通过并联均压电容调整屏蔽罩电位提升真空灭弧室绝缘水平的方法

1.本发明属于高电压等级真空灭弧室技术领域，具体涉及一种通过并联均压电容调整屏蔽罩电位提升真空灭弧室绝缘水平的方法。


背景技术：

2.真空作为绝缘介质具有较强的耐压能力，已应用于真空开关、电子管、粒子加速器等领域。环境友好型真空断路器向高电压等级发展是社会对环境友好型电力设备的迫切要求。提高单断口真空灭弧室的绝缘水平，是高电压等级单断口真空灭弧室研制的关键内容之一。
3.对于高压真空灭弧室绝缘特性的研究国内外学者已经进行了一定的研究。通过对高压真空灭弧室内部绝缘结构的分析，一般认为在真空灭弧室中有很多可能发生击穿的真空间隙，包括：
①
触头间隙；
②
主触头与主屏蔽罩间隙以及导电杆与主屏蔽罩间隙；
③
端屏蔽罩与主屏蔽罩间隙及其与绝缘外壳间隙；
④
真空灭弧室外绝缘间隙。国内学者采用有限元法对真空断路器真空灭弧室内部静电场进行了仿真计算，分析了真空灭弧室内部主屏蔽罩结构对电场分布的影响以及触头开距与电场强度的关系，为真空灭弧室的优化设计提供了理论依据。基于仿真分析的方法，国内学者还利用有限元分析对具体真空灭弧室结构尺寸进行了优化。此外，国内学者通过对高电压等级真空灭弧室试品开展冲击耐压试验，研究了真空灭弧室结构参数对其绝缘性能的影响，并提出了绝缘结构改进方案。
4.目前，用于改善高电压等级真空灭弧室绝缘性能的方法主要有两种：一种是对真空灭弧室进行老炼；一种是在真空灭弧室设计中增大真空灭弧室尺寸，提升绝缘距离。老炼作为提高真空间隙耐压性能的重要手段，在真空绝缘领域受到广泛关注，老炼能够去除真空灭弧室触头表面的杂质，改善触头表面状况，提高绝缘性能。但老炼改善的只是电极表面状况，提升真空间隙的击穿场强，对于真空灭弧室内部分压不均、电场畸变严重导致的绝缘水平下降问题无法起到有效的作用。通过在真空灭弧室设计过程中增大绝缘薄弱位置的绝缘距离，可以有效减小强电场位置处发生击穿的概率，然而，该方法的问题在于，考虑到经济效益问题，真空灭弧室的设计尺寸无法无限制增大，导致该方法存在局限性，高电压等级真空灭弧室中，无法通过该方法解决全部绝缘问题。
5.此外，在串联多断口真空灭弧室领域，由于各断口对地杂散电容的存在，导致各个断口的电压分布极不均匀，为消除杂散电容的影响，一般采取外加均压电容器的方式保证断口间电压分布的均匀性。该方法解决的问题是多只灭弧室串联时，各只灭弧室分压不均的问题，最终实现的目标是使各灭弧室分压均匀，防止个别灭弧室承压较大导致击穿。本发明通过在真空灭弧室两端并联均压电容，实现的是真空灭弧室内部屏蔽罩悬浮电位的调整，目的是改善真空灭弧室内部的电压分布，与多断口串联灭弧室并联均压电容均压方法有着本质的区别。
6.杂散电容对真空灭弧室的绝缘性能有着明显影响，前期相关真空灭弧室老炼实验
研究表明，真空灭弧室放入gis罐体后的耐压水平相比于放入绝缘套管中的耐压水平下降约30％。这是由于gis罐体接地导致真空灭弧室对地位置发生了变化，从而使屏蔽罩的对地杂散电容增大，导致真空灭弧室内部的电位偏移现象更加严重，进而降低了真空灭弧室的绝缘水平。因此，并联均压电容调整屏蔽罩电位提升，改善真空灭弧室内部的电压和电场分布，对提高真空灭弧室绝缘水平有着重要的作用和意义。


