CN112435889A - 一种高压一体化集成静动态自均压真空灭弧室 - Google Patents

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一种高压一体化集成静、动态自均压真空灭弧室，包括上下侧环形陶瓷电容器、上下端外部均压屏蔽罩、环氧固封材料、界面缓冲剂(如硅胶、偶联剂)和高压真空灭弧室(如40.5kV真空灭弧室或72.5kV真空灭弧室)。两个环形陶瓷电容器串联连接，中间连接部分与真空灭弧室主屏蔽罩中封环连接，实现真空灭弧室主屏蔽罩均压。上侧环形陶瓷电容器的上电极与上端外部屏蔽罩连接，下侧环形陶瓷电容器的下电极与下端外部屏蔽罩连接，串联整体作为均压电容并联于真空灭弧室两端，实现串联构成的多断口真空断路器各个断口间的均压。由于中环处电荷通过上下连接的环形陶瓷电容器参与弧后不平衡电荷补偿进而降低动态电压差实现动态自均压。环形陶瓷电容器与真空灭弧室外壳有5～10mm缝隙，便于浇注环氧固封，环形陶瓷电容器外部采用环氧固封一体化集成，在上下端部外均压屏蔽罩的均匀分布散热孔，以便满足运行工况温升要求。该发明取缔了传统外部并联均压电容，可实现真空灭弧室主屏蔽罩均压、多断口串联的静动态自均压，作为紧凑型罐式多断口真空断路器的基本单元。

Description

一种高压一体化集成静动态自均压真空灭弧室
技术领域
本发明属于真空灭弧室领域，具体涉及一种高压一体化集成静动态自均压真空灭弧室。
背景技术
真空断路器在35kV以下电压等级得到广泛应用，受限于真空间隙击穿电压的饱和效应单断口真空灭弧室电压等级一般低于126kV，为实现超特高压(330kV以上)领域的真空断路器，需采用多个单断口真空灭弧室串联构成多断口真空断路器。
多断口真空断路器由于杂散电容的影响需要配置均压电容实现各个断口的均压效果，传统的方式是采用外部并联电容或阻容元件，但外加的均压元件存在绝缘空间大、结构复杂等问题，尤其不符合紧凑型罐式多断口真空断路器的发展需求。为此将均压元件和真空灭弧室进行一体化集成获得自均压真空灭弧室具有重要工程意义。目前美国专利提出US7466385 B1提出一种采用阻容芯棒的自均压真空灭弧室结构，真空灭弧室触头结构采用中空环形触头结构，触头中心位置通过阻容芯棒和固封集成为圆柱形绝缘操动杆，圆柱形绝缘操动杆和环形触头中间之间同轴布置中间屏蔽罩避免环形触头间电弧对圆柱形绝缘操动杆外表面的溅射，圆柱形绝缘操动杆与真空灭弧室动触头连接，从而可以实现驱动真空灭弧室合分闸，同时内部阻容芯棒可以实现断口间均压，该结构优势是不需要外部同步操动杆驱动，劣势在于真空灭弧室结构复杂、直径较大。中国专利CN108878212A提出一种用于自均压式多断口真空断路器的真空灭弧室，采用基于BST陶瓷壳与灭弧室外壳集成的方案，但陶瓷电容器机械强度和电容量限制了其长度，同时未考虑40.5kV及以上真空灭弧室主屏蔽罩中封环的影响衍生的主屏蔽罩均压和动态电荷补偿实现动态自均压控制。本发明专利除了满足传统断口静态均压外还可实现主屏蔽罩均压和断口间动态自均压效果。
发明内容
本发明针对现有的技术存在的上述问题，本发明提出一种高压一体化集成静动态自均压真空灭弧室，其主要特征在于主要包括上下侧两个环形陶瓷陶瓷电容器、上下端外部均压屏蔽罩、环氧树脂固封、界面缓冲剂(硅胶、偶联剂)和高压真空灭弧室(如40.5kV真空灭弧室或72.5kV真空灭弧室)，上述部件通过环氧固封一体化集成。
