1、新型72.5 kV真空断路器的研发设计姚灿江，孙龙勇，刘英英（河南平高电气股份有限公司，河南 平顶山467001）摘要：为了适应国家“碳达峰、碳中和”的发展需求，研制具有结构简单、环境适用范围广、免维护和可靠性高等优点的开关设备是发展第三代环保智能变电站的产品基础。文中以72.5 kV真空断路器为研究对象，通过有限元仿真分析确定了真空灭弧室关键零部件的具体尺寸、动静触头开距和动静触头类型，并对断路器主回路进行温升仿真校核，计算结果表明，新设计的72.5 kV真空断路器具有额定通流3 150 A和开断40 kA故障电流的能力，各项型式试验的顺利通过验证了72.5 kV真空断路器结构设计的合理性。
2、关键词：真空灭弧室；绝缘特性；磁场强度；温升；型式试验Development and Design of New 72.5 kV Vacuum Circuit BreakerYAO Canjiang，SUN Longyong，LIU Yingying（Henan Pinggao Electric Co.，Ltd.，Henan Pingdingshan 467001，China）Abstract:In order to meet the development needs of“carbon peaking and carbon neutrality”in China，the developme
3、nt of switchgear with such advantages as simple structure，wide range of environmental applications，maintenancefree and high reliability is the base for the development of the third generation of environmentally friendly intelligentsubstations.72.5 kV vacuum circuit breaker is taken as the research o
4、bject in this paper，the specific dimensions ofthe key parts of the vacuum interrupter，the clearance and type of dynamic and static contacts are determined throughfinite element simulation analysis，and the temperature rise simulation verification of the main circuit of the circuitbreaker is carried o
5、ut.The calculation results show that the newly designed 72.5 kV vacuum circuit breaker has theability of rated current at 3 150 A and the breaking fault current at 40 kA.The various positive type tests verify therationality of the structural design of the 72.5 kV vacuum circuit breaker.Key words:vac
6、uum interrupter；insulation properties；magnetic field strength；temperature rise；type test0引言目前，中国电力系统处于高度发展阶段，电力开关设备中使用的 SF6气体总量呈现高速增长态势，而新增及改造的72.5 kV及以上开关设备几乎全部使用SF6型高压电器，另外，电力开关设备中使用的SF6气体在电弧作用下的分解物有强烈的腐蚀性和剧毒性，如 SF4，S2F2，SF2，SOF2，SO2F2，SOF4和 HF等1-3。在SF6开关设备损坏时，如内部电弧故障使压力释放装置动作或者外壳烧穿，会有大量SF6气体及其分解物
7、向外排放到大气中，直接威胁到人身生命安全并污染大气环境。SF6气体为温室效应气体，世界各国都在积极采取措施来减少温室气体排放，对环境友好型开关设备的需求日益增加，市场潜力巨大。且SF6气体在高寒地区存在液化现象，严重影响开关设备的可靠性，威胁电网安全3-5。而真空作为绝缘和灭弧介质具有绝缘性能优良、开断能力强的特点，且不会产生环境污染。真空断路器体积小、重量轻、结构简单、使用寿命长，第59卷第2期：002300302023年2月16日High Voltage ApparatusVol.59，No.2：00230030Feb.16，2023DOI:10.13296/j.10011609.hva.
8、2023.02.004_收稿日期：20220824；修回日期：20221027基金项目：平高集团有限公司科技项目资助(72.5 kV环保型柱式断路器的研制)。Project Supported by Technology Projects of Pinggao Group Co.,Ltd.(Development of 72.5 kV Environmental Protection Columntype Circuit Breaker).2023年2月第59卷第2期适合频繁操作和快速开断，相对于SF6气体断路器而言，真空断路器有以下几个方面的优势6-8：1)熄弧过程在密封的真空容器中完成，电
