提高高电压等级真空灭弧室绝缘特性的有效途径及实验研究结果

由于发展环境友好型输电等级真空开关的需求，长真空间隙的绝缘特性成为一项亟待解决的课题。本章介绍了本课题组采用实验和理论计算相结合的方法定量研究输电等级真空灭弧室触头间在不同触头间隙距离下的真空绝缘特性及相关因素的影响规律，并对真空间隙的击穿机理进行了研究。在触头间隙距离6～60mm范围内，研究了126kV真空灭弧室模型的工频绝缘特性，得到了工频击穿电压与触头间隙距离之间的关系，建立了工频击穿场强与触头间隙距离之间的关系模型；研究了高电压等级真空灭弧室在均匀场和非均匀场中不同触头有效面积下的雷电冲击绝缘特性，得到了不同的电场分布下触头有效面积与雷电冲击绝缘特性之间的关系；研究了不同触头表面粗糙度和触头直径下输电等级真空灭弧室的雷电冲击绝缘特性；研究了输电等级真空灭弧室中空载分合、直流老炼和大电流开断等开关操作对雷电冲击绝缘特性的影响；建立了输电等级真空灭弧室在不同触头间隙距离范围内雷电冲击电压作用下的理论击穿模型。上述实验研究工作大多是首次开展。

主要结论如下：

1）真空灭弧室模型在不同触头间隙距离下的雷电冲击击穿电压进入饱和段后其概率分布仍符合Weibull分布，其击穿概率为50%的击穿电压U₅₀与触头间隙距离的关系满足U₅₀=kd^α，其中k为常数，幂指数α在0.6～0.8范围内。该发现超出了以前的真空绝缘理论对高电压等级真空灭弧室真空绝缘特性饱和区的预期，为输电等级单断口真空灭弧室的研制提供了理论依据。

2）126kV真空灭弧室模型的工频击穿电压U_B与触头间隙距离d之间的关系满足关系式：U_B=89d^0.25。

3）实验研究了6mm触头间距下均匀场中有效面积与击穿电压满足关系式：U_B∝S^-0.12_eff，该发现与以前真空绝缘理论中关于有效面积的认识不同，其中在10～50mm触头间距范围内考虑有效面积的宏观效应以及微观效应两方面有效面积对绝缘特性的影响，发现通过减少有效面积击穿电压U₅₀可提高约10%。研究结果为高电压等级真空灭弧室绝缘特性的提高提供了有效途径。(www.xing528.com)

4）根据实验研究，在126kV真空灭弧室模型中不同触头表面粗糙度的真空灭弧室经过老炼处于饱和区的真空绝缘特性U₅₀的差异在3%以内，不同触头直径的真空绝缘特性U₅₀的差异在10%以内。

5）实验研究了“空载合分”“空载关合-开断电流5kA”以及“空载关合-开断直流”三种不同的开关操作对真空灭弧室雷电冲击绝缘特性的影响，表明经过这三种开关操作后雷电冲击击穿实验的老炼过程均变缓，击穿电压U₅₀分别可以上升6%、16%和14%。

6）根据以上实验研究的结果建立了高电压等级真空灭弧室在均匀场和非均匀场中冲击电压作用下的理论击穿模型，得到了高电压等级真空灭弧室冲击电压作用下均匀场中击穿电压U_B与触头间隙距离d之间的关系为U_B∝d^0.8，在此基础上得到了高电压等级真空灭弧室在冲击电压作用下非均匀场中击穿电压U_B与触头间隙距离d之间的关系为U_B∝d^0.74，而通过实验得到了击穿电压U_B与触头间隙距离d的关系为U_B∝d^0.70～0.79，这一结果证明了高电压等级真空灭弧室雷电冲击电压下非均匀场中的击穿模型的正确性，为高电压等级真空灭弧室的绝缘设计提供了科学依据。