进一步，上下侧环形陶瓷电容器可采用Ι类陶瓷介质材料(如CH、BT陶瓷材料)，高度为60～100mm，厚度为5～15mm，介电常数在1000～5000之间，电容值为1000～6000pF。
进一步，采用上下侧环形陶瓷电容器(131,132)串联构成真空灭弧室的均压电容，电容值为500～3000pF，串联中间连接部分与真空灭弧室主屏蔽罩中封环(4)连接，上侧环形陶瓷电容器并联于真空灭弧室静端盖和主屏蔽罩之间，下侧环形陶瓷电容器并联于真空灭弧室主屏蔽罩和动端盖之间，进而实现真空灭弧室静触头、主屏蔽罩、动触头三者之间的均压，获得真空灭弧室主屏蔽罩悬浮电位均压效果。
进一步，上侧环形陶瓷电容器(131)的上电极与上端外部屏蔽罩连接，下侧环形陶瓷电容器(132)的下电极与下端外部屏蔽罩连接，上侧环形陶瓷电容器的下电极和下侧环形陶瓷电容器上电极相连于真空灭弧室中封环处，如此实现上下侧环形陶瓷电容器的串联，串联整体并联于真空灭弧室两端，可作为真空灭弧室的均压电容，在多个真空灭弧室串联构成多断口真空断路器时实现各个断口间的静态均压。
弧后不平衡电荷注入均压电容是传统并联方式引起动态电压分布不均匀的主要原因，本发明主屏蔽罩吸附的电荷通过中封环和上下侧环形陶瓷电容器补偿到触头间隙的弧后不平衡电荷，而不平衡电荷仅仅是流过环形均压电容，未注入均压电容储存起来引起电压差。故此结构动态电荷补偿可以抵消不平衡电荷引起的动态电压差实现动态自均压。
进一步，上下端外部均压屏蔽罩一方面作为上述均压电容连接真空灭弧室端盖的连接部件，均压屏蔽罩采用铜或铝，所有棱角进行倒圆角处理，均压罩还用于一体化集成整机的外部电场优化，提高外部电场分布的均匀性，进而提高外部绝缘强度。在上下端部外均压屏蔽罩的均匀分布多个散热孔(5～10mm)，以便满足运行工况温升要求。
进一步，环形陶瓷电容器与真空灭弧室外壳有5～10mm缝隙，便于浇注环氧树脂固封，环形陶瓷电容器外部采用环氧树脂固封一体化集成，同时起到保护陶瓷电容器和提升绝缘性能的作用。环氧固封的不同界面采用界面缓冲剂如硅胶、硅脂或偶联剂避免环氧固封界面开裂。
进一步，上述的环形陶瓷电容器换为环形电容器和环形电阻片串联构成阻容元件，实现阻容均压。采用阻容方式一般电阻选取10～100欧，电容在500～3000pF，这样可以同时满足交流和直流工况的均压需求。
进一步，在具体实施例中，所述一种高压一体化集成静动态自均压真空灭弧室在灭弧室开断时，串联的一体化均压电容可以到均压效果。将几个所述一种高压一体化集成静动态自均压真空灭弧室串联可构成更高电压等级的真空断路器，自均压真空灭弧室能够在几个断口间实现均压，使得每个断口的电压分配更均匀。
本发明提出两个环形陶瓷电容器在中封环处串联、上下端连接外部均压屏蔽罩的环氧固封集成的一体化静态自均压真空灭弧室，端部外屏蔽罩一方面可以改善外部电场不均匀性，另一方面作为自均压电容的电极。该结构优势包括：①主屏蔽罩悬浮电位均压，提高灭弧室内部绝缘；②串联断口间静态自均压；③结构引出动态电荷补偿可以实现动态自均压效果，另外采用一体化集成静动态自均压真空灭弧室取缔传统均压电容，结构紧凑、绝缘空间小、安装方便，适用于紧凑型罐式多断口真空断路器的需求。
附图说明
图1为本发明的一种高压一体化集成静动态自均压真空灭弧室的主视图；
图2为本发明的一种高压一体化集成静动态自均压真空灭弧室的俯视图；
