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输电等级真空灭弧室是迫切需要解决的行业级难题，为克服单断口真空灭弧室绝缘瓶颈和多断口串联结构复杂等问题，郑州大学河南省输配电装备与电气绝缘工程中心科研团队提出了一种基于两间隙异步联动的一体化高压真空灭弧室结构，该结构采用辅间隙与主间隙串联异步联动，辅间隙协助主间隙绝缘和灭弧，有望实现252kV及以上电压等级真空灭弧室工程应用。
研究背景
双碳目标背景下电力装备正逐渐向绿色低碳转型升级。真空断路器作为一种环保型电力开关，以真空优异的绝缘与灭弧能力在中低压领域占主导地位。由于真空长间隙下的饱和效应限制了其向更高电压发展，输电等级真空断路器是世界上迫切需求突破的难题。
高电压等级真空断路器主要由单断口和多断口两种技术方向，多断口真空断路器采用商业成熟应用的单断口真空灭弧室串联构成，是实现高电压等级真空断路器经济和有效的手段。但多断口串联技术工程应用存在串联结构复杂、操动机构多、断口不均压和难以兼容GIS等问题。
单断口真空断路器电压等级已达到170kV，各国正在努力攻克252kV真空灭弧室这一世界级难题，目前252kV真空断路器开断能力基本满足要求，但绝缘性能不足，更高电压等级的单断口真空灭弧室技术路线仍需探索。
论文所解决的问题及意义
本文提出了一种基于两间隙异步联动的一体化高压真空灭弧室结构，分析了其工作原理，建立了两间隙异步联动的一体化高压真空灭弧室电场模型，分析了自然分压条件下进出线方向、主辅间隙大小对分压关系和电场强度的影响规律，得到自然分压条件下主辅间隙配合关系和进出线方式。
另外针对进出线方向不同时的自然分压关系不符合要求问题，通过改灭弧室内部屏蔽罩和外部并联环形陶瓷电容器等分压措施解决其双向开断的问题，得到了基于外部并联环形陶瓷分压电容器的解决方案，为252kV及以上电压等级真空灭弧室的研制与工程应用提供新思路。
论文方法及创新点
1、主辅间隙串联异步联动的高压真空灭弧室结构与原理
图1 基于两间隙异步联动的一体化高压真空灭弧室结构示意图
基于两间隙异步联动的一体化高压真空灭弧室结构示意图如图1所示，主要包括主间隙、主间隙屏蔽罩、辅间隙、辅间隙屏蔽罩以及自驱动机构。主间隙开距大，承担主要的灭弧和绝缘任务，辅间隙开距小，协助主间隙灭弧和绝缘，主辅间隙屏蔽罩主要是避免电弧溅射的影响，主间隙与辅间隙通过自驱动机构一体化异步联动自驱动机构设计刚性系数和阻尼系数可实现主辅间隙的异步联动，同时主辅间隙开距相配合，可提高单断口真空灭弧室内部绝缘强度。
图2 异步联动分合闸过程示意图
异步联动分合闸过程如图2所示，合闸动作时，动导电杆外部操动机构动作推动动导电杆向上移动使得主间隙闭合；导电杆继续向上移动使得辅间隙闭合，断路器合闸完成。分闸动作时，操动机构动作拉动导电杆向下移动，主间隙先分一段距离(10mm)后辅间隙开始分闸，且动导电杆速度大于中间导电杆，直至分闸完成。
2、主辅间隙串联异步联动的高压真空灭弧室电场分析
首先研究了进出线方向对分压及电场的影响，结果如图3所示。进出线方向不同时主辅间隙分压比与内部电场强度变化较大，进线端在动、静端盖时主间隙分压比变化了27%左右，最大电场变化了19%。
图3 不同进出线方向时的电场分布情况
由上述可知静端盖进线、动触杆出线方式下难以满足主间隙承担主要电压的任务，而静端盖出线、动触杆进线方式可以满足较好的分压关系，但实现最合理的电压分布需要主辅间隙开距配合。两间隙开距变化对主间隙分压的影响如图4所示。
高压侧在灭弧室静端时，无法使两间隙分压达到理想状态，当高压侧在灭弧室动端且辅间隙开距为30mm，主间隙开距为60mm时，辅间隙分得总电压的1/3左右，此时主间隙所占电压比为66.3%。故确定灭弧室主辅间隙开距分别为60mm、30mm。
