触头继续运动，触头间隙继续恢复期绝缘强度，经过9.5 ms后恢复电压重新开始建立，此时测量发现在5.47kV时触头间隙再次发生击穿，之后保护开关动作，短路电流被切断。

　　经过开断后A相真空灭弧室解剖发现，触头屏蔽罩出现了明显电弧喷溅侧烧现象，屏蔽罩烧蚀后变薄，并伴有很长的金属须喷溅痕迹。研究分析断定A相开断失败的原因正是由于开断过程中的这种触头屏蔽罩侧烧造成，导致灭弧室耐压水平降低，无法承受快速上升的弧后恢复电压，从而致使开断失败。

　　针对上述屏蔽罩侧烧的问题， 采用文中的方法对真空灭弧室设计进行改进，将原灭弧室屏蔽罩更改为导磁屏蔽罩。在此条件下原固体柜产品在开断23kA电流时试验顺利通过， 成功耐受住弧后恢复电压，开断波形见图12。

　　开断后通过对灭弧室解剖发现，带有导磁屏蔽罩的真空灭弧室触头烧蚀均匀，熔蚀轻微，触头屏蔽罩表面光泽，未发现明显的电弧喷溅痕迹。由此可断定，导磁屏蔽罩设定后可有助于提高固体柜大电流真空开断能力，是解决固体绝缘开关设备体积小型化与开断容量增大化的一项有力措施。

　　5 讨论

　　从以上研究结果可知，真空灭弧室触头屏蔽罩采用导磁材料，是解决开断时真空电弧因母线磁场作用而导致触头屏蔽罩侧烧的一项有力措施。目前，通用的真空灭弧室触头屏蔽罩仍然多采用非导磁材料，究其原因在于：

　　（1）导磁屏蔽罩在加工、制备及清洗过程中，铁磁材料置于空气中很容易氧化、生锈，表面吸附大量的杂质气体，将可能导致灭弧室真空度的降低。

　　（2）导磁屏蔽罩在灭弧室正常工作状态下，屏蔽罩内部通过周围导体交变磁场而产生很大的涡流，从而导致屏蔽罩温升严重，影响真空灭弧室的使用。

　　虽然存在上述问题，但合理设计的导磁屏蔽罩在目前真空灭弧室产品中仍然有着广泛的应用。特别是对于大的额定电流、短路电流参数的真空灭弧室产品。这将也会在本文所研究的小型化固体柜大容量的开断场合中发挥着突出的作用。

　　6 结论

　　针对小型化固体绝缘开关设备在大容量开断过程中出现的触头屏蔽罩侧烧问题进行了分析研究。

　　基于实际固体柜产品模型，本文对母线导体在触头间隙产生的磁场电动力进行了理论计算，同时对母线导体磁场在触头间隙的分布特性进行了仿真，最后提出了一种磁场屏蔽解决措施，并通过了试验验证。得到的主要结论如下：

　　参考文献

　　[1] 国家电力科学研究院.12kV固体绝缘环网柜生产应用与市场调研报告[R].北京：全国输配电技术协作网，2014.

　　[2] 钟恒强.固体绝缘环网柜在配网中压领域的技术现状及市场前景分析[J].电力系统装备，2012（9）：57-59.

　　[3] 王平.固体绝缘技术及其应用[R].西安：西安高压电器研究院；中国电器工业协会高压开关分会，2014.

　　[4] 刘志远，耿英三.真空开关技术新动态[J].高压开关行业通讯，2010（2）：28-36.

　　[5] SATO J，SAKAGUCHI O，KUBOTA N，et al. New technology for medium voltage solid insulated switchgea [C]// Proceedings of the IEEE Transmission and Distribution Conference and Exposition （T & D）.Yokahama ：IEEE ，2002：15.

　　[6] SATO J，SHIOIRI T，IMAI T，et al. Investigation of longterm reliability for solid insulated switchgear[C]//2012IEEE/PES Transmission and Distribution Conference and Exposition （T & D）.[S.l.]: IEEE，2012: 3.

　　[7] LEE J H，MA J H，KIL G S. The development of 25.8 kV class solid insulated switchgear[C]//CIGRE 20th InternationalConference on Electricity Distribution-Part 1.Prague：CIGRE，2009：1-4.

　　[8] 翟鹏飞.12 kV 固体绝缘环网开关设备的研究与开发[D].保定：华北电力大学，2013.

　　[9] 陈玉，成永红，阴玮，等.环氧及其复合材料气固界面快脉冲闪络特性[J].西安交通大学学报，2008，42（6）：703-707.

　　[10] LORKOWSKA B，FLORKOWSKI M，ROEHRICH J，et al.Modeling of PD mechanism in non-uniform field at high pressure[J]. High Voltage Engineering，2008，34（12）: 2662-2667.

　　[11] XIU Shixin，LI Quan，LIU Guangyi，et al. Study of distortion of a vacuum arc at a long-gap distance[J]. Plasma Science & Technology，2011，13（2）: 188-193.

　　[12] WANG Lijun，JIA Shenli，LIU Ke，et al. Numerical simulation of high-current vacuum arc characteristics under combined action of axial magnetic field and external magnetic field from bus bar[J]. Physics of Plasmas，2009，16（10）:103502-103510 .

　　[13] KANEKO E，TAMAGAWA T，OKUMURA H，et al. Basic characteristics of vacuum arcs subjected to a magneticfield parallel to their positive columns[J]. IEEE Transactions on Plasma Science，1983，11（3）: 169-172.

　　[14] 贾申利，闫静，付军，等.一种用于真空灭弧室的磁 屏蔽罩[J].高压电器，1999，35（2）：13-16.

　　[15] 谭燕，何维忠.外部接线对横磁场触头结构真空断路器开断能力影响的分析[J].高压电器，1993，29（1）：13-19.

　　[16] YAO Xiaofei，WANG Jianhua，GENG Yingsan，et al. An influence of an ambient magnetic field induced by a nearby parallel conductor on high-current vacuum arcs [C]//IEEE 25th International Symposium Discharges and ElectricalInsulation in Vacuum. Tomsk，Russia：IEEE，2012:337-340.

　　[17] POLYANOVA I，BUGAYOV V. Interruption capability ofthe AMF electrodes in the external transverse field [C]//IEEE 25th International Symposium on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum.Tomsk，Russia：IEEE，2012： 244-247.

　　[18] 马西奎，冯慈璋.工程电磁场导论[M].北京：高等教育出版社，2008.

　　[19] 倪光正，杨仕友，邱捷.工程电磁场数值计算[M].北京：机械工业出版社，2004.

　　[20] 赵博， 张洪亮.Ansoft 12 在工程电磁场中的应用[M].北京：中国水利水电出版社，2010.

　　作者简介

　　孔国威（1985—），男，博士，主要从事高压真空开关、环网配电开关设备等方向研究。