超高压环保GIS串联专用自均压真空灭弧室集成设计 （郑州大学陈辉/张万隆/于雯伊/张钦尉/罗冰）

一、项目背景

超高压绿色环保电力装备是国家“十四五”规划和2035远景目标纲要的重点发展领域。目前广泛应用于电力装备的SF6气体具有极强的温室效应，国际气候公约提出限制SF6的使用，电力开关装备的环保替代是国际热点。2060年中国“碳中和”目标、《京都议定书》、《联合国气候变化框架公约》和《巴黎协定》均提出限制SF6气体的使用。环保型高压电力开关设备的SF6环保替代主要有两种路线：一是真空路线，即利用真空灭弧和环保气体绝缘；二是环保气体路线，即寻找具有低GWP的绝缘和灭弧气体。

真空路线目前在中压领域已实现广泛应用，高压领域(126kV)已示范应用，目前高电压等级单断口真空断路器发展的极限是252kV，而发展超高压(363kV及以上)真空断路器需要采用双断口或多断口串联技术。多断口真空断路器由多个商用真空灭弧室串联构成，在126~550kV取得一定的工程应用，但存在绝缘结构复杂、同步操动困难等问题，限制其推广应用，超高压环保GIS关键技术及装备仍是世界难题。

罐式真空断路器集成化设计是环保GIS中最核心的难题，罐式多断口真空断路器具有集成化水平高、占地空间小等优势，因此多断口真空断路器逐步由柱式向罐式发展，罐式结构是未来多断口真空断路器的发展趋势和主要方向。然而，罐式结构主屏蔽罩对地杂散电容明显增大引起的断口、主屏蔽罩电压分布不均问题更加突出，且紧凑型均压配置需求日益迫切，需要解决传统电容或阻容均压元件的绝缘空间问题。

常规均压方法已取得较大进展，主要包括外部并联、集成并联和内部调控等。

罐式结构主屏蔽罩对地杂散电容明显增大，引起断口、主屏蔽罩分压不均的问题更加突出。紧凑型均压配置需求日益迫切，需要解决传统阻容均压元件的绝缘空间问题。常规均压方法主要包括外部并联、集成并联和内部调控等。

（一）外部并联方式采用电容或阻容均压元件；

（二）集成并联方式采用外部屏蔽罩或弧形陶瓷电容器与真空灭弧室一体化集成；

（三）内部调控主要通过各断口同步控制和磁场调控等措施控制电弧发展一致性，降低触头间隙弧后不平衡电荷引起的动态电压差。外部和集成并联方式可实现串联断口间较好的均压效果，但是真空灭弧室主屏蔽罩悬浮电位分布不均问题还未被足够重视。由于电弧发展随机性和各断口非同期性，内部调控方法难以定量控制和抵消触头间隙弧后不平衡电荷，进而造成动态电压分布不匀。

为解决常规均压方法存在的不足，本项目提出了主屏蔽罩均压一体化自均压真空灭弧室新结构，采用环形陶瓷电容器串联连接于真空灭弧室主屏蔽罩中封环处，实现主屏蔽罩均压；环形陶瓷电容器串联整体作为断口均压电容，实现串联断口间均压。自均压真空灭弧室新结构主屏蔽罩电位变化会影响弧后粒子二维分布和串联弧后鞘层发展一致性，但目前尚不清楚主屏蔽罩均压对弧后粒子分布以及弧后鞘层发展的作用机理，尚缺乏一体化自均压新结构设计依据。

针对超高压环保GIS一体化自均压真空灭弧室新结构衍生的关键科学问题，开展了40.5kV、126kV自均压真空灭弧室弧后鞘层发展过程仿真研究，揭示了主屏蔽罩均压对弧后鞘层发展一致性的作用机理，阐明了新结构参数对弧后微观特性的影响规律，指导一体化自均压新结构设计。为363kV及以上电压等级串联用自均压真空灭弧室研制奠定理论基础，推动罐式多断口真空断路自均压真空灭弧室研制奠定理论基础，推动罐式多断口真空断路器在363-550kV以上电压等级的工程应用，对环保灭弧替代具有重要科学意义和工程应用价值。