9、弧和炽热气体不会向外界喷溅，不会污染周围环境。2)真空的绝缘强度高，熄弧能力强，触头的行程短，一般均在几个厘米以内，因此操作功率小，整个断路器体积小、重量轻，使得真空断路器在箱式变电站、开关柜等装置中成为首选。3)熄弧时间短，电弧电压低，电弧能量小，触头的电磨损小，因而分断次数多，电寿命长，适合于频繁操作和快速切断。4)灭弧介质为真空，因而与海拔高度无关，同时没有火灾和爆炸的危险。5)真空断路器结构简单，维修和维护工作量小。真空灭弧室的性能决定了真空开关的综合性能，只有灭弧室技术的重大突破，才可带来真空开关技术水平的大幅提高，因此，针对真空断路器的绝缘性能、通流能力及小型化发展等突出问题，对真
10、空灭弧室绝缘、通流和开断技术进行研究，并基于真空灭弧室绝缘、开断关键技术的研究成果研制72.5 kV单断口真空灭弧室，及以真空灭弧室作为断路器开断单元的72.5 kV的真空断路器产品，制造试验样机，研制出满足智能电网完善提升需求的新一代高压开关产品。172.5 kV真空断路器的结构特点72.5 kV真空断路器具有结构紧凑、体积小、操作功小、可靠性高和安装方便等优点。该产品主要包括真空灭弧室、支柱和弹簧机构等基本元件。72.5 kV真空断路器三维结构示意见图1，主要技术参数见表1。272.5 kV真空灭弧室绝缘性能优化研究真空灭弧室的绝缘性能决定了真空断路器的整体绝缘性能，因此，对真空灭弧室绝缘
11、特性进行优化研究，提高真空灭弧室内部零部件设计的合理性。真空灭弧室内部的绝缘性能会随着开距的增加而逐渐趋于饱和，仅增加动静触头开距，不仅会增大真空灭弧室的整体尺寸，而且真空灭弧室内部绝缘性能依旧不能达到相关的要求，同时，极大地增加了真空灭弧室动端运动质量9-13。真空灭弧室结构设计见图2。在真空灭弧室中，其绝缘特性与内部关键零部件(动静触头、端部屏蔽罩、主屏蔽罩和瓷壳)的结构存在密切关系，关键零部件的优化设计，不仅可以有效提高真空灭弧室内部绝缘裕度，而且有利于真空灭弧室的小型化和轻量化，因此，借助有限元仿真分析，研究端部屏蔽罩和主屏蔽罩长度及喉部直径、动静触头开距对内部电场分布的影响，从而设计
12、出最优的真空灭弧室内部结构。图2真空灭弧室结构设计图Fig.2Structure design diagram of empty arc interrupter有限元仿真分析时，72.5 kV真空灭弧室静触头施加电压为 0 kV，动触头施加雷电冲击电压为439 kV，主屏蔽罩为悬浮电位。图172.5 kV真空断路器三维结构示意图Fig.13D structure diagram of 72.5 kV vacuumcircuit breaker表172.5 kV真空断路器主要技术参数Table 1Main technical parameters of 72.5 kV vacuumcircuit
13、 breaker主要参数额定电压/kV额定电流/A额定短时/峰值耐受电流/kA额定短路持续时间/s1 min额定短时工频耐受电压(相间/断口)/kV额定雷电冲击耐受电压(相间/断口)/kV端子静负载(纵向/横向/垂直)/N数值72.53 15040/1004160/160(+42)380/380(+59)1 250/750/1 000242.1端部屏蔽罩对绝缘特性的影响分析当72.5 kV真空灭弧室动静触头开距、主屏蔽罩长度及喉部直径和端部屏蔽罩喉部直径固定为某一个值时，调整端部屏蔽罩长度，得到灭弧室内部电场强度随屏蔽罩长度变化的关系曲线见图3。图3端部屏蔽罩长度与最大电场强度的关系曲线Fig
14、.3The relationship between the length of the endshield and the maximum electric field strength由图3可知，真空灭弧室内部最大电场强度值随着端部屏蔽罩的长度先减小后增大，当端部屏蔽罩长度为52 mm时，灭弧室内部最大电场强度值最小，当端部屏蔽罩长度小于52 mm时，无法有效屏蔽端部焊接面，当端部屏蔽罩大于52 mm时，端部屏蔽罩与主屏蔽罩的间距会变小，会导致外瓷壳区域局部电场畸变，影响真空灭弧室内部绝缘性能，因此，端部屏蔽罩长度最优值为52 mm，灭弧室内部电场强度最大值为24.1 kV/mm。当72.
15、5 kV真空灭弧室动静触头开距、主屏蔽罩长度及喉部直径为某一固定值时，端部屏蔽罩长度为52 mm时，调整端部屏蔽罩喉部直径尺寸时，灭弧室内部电场强度随端部屏蔽罩喉部直径变化的曲线见图4。图4端部屏蔽罩喉部直径与最大电场强度的关系曲线Fig.4The relationship between the throat diameter of theend shield and the maximum electric field strength由图4可知，随着端部屏蔽罩喉部直径变大，灭弧室最大电场强度值逐渐增大，因此，适当减小端部屏蔽罩喉部直径，可以提高真空灭弧室内部绝缘性能，但端部屏蔽罩喉部直径
16、变小，会增大端部屏蔽罩加工难度，因此，综合考虑其加工工艺和绝缘特性，端部屏蔽罩喉部直径设计为104 mm，此时真空灭弧室内部电场强度最大值为21.5 kV/mm。2.2主屏蔽罩对绝缘特性的影响分析当72.5 kV真空灭弧室动静触头开距、主屏蔽罩喉部直径固定为某一个值时，端部屏蔽罩长度为52 mm，喉部直径为104 mm时，调整主屏蔽罩长度，得到灭弧室内部最大电场强度随主屏蔽罩长度变化的曲线见图5。图5主屏蔽罩长度与最大电场强度的关系曲线Fig.5The relationship between the length of the mainshield and the maximum electric field strength由图5可知，当主屏蔽罩长度增加时，真空灭弧室内部最大电场强度逐渐增大，因此，在确保完全屏蔽动静触头燃弧区间的前提下，主屏蔽长度设计的越短越好，综合考虑各方面的因素，主屏蔽长度设计为208 mm，真空灭弧室内部电场强度最大值为20.5 kV/mm。当72.5 kV真空灭弧室动静触头开距固定为某一个值时，端部屏蔽罩长度为52 mm，喉部直径为104 mm，主屏蔽罩长