图3为本发明的一种高压一体化集成静动态自均压真空灭弧室与传统真空灭弧室的电位分布效果对比图；
图4为本发明的一种高压一体化集成静动态自均压真空灭弧室串联结构动态自均压原理图；
图5为本发明3个一种高压一体化集成静动态自均压真空灭弧室串联构成的126kV或252kV真空断路器主视图；
图6为本发明6个一种高压一体化集成静动态自均压真空灭弧室串联构成的252kV或500kV真空断路器主视图。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施方式，但不限于这些实施例。
如附图1所示，该真空灭弧室包括：商用高压真空灭弧室(1)、上端外部均压屏蔽罩(81)、下端外部均压屏蔽罩(82)、上侧环形陶瓷电容器(131)、下侧环形陶瓷电容器(132)、环氧树脂固封材料(111)、界面缓冲剂(141)。
商用高压真空灭弧室采用商用40.5kV真空灭弧室或商用72.5kV真空灭弧室，包括主屏蔽罩(2)、静触头(31)、动触头(32)、中封环(4)、波纹管(5)、陶瓷外壳(6)、静端盖(71)、动端盖(72)。
环形陶瓷电容器采用Ι类陶瓷介质材料，例如CH、BT陶瓷材料，高度为60～100mm，厚度为5～15mm，内径140-150mm，介电常数在1000～5000之间，电容值为500～6000pF。上侧环形陶瓷电容器(131)包括：上侧环形陶瓷电容器上电极(101)、上侧环形陶瓷介质(91)、上侧环形陶瓷电容器下电极(102)；下侧环形陶瓷电容器(132)包括：下侧环形陶瓷电容器上电极(103)、下侧环形陶瓷介质(92)、下侧环形陶瓷电容器下电极(104)。上下侧环形陶瓷电容器与真空灭弧室同轴布置在真空灭弧室外侧，与真空灭弧室缝隙为5～10mm。上侧环形陶瓷电容器上下电极分别与上端外部均压屏蔽罩、中封环相连，下侧环形陶瓷电容器上下电极分别与中封环、下端外部均压屏蔽罩相连，上端外部均压屏蔽罩与真空灭弧室静端盖及静触头电气连接，下端外部均压屏蔽罩与真空灭弧室动端盖及动触头电气连接，如此上侧环形陶瓷电容器并联于静触头和主屏蔽罩之间，下侧环形陶瓷电容器并联于主屏蔽罩和动触头之间，可实现主屏蔽罩悬浮电位均压。上侧环形陶瓷电容器的下电极和下侧环形陶瓷电容器的上电极在中封环处串联连接，上下侧环形陶瓷电容器串联整体作为真空灭弧室的均压电容(250～3000pF)，实现多个自均压真空灭弧室串联构成多断口真空断路器的各个断口之间的静态均压。
上下端外部均压屏蔽罩采用铜或铝等金属材料，所有棱角采用倒圆角处理，直径为150-160mm，高度为70-100mm，并在屏蔽罩上均压布置5～10mm的散热孔(如附图2所示)。
界面缓冲剂主要用于上述一体化集成结构中外侧环氧固封与环形陶瓷电容器外表面界面、内侧环氧固封与环形陶瓷电容器内表面、真空灭弧室陶瓷外壳与环氧固封界面，界面缓冲剂可选用硅胶或硅脂、偶联剂等对上述界面进行涂刷处理，增大界面兼容应力，避免界面开裂等问题。
环形陶瓷电容器与真空灭弧室外壳间缝隙(5～10mm)和环形陶瓷电容器外部5～10mm厚度的环氧浇注固封，环形陶瓷电容器内外部采用环氧树脂固封一体化集成，同时起到保护陶瓷电容器和提升绝缘性能的作用。