二、项目简介

超高压绿色环保电力装备是国家“十四五”规划和2035远景目标纲要的重点发展领域，超高压环保GIS关键技术是世界级难题。本项目提出了主屏蔽罩均压一体化自均压真空灭弧室新结构，开展了40.5kV、126kV自均压真空灭弧室弧后鞘层发展过程仿真研究，揭示了主屏蔽罩均压对弧后鞘层发展一致性的作用机理，阐明了新结构参数对弧后微观特性的影响规律，指导超高压环保GIS一体化自均压新结构设计。本项目为363kV及以上电压等级串联用自均压真空灭弧室研制奠定理论基础，推动罐式多断口真空断路器在363-550kV及以上电压等级的工程应用，对环保灭弧替代具有重要科学意义和工程应用价值。

三、技术方案

针对超高压环保GIS自均压真空灭弧室主屏蔽罩均压问题，本项目提出了控制屏蔽罩电位来模拟电容均压效果的PIC仿真新方法，提出“一致性系数”来表征串联弧后鞘层增益效果。建立了基于屏蔽罩电位控制的弧后粒子仿真PIC模型，得到了弧后粒子、鞘层电势、弧后鞘层变化、粒子吸附电流和弧后电流等微观参数。阐明了屏蔽罩电位控制对弧后粒子分布和鞘层发展的影响规律，通过探针诊断和阴极斑点演变过程辅助验证仿真结果的准确性和可靠性，为自均压灭弧室的设计提供理论技术支撑。

本作品通过理论建模和实验对比，最后进行结构集成。建立真空灭弧室弧后粒子输运PIC数值模型，研究弧后粒子分布、电势分布、弧后电流、鞘层演化过程，得到自均压真空灭弧室屏蔽罩电位变化对弧后微观特性的影响规律。根据上述仿真研究结果，实验验证真空灭弧室内部和外部主屏蔽罩均压电容参数对阴极斑点熄灭位置、残余等离子体分布等弧后微观特性的影响规律，揭示主屏蔽罩均压配置对真空灭弧室弧后微观特性作用机制。开展自均压真空灭弧室多物理场优化研究，对灭弧室进行结构集成设计与试验测试，验证仿真结果。

四、实验过程与结果

利用泊松方程对弧后残余等离子体内部的相互作用进行建模，等离子体粒子的运动由宏观粒子的相对运动方程来跟踪。

屏蔽罩电位控制由VSim静电模型中的“Boundaryfunction”函数控制，不同屏蔽罩电位对应着不同外部均压电容的组合。

屏蔽罩电位会影响弧后粒子分布，会使电子的径向运动距离减小，屏蔽罩电位0.50TRV时弧后鞘层电势分布最均匀。

与传统均压方式相比，多级悬浮屏蔽罩均压弧后鞘层电势分布更加均匀，其会加速电子向悬浮屏蔽罩的空隙处扩散，这是导致弧后电势均匀分布的主要原因。

随着瞬态恢复电压的增大，鞘层的发展速率增大，当电压下降率从2.0kV/us增大到21.0kV/μs时，弧后鞘层的发展从6.5μs增加到3.0μs。

T=3us之前，传统断口均压与主屏蔽罩均压两个断口的鞘层发展基本一致;T=3us之后，传统断口均压方式下低压断口比高压断口发展更快;

与传统均压方式相比，自均压方式由于屏蔽罩电位的作用，弧后粒子和弧后电势分布会发生改变，Cu+更趋向于轴向运动，加快了e的径向扩散。

主屏蔽罩均压弧后电流峰值更小，比传统方法降低约20%;传统均压高低压鞘层发展3us时出现分叉，发展速率开始拉开差距;

主屏蔽罩均压双断口串联鞘层发展α趋近于零，平均值约为0.1，传统均压α出现尖峰，平均值约为0.3。

传统均压双断口真空灭弧室内部粒子分布存在不一致性，高压断口慢于低压断口;