技术实现要素：

7.为了解决上述现有技术存在的问题，提高高电压等级真空灭弧室的绝缘水平，结合前期大量的研究和试验积累，本发明的目的在于提出一种通过并联均压电容实现屏蔽罩均压提升真空灭弧室绝缘水平的方法，本发明通过在真空灭弧室静端、动端与各级屏蔽罩之间并联均压电容的方式，实现了屏蔽罩悬浮电位的调整，改善了真空灭弧室内部的电压分布，消除了真空灭弧室杂散电容导致的真空灭弧室内部分压不均现象及电场畸变现象，从而有效提高了真空灭弧室的绝缘水平。
8.为达到以上目的，本发明采用如下技术方案：
9.一种通过并联均压电容调整屏蔽罩电位提升真空灭弧室绝缘水平的方法，在真空灭弧室静端101、真空灭弧室动端102与各级屏蔽罩之间分别并联均压电容，形成并联均压电容支路，通过改变并联均压电容支路的的电路结构及电容容值实现对真空灭弧室屏蔽罩电位的调整，减小屏蔽罩的电位偏移，实现真空灭弧室120内部的均匀分压，从而提升真空灭弧室120的绝缘水平。
10.所述并联均压电容支路两端分别连接至真空灭弧室静端101和真空灭弧室动端102，且并联均压电容及其容值大小在真空灭弧室各屏蔽罩两侧对称分布，确保真空灭弧室120整体结构的对称性。
11.并联均压电容支路中的电容数量及电路连接方式，根据真空灭弧室结构及需要调整电位的悬浮屏蔽罩数量进行改变；对于含有多重悬浮屏蔽罩的真空灭弧室，则通过并联均压电容调整所有悬浮屏蔽罩的电位，或仅针对个别悬浮屏蔽罩进行电位调整。
12.并联均压电容的目的是改变真空灭弧室屏蔽罩的电位，改善真空灭弧室120内部电压分布；并联均压电容值的选取参考真空灭弧室的杂散电容决定，杂散电容包括真空灭弧室内部的结构电容及屏蔽罩对地电容，并联均压电容值的选取方法为：根据灭弧室结构及对地位置，计算出灭弧室的杂散电容，并确定并联均压电容支路中的电容数量及电路连接方式，以此为基础建立真空灭弧室并联均压电容等效电路，求解该等效电路，得出屏蔽罩电位随并联电容值的变化规律，选取屏蔽罩电位符合预期均压效果时的并联电容值即可。
13.所述的通过并联均压电容调整屏蔽罩电位提升真空灭弧室绝缘水平的方法，能够在柱式真空断路器、罐式真空断路器和使用真空灭弧室的gis设备中使用。
14.与现有技术相比，本发明具有如下优点：
15.1)本发明针对真空灭弧室杂散电容引起的内部电位偏移现象，首次提出了一种并联均压电容实现悬浮屏蔽罩均压提升真空灭弧室绝缘水平的方法，该方法通过并联均压电容调整真空灭弧室内部电位分布，减小了真空灭弧室内的电位偏移及电场畸变，为提升真空灭弧室耐压水平提供了新方法。
16.2)本发明提出了并联均压电容支路的设计方法及电容值选取方法。通过该方法能
够合理的确定出并联均压电容支路的结构及电容值，确保能实现良好的均压效果。
17.3)对于不同结构的真空灭弧室本发明均可适用，且均能实现良好的均压效果。
18.4)本发明中采取的措施结构及原理简单，易于实施。
附图说明
19.图1本发明具体实施方式示例中采用的某126kv真空灭弧室结构示意图。
20.图2(a)是126kv真空灭弧室放入绝套管中杂散电容的分布情况，图2(b)是126kv真空灭弧室放入gis罐体中杂散电容的分布情况。
21.图3是对于126kv真空灭弧室采用发明中的并联均压电容实现悬浮屏蔽罩均压的具体实施方式示意图。
22.图4是对于126kv真空灭弧室建立的并联均压电容等效电路。
23.图5是126kv真空灭弧室静端加压+100kv时，主屏蔽罩电位随并联均压电容值的变化示意图。
24.图6是对于某六节瓷壳真空灭弧室使用发明中的并联均压电容方式调整各节悬浮屏蔽罩电位的一种具体实施方式示意图。
25.图7是对于某六节瓷壳真空灭弧室使用发明中的并联均压电容方式调整主屏蔽罩电位的一种具体实施方式示意图。
具体实施方式
26.以下结合附图及具体实施方式，对本发明作进一步的详细描述。
27.图1为一只126kv真空灭弧室的结构示意图，该真空灭弧室结构为两节瓷壳106-107，有一个悬浮电位屏蔽罩，即主屏蔽罩110。当真空灭弧室静端101加高压时，由于真空灭弧室杂散电容的影响，主屏蔽罩110的电位会低于50％总电压，这就导致真空灭弧室静触头103与主屏蔽罩电位差增大，导致真空灭弧室静触头103与主屏蔽罩110间隙电场增强，容易产生绝缘薄弱位置，影响真空灭弧室的绝缘水平。当无穷远处为参考地电位时，在该真空灭弧室静端101施加+100kv电压，通过仿真分析可以得出主屏蔽罩110电位为39kv，约40％总电压，发生了电位偏移现象并导致真空灭弧室内部分压不均。