上述一种高压一体化集成静动态自均压真空灭弧室与传统商用真空灭弧室的电位分布对比见附图3所示，一体化静动态自均压真空灭弧室内部和外部电场分布更加均匀，屏蔽罩电位与静动触头总电压之比为50.01％，实现了主屏蔽罩悬浮电位均压，灭弧室外壳上最大电场强度由0.14kV/mm降低到0.105kV/mm，一体化集成整体外部最大电场略有降低，上述环形陶瓷电容高度为100mm，厚度为10mm时可以获得1200pF的电容值。环形陶瓷均压电容范围为100～3900pF，说明一种高压一体化集成自均压真空灭弧室可以一定程度上提高内部绝缘强度，同时又可以为串联结构提供均压电容。
上述一种高压一体化集成自均压真空灭弧室的动态自均压实现是由主屏蔽罩吸附的电荷通过中封环和上下侧环形陶瓷电容器补偿到触头间隙的弧后不平衡电荷，而不平衡电荷仅仅是流过环形均压电容，未注入均压电容储存起来引起电压差。一种高压一体化集成自均压真空灭弧室串联结构动态电压分布与传统外部并联均压电容具有一定区别，区别在于新结构真空灭弧室主屏蔽罩吸附电荷和中封环连接的均压电容一起作用于动态电压分布，可以实现动态不平衡电荷的补偿甚至消除。图4(a)是一种高压一体化集成自均压真空灭弧室构成的双断口真空断路器，图4(b)传统外部并联均压电容的双断口真空断路器。各个断口由于电弧发展随机性和非同期造成燃弧阶段电弧发展的不一致，而燃弧阶段电弧记忆效应引起各个断口零区电极表面温度、残余等离子体密度、温度、阴极斑点熄灭位置等微观特性差异性分布，零区微观特性差异性分布必然对各个断口弧后各种离子输运特性及动态电压分布造成影响。如图4(a)所示，在鞘层发展过程中，电子由阴极向阳极运动，被阳极和主屏蔽罩吸附，由于阴极斑点熄灭位置不同被阳极吸附和主屏蔽罩吸附的电荷不同，忽略考虑TRV作用下场致发射情况下，阳极吸附的电荷可以通过弧后电流的积分得到，前期研究发现断口间弧后电流和弧后电荷存在一定的差异。各个断口触头间隙弧后电荷Q1与屏蔽罩吸附电荷Q2之和相等，即电荷守恒原理。假设上端真空灭弧室弧后电荷为Q1-ΔQ，主屏蔽罩吸附电荷为Q1+ΔQ，下端真空灭弧室弧后电荷为Q1，主屏蔽罩吸附电荷为Q2，上下端真空灭弧室弧后电荷存在ΔQ的差别，对于传统外部并联均压电容的双断口真空断路器(图4(b))不平衡电荷ΔQ注入均压电容引起动态电压差，另一部分电荷储存在上端真空灭弧室主屏蔽罩无法快速消失。而对于一种高压一体化集成静态自均压真空灭弧室构成的双断口真空断路器(图4(a))，不平衡电荷ΔQ被主屏蔽罩吸附后沿着中封环流过环形陶瓷均压电容最后注入下部真空灭弧室触头间隙，不平衡电荷补偿使得主屏蔽罩电荷仍然为Q2，而不平衡电荷ΔQ仅仅是流过环形均压电容，未注入均压电容储存起来引起电压差。因此，一种高压一体化集成静动态自均压真空灭弧室衍生的动态电荷补偿可以抵消不平衡电荷引起的动态电压差，进而可以在较小的均压电容值时获得较好的动态均压效果，降低均压电容尺寸和成本。
将3个上述一种高压一体化集成静动态自均压真空灭弧室串联构成126kV或252kV真空断路器(如图5所示)，将6个上述一种高压一体化集成静动态自均压真空灭弧室串联构成252kV或500kV真空断路器(如图6所示)。上述真空断路器在结构上每个灭弧室单元可实现静态自均压，同时可以在弧后电荷补偿阶段实现动态自均压。
如上所述，一种集成静动态自均压真空灭弧室通过上下侧环形陶瓷电容、上下端外部均压屏蔽罩、界面缓冲剂和真空灭弧室进行环氧固封一体化集成，实现主屏蔽罩悬浮电位、多断口真空断路器串联各个断口间的静动态自均压。