自均压时，粒子朝屏蔽罩与触头间扩散，加强粒子径向运动，增加断口间鞘层发展一致性;

自均压鞘层发展过程加快了0.7μs，鞘层发展更具有协同性，进一步降低了弧后重击穿的风险。

屏蔽罩均压更有利于三断口串联结构弧后粒子的径向扩散;

5μs之前，屏蔽罩均压三个断口鞘层发展一致性优于传统均压结构;

5μs之后，中间断口鞘层最先形成，高压断口与低压断口的鞘层发展一致性仍然屏蔽罩均压结构更优。

三断口串联结构，中间和低压断口鞘层厚度发展速率相当，高压断口的低于中间和低压断口;

自均压方式下中间断口发展最快，高压和低压断口发展速率相当但慢于中间断口;自均压方式三断口串联鞘层发展一致性系数最大值为2.11，传统均压方式最大值为5.26。

搭建了探针阵列诊断实验平台，完成了诊断实验系统、探针阵列控制电路与探针本体设计;

得到了灭弧室内部触头、主屏蔽罩和外部均压电容参数变化对真空电弧的发展演变规律。

屏蔽罩电势0.5TRV时，弧后残余等离子体衰减最快，阴极斑点分布最均匀，与仿真结果一致。

得到了不同屏蔽罩电位的探针阵列诊断结果，以及电子密度初始值与衰减时间变化规律;

不同均压方式与真空电弧发展过程中的阴极斑点熄灭位置存在一定的关系，会存在局部高温与斑点团。

真空电弧燃烧阶段的局部烧蚀会影响阴极斑点的熄灭位置，进而影响弧后鞘层的发展;与传统均压相比，自均压串联结构在电弧熄灭阶段阴极斑点分布更加均匀。

灭弧室外侧最大电场强度降低了53.6%，内部最大场强降低了0.19kV/mm。自均压真空灭弧室最高温度为47.5℃，较商用灭弧室可以有效降低温升。

灭弧室内部电场强度最大值为3.66kV/mm，其上中下端屏蔽罩分压比为:74.18%、48.60%、24.30%，相较传统结构，其内部最大场强降低11.6%，外部最大场强降低34.9%，该结构可以提升单断口真空灭弧室绝缘性能10%左右。

自均压双断口结构内部电场更加均匀，高压侧与低压侧断口间分压关系由传统结构的84.13%、15.87%改善为53.37%、46.63%。

自均压结构相比传统结构的有效散热面积提升98.4%，散热效果更好，内部温升最大值降低15.5K。

自均压方式构成的双断口串联在高频TRV下有效地实现断口间均压，使得高压侧不均匀系数降低为1.08，且高低压侧真空灭弧室主屏蔽罩悬浮电位均压效果良好。自均压真空灭弧室在高压工频和高频TRV下均有显著的主屏蔽罩均压和断口间静态自均压效果。

五、总结

（一）创新特色

仿真模型创新:建立模拟外部均压电路的弧后微观粒子输运特性模型，得到不同均压电容效果弧后微观粒子的影响规律。

结构创新:自均压真空灭弧室新结构通过一体化集成，实现了灭弧室的主屏蔽罩均压和串联断口间的均压。

（二）技术内容

单断口仿真(40.5kV单断口、126kV单断口)

多断口仿真(72.5kV双断口、126kV双断口、126kV三断口、252kV双断口)

自均压VI弧后微观特性探针诊断实验(40.5kV单断口、72.5kV双断口)

自均压VI电热场优化样机搭建与测试(40.5kV单断口、72.5kV双断口)

（三）推广价值

可以推广应用到输电等级高电压363kV/550kV真空灭弧室的研究与设计，解决363kV/550kV电压等级SF。断路器环保替代问题。指导超高电压等级真空灭弧室的均压设计，有望解决1000全电等级SF。断路器环保替代难题，助力“双碳”目标的实现。