28.图2(a)反映的是126kv真空灭弧室放入绝套管中杂散电容的分布情况，即地电位在无穷远处的情况；图2(b)反映的是126kv真空灭弧室放入gis罐体501中杂散电容的分布情况，其中，gis罐体接地。真空灭弧室杂散电容分为结构电容301-302及对地电容303两类。结构电容为真空灭弧室不同独立导电结构之间的电容，对地电容为真空灭弧室不同导电结构相对于大地的电容。图中电容301、302分别为真空灭弧室静端101相对于主屏蔽罩110的电容、真空灭弧室动端102相对于主屏蔽罩110的电容；图中电容303为真空灭弧室主屏蔽罩的对地电容。本具体实施方式中所描述的实例，是在无穷远处为参考地电位的情况下，即图2a所述情况所进行的，通过仿真分析可以得出，该情况下该真空灭弧室结构电容301-302的值分别为16.8pf和17.4pf；主屏蔽罩的对地电容303值为8.5pf。
29.图3为对该126kv真空灭弧室采用本发明中所述的通过并联均压电容201-202调整屏蔽罩电位提升真空灭弧室绝缘水平的方法示意图。并联均压电容201-202并联方式为：并联均压电容201-202分别并联在真空灭弧室静端101与主屏蔽罩之间、真空灭弧室动端102
与主屏蔽罩110之间，并联均压电容201-202容值相同，在主屏蔽罩110两侧对称分布，且大于真空灭弧室的杂散电容301-302-303。通过该并联均压电容201-202的作用，可将真空灭弧室主屏蔽罩110的电位拉回至50％总电压，消除了杂散电容301-302-303导致的主屏蔽罩电位偏移现象，减小了该126kv真空灭弧室中静触头103与屏蔽罩110之间的电位差，提高了真空灭弧室的绝缘水平。
30.图4为根据真空灭弧室杂散电容建立的并联均压电容等效电路，图中电容301-302为真空灭弧室的结构电容，电容303为真空灭弧室主屏蔽罩的对地电容，电容201-202为真空灭弧室增加的并联均压电容。图5为根据该126kv真空灭弧室电容等效电路得出的主屏蔽罩110电位随并联均压电容201-202值的变化规律，其中真空灭弧室静端加压+100kv。可以看出，当并联均压电容201-202值大于300pf时，真空灭弧室主屏蔽罩110电位从39kv，约总电压的40％，被并联均压电容调整至49kv，约50％总电压，实现了良好的均压效果。因此，该种情况下，并联均压电容201-202值的选取应大于300pf，确保实现良好的均压效果。
31.上述具体实施方式中所描述的实例，是在无穷远处为参考地电位的情况下图2a所述情况所进行的。当如图2b所示，灭弧室放入gis罐体501中时，主屏蔽罩110的对地电容303会有所增大，导致屏蔽罩电位偏移更加严重，并联均压电容的值需要做出相应调整，选取方式与上述相同。
32.以上结合某126kv真空灭弧室，对本发明中所述一种通过并联均压电容实现屏蔽罩均压提升真空灭弧室绝缘水平的方法的具体实施方式进行了详细描述，包括电容支路的电路连接方式及电容值选取方法。
33.此外，针对不同结构的真空灭弧室，其具体实施方式可以做出不同的变形。图6，图7为六节瓷壳252kv电压等级真空灭弧室的两种不同电容并联方式，图6描述了通过并联均压电容调整多个悬浮屏蔽罩电位的电路连接方式，图7描述了通过并联均压电容调整主屏蔽罩电位的电路连接方式，其中，并联均压电容沿海主屏蔽罩两侧对称分布，并联均压电容容值的选取方法与上述描述的选取方法相同。表1中展示了两种方式的均压效果，其中真空灭弧室静端101加压+200kv，并联均压电容容值为300pf。可以看出，两种方式均有较好的均压效果。图6中所示的并联均压电容支路的电路连接方式，调整了所有悬浮屏蔽罩111、112、113、114的电位，可以实现真空灭弧室内电位的完全均匀分布；图7中所示的并联均压电容支路的电路连接方式，其主要目的则是只调整主屏蔽罩110的电位，将主屏蔽罩110的电位调整至50％总电压，也可以实现良好的均压效果。虽然图6，图7所示的电路连接方式不同，对调整电位的屏蔽罩的选取也不同，但两种方式的核心思想均为本发明中所述方法：通过并联均压电容调整屏蔽罩电位，实现真空灭弧室内部均压，提升真空灭弧室绝缘水平。