上述实施例和图例并非限定本发明的产品形态和式样，任何所属技术领域的普通技术人员对其所做的适当变化或修饰，皆应视为不脱离本发明的保护范畴。

Claims (8)

1.一种高压一体化集成静动态自均压真空灭弧室，其主要特征在于主要包括上下侧两个环形陶瓷陶瓷电容器、上下端外部均压屏蔽罩、环氧树脂固封、界面缓冲剂如：硅胶、偶联剂和高压真空灭弧室如：40.5kV真空灭弧室或72.5kV真空灭弧室，上述部件通过环氧固封一体化集成。
2.如权利要求1所述的一种高压一体化集成静动态自均压真空灭弧室，其特征在于：上下侧环形陶瓷电容器可采用Ι类陶瓷介质材料，如：CH、BT陶瓷材料，高度为60～100mm，厚度为5～15mm，介电常数在1000～5000之间，电容值为1000～6000pF。
3.如权利要求1所述的一种高压一体化集成静动态自均压真空灭弧室，其特征在于：采用上下侧环形陶瓷电容器(131,132)串联构成真空灭弧室的均压电容，电容值为500～3000pF，串联中间连接部分与真空灭弧室主屏蔽罩中封环(4)连接，上侧环形陶瓷电容器并联于真空灭弧室静端盖和主屏蔽罩之间，下侧环形陶瓷电容器并联于真空灭弧室主屏蔽罩和动端盖之间，进而实现真空灭弧室静触头、主屏蔽罩、动触头三者之间的均压，获得真空灭弧室主屏蔽罩悬浮电位均压效果。
4.如权利要求1所述的一种高压一体化集成静动态自均压真空灭弧室，其特征在于：上侧环形陶瓷电容器(131)的上电极与上端外部屏蔽罩连接，下侧环形陶瓷电容器(132)的下电极与下端外部屏蔽罩连接，上侧环形陶瓷电容器的下电极和下侧环形陶瓷电容器上电极相连于真空灭弧室中封环处，如此实现上下侧环形陶瓷电容器的串联，串联整体并联于真空灭弧室两端，可作为真空灭弧室的均压电容，在多个真空灭弧室串联构成多断口真空断路器时实现各个断口间的静态均压。
5.如权利要求1所述的一种高压一体化集成静动态自均压真空灭弧室，其特征在于：主屏蔽罩吸附的电荷通过中封环和上下侧环形陶瓷电容器补偿到触头间隙的弧后不平衡电荷，而不平衡电荷仅仅是流过环形均压电容，未注入均压电容储存起来引起电压差。故此结构动态电荷补偿可以抵消不平衡电荷引起的动态电压差实现动态自均压。
6.如权利要求1所述的一种高压一体化集成静动态自均压真空灭弧室，其特征在于：上端外部均压屏蔽罩与上侧环形陶瓷电容器的上电极电气连接，下端外部均压屏蔽罩一方面作为上述均压电容的上下电极，均压屏蔽罩采用铜或铝，所有棱角进行倒圆角处理，均压罩还用于一体化集成整机的外部电场优化，提高外部电场分布的均匀性，进而提高外部绝缘强度。在上下端部外均压屏蔽罩的均匀分布多个散热孔，散热孔直径为5～10mm，以便满足运行工况温升要求。
7.如权利要求1所述的一种高压一体化集成静动态自均压真空灭弧室，其特征在于：环形陶瓷电容器与真空灭弧室外壳有5～10mm缝隙，便于浇注环氧树脂固封，环形陶瓷电容器外部采用环氧树脂固封一体化集成，同时起到保护陶瓷电容器和提升绝缘性能的作用。环氧固封的不同界面采用界面缓冲剂如硅胶、硅脂或偶联剂避免环氧固封界面开裂。
8.如权利要求1所述的一种高压一体化集成静动态自均压真空灭弧室，其特征在于：上述的环形陶瓷电容器换为环形电容器和环形电阻片串联构成阻容元件，实现阻容均压。采用阻容方式一般电阻选取10～100欧，电容在500～3000pF，这样可以同时满足交流和直流工况的均压需求。
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