图4 两间隙开距变化对主间隙分压的影响
3、主辅间隙串联异步联动的高压真空灭弧室电场优化
图5 外部并联电容结构示意图
为了满足断路器双向开断的要求，本文提出了在灭弧室外部并联环形陶瓷电容方案（图（5）），并对其进行可行性探索。电场仿真结果如图6所示，进线端在动端盖时两间隙真空灭弧室内部最大电场为12.1kV/mm，相较于自然分压时灭弧室内部最大电场强度12.43kV/mm降低了2.4%；进线端在静端盖时两间隙真空灭弧室内部最大电场为10.3kV/mm，相较于自然分压灭弧室内部最大电场强度14.9kV/mm降低了30.87%。
由上述结果可知在灭弧室外部并联环形陶瓷电容器不仅可以满足断路器双向分断的要求，同时也可在一定程度上提高灭弧室内部绝缘能力。
图6 并电容结构与自然分压结构内部电场对比图
结论
本文创新性提出了一种基于两间隙异步联动的一体化高压真空灭弧室结构，主辅间隙通过自驱动机构异步联动操动，辅间隙协助主间隙绝缘和灭弧，为高电压等级真空灭弧室研发提供新思路。
研究了主辅间隙开距、进出线方向对分压关系和电场强度的影响规律，在自然分压时采用静端盖出线、动触杆进线方式可以实现最合理的分压关系，对应的主辅间隙开距分别为60mm和30mm，分压比分别为66.3%和33.7%，且此时此结构对相较于长间隙90mm时的电场强度降低23%，可以有效提升绝缘性能。进出线方向对分压关系影响较大，自然分压难以满足双向开断要求。
为此提出环形陶瓷电容器分压措施，实现了各段陶瓷外壳间的电压均匀分配，将进出线为灭弧室静动端时最大电场强度分别降低30.87%和2.4%，初步说明了新结构的可行性和有效性。
团队介绍
团队瞄准国家对高压电力装备环保化、智能化、高可靠、紧凑型等方面迫切需求，开展新型电力开关装备研制、电力装备状态感知与系统安全及电工材料等离子体改性与可靠性提升等研究，提升电力装备行业核心竞争力和自主知识产权，促进中原区域新型电力装备产业链创新发展。
团队整合电气工程学科高电压与绝缘技术二级学科、电机与电器二级学科电器方向相关资源，主持申报获批河南省输配电装备与电气绝缘工程技术研究中心（2017年），河南省高电压与放电学科创新引智基地（2021年），河南省研究生联合培养基地（2022年）等科教平台，共建单位包括平高集团有限公司、许继集团有限公司、国网河南省电力公司电力科学研究院等。
团队核心科研设备包括300kV/420kV交直流绝压耐压测试、126kV/50kA断路器合成试验与电弧诊断、脉冲电压发生器与放电等离子体应用、电介质材料高尺度多参数特性检测等试验平台，科研、教学设备总值2000余万元，校内科研场地1100余平米，校外测试基地20000余平米。
本工作成果发表在2024年第17期《电工技术学报》，论文标题为“基于两间隙异步联动的一体化高压真空灭弧室电场设计“。本课题得到国家自然科学基金、河南省优秀青年科学基金和河南省科技创新人才项目的支持。
引用本文
葛国伟, 王文博, 程显, 陈辉, 段晓辉. 基于两间隙异步联动的一体化高压真空灭弧室电场设计[J]. 电工技术学报, 2024, 39(17): 5555-5564. Ge Guowei, Wang Wenbo, Cheng Xian, Chen Hui, Duan Xiaohui. Electric Field Design of Integrated High-Voltage Vacuum Interrupter Based on Two-Gap Asynchronous Linkage. Transactions of China Electrotechnical Society, 2024, 39(17): 5555-5564.
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