34.表1不同电容并联方式均压效果
[0035][0036]
对于其他结构的真空灭弧室，对并联均压电容支路的电路结构也可以做出类似于以上描述的相应的变形及调整，但其核心思想都与本发明所述内容相同，即通过并联均压
电容调整屏蔽罩悬浮电位，改善真空灭弧室内部电压分布，进而提高其耐压水平。因此，针对于不同结构真空灭弧室所做出的并联均压电容支路的不同电路结构的调整，均应属于本发明的保护范围之内。
[0037]
以上所述实施例仅说明本发明的实施方式，其描述较为具体，但并不因此而理解为对本发明的范围限制。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的原理和内涵的情况下可以据实施例进行多种变化、修改、替换和变形，这些范围都属本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种通过并联均压电容调整屏蔽罩电位提升真空灭弧室绝缘水平的方法，其特征在于：在真空灭弧室静端(101)、真空灭弧室动端(102)与各级屏蔽罩之间分别并联均压电容，形成并联均压电容支路，通过改变并联均压电容支路的电路结构及电容容值实现对真空灭弧室屏蔽罩电位的调整，减小屏蔽罩的电位偏移，实现真空灭弧室(120)内部的均匀分压，从而提升真空灭弧室(120)的绝缘水平。2.根据权利要求1所述的通过并联均压电容调整屏蔽罩电位提升真空灭弧室绝缘水平的方法，其特征在于：所述并联均压电容支路两端分别连接至真空灭弧室静端(101)和真空灭弧室动端(102)，且并联均压电容及其容值大小在真空灭弧室各屏蔽罩两侧对称分布，确保真空灭弧室(120)整体结构的对称性。3.根据权利要求1所述的通过并联均压电容调整屏蔽罩电位提升真空灭弧室绝缘水平的方法，其特征在于：并联均压电容支路中的电容数量及电路连接方式，根据真空灭弧室结构及需要调整电位的悬浮屏蔽罩数量进行改变；对于含有多重悬浮屏蔽罩的真空灭弧室，则通过并联均压电容调整所有悬浮屏蔽罩的电位，或仅针对个别悬浮屏蔽罩进行电位调整。4.根据权利要求1所述的通过并联均压电容调整屏蔽罩电位提升真空灭弧室绝缘水平的方法，其特征在于：并联均压电容的目的是改变真空灭弧室屏蔽罩的电位，改善真空灭弧室(120)内部电压分布；并联均压电容值的选取参考真空灭弧室的杂散电容决定，杂散电容包括真空灭弧室内部的结构电容及屏蔽罩对地电容，并联均压电容值的选取方法为：根据灭弧室结构及对地位置，计算出灭弧室的杂散电容，并确定并联均压电容支路中的电容数量及电路连接方式，以此为基础建立真空灭弧室并联均压电容等效电路，求解该等效电路，得出屏蔽罩电位随并联电容值的变化规律，选取屏蔽罩电位符合预期均压效果时的并联电容值即可。5.根据权利要求1至4任一项所述的通过并联均压电容调整屏蔽罩电位提升真空灭弧室绝缘水平的方法，其特征在于：能够在柱式真空断路器、罐式真空断路器和使用真空灭弧室的gis设备中使用。

技术总结
一种通过并联均压电容调整屏蔽罩电位提升真空灭弧室绝缘水平的方法，在真空灭弧室动静端与真空灭弧室各级屏蔽罩之间并联均压电容，通过改变并联均压电容支路的电路结构及电容容值实现对真空灭弧室屏蔽罩电位的调整，减小屏蔽罩电位的偏移，实现真空灭弧室内部的均匀分压，从而提升真空灭弧室绝缘水平。在本发明中，通过确定并联均压电容的容值、数量及电路连接方式，可以实现对任意屏蔽罩电位的改变，减小因真空灭弧室对周围结构的杂散电容导致的真空灭弧室屏蔽罩电位偏移及内部分压不均现象，有效提升真空灭弧室的绝缘水平。有效提升真空灭弧室的绝缘水平。有效提升真空灭弧室的绝缘水平。


技术研发人员：王建华 耿英三 刘志远 李元钊 丁健刚 马慧 闫静 卢湘霖
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：2023.08.09
技术公布日：2023/9/22