摘要：介绍12 kV一二次深度融合型电容取电柱上真空断路器的设计，提出优化分闸反弹、多腔式融合极柱和内置传感器的关键技术方案。采用“油缓冲结构”方案替代“普通橡胶垫”方案，解决行业内普通弹簧操作机构分闸反弹过大的问题，防止断路器分闸过程中触头间电弧重燃现象，提高柱上真空断路器的开断能力。加入多腔式深度融合极柱的设计，提高了柱上真空断路器的电压互感器或电容取电的兼容性。通过内置固封无源电流传感器和后装式无源电压传感器，提高柱上真空断路器的一致性。运用COM-SOL Multiphysics仿真软件对一二次融合柱上真空断路器整体设计方案的绝缘性能进行仿真，结果满足性能要求。最后介绍了柱上断路器、电流传感器、电压传感器和电容取电电源等的试验项目要求及结果。
关键词：柱上真空断路器,一二次融合,分闸反弹,多腔式融合极柱,无源传感器
0引言
国家电网公司《12 kV一二次融合柱上断路器及配电自动化终端(FTU)标准化设计方案(2021版）》发布以来，国网各个省市的一二次深度融合柱上断路器招标占比不断增加，2023年就达到了80亿元。南方电网于2023年6月才把“10 kV柱上真空断路器自动化成套设备（电容取电）”纳入新技术推广应用目录，11月公开发布《10 kV柱上真空断路器自动化成套设备（电容取电）技术规范书》，预计于2024年南方电网第二次配网开始招标。
目前国内有很多这方面的研究，例如，丁泳生[1]提出基于无源交流传感器在柱上断路器上深度融合的应用研究；于海波等[2]从传感器选型、多物理场协同分析、试验等方面，开展深度融合固封极柱的设计与试验研究；龚凯强[3]、李龙江[4]等研究解决了传统取能装置输出功率小、输出不稳定难以取能的问题；赵芳等[5]研究分闸反弹对断路器性能的研究；吴兴燕等研究柱上断路器的电磁干扰和传动等问题[6-10]。但是，行业内现状是不同制造厂一二次融合柱上断路器产品质量参差不齐，电压传感器有的采用电阻分压，绝缘很容易被雷击破坏；采用陶瓷电容分压的其精度受生产工艺影响往往在高低温测试达不到0.5级要求；电流传感器也容易磁饱和影响精度等等问题比较普遍；另在融合极柱成型上，多数厂家采用的直接预埋的结构方案，造成极柱在使用周期内不同时间段由于传感器的界面效应造成的电气参数不达标的情况等；很多厂家产品质量不能达到电力系统用户的期望目标。本文通过介绍深度融合柱上断路器的多项关键技术，无源电流、电压传感器的关键技术研究，致力于使产品二次设备能够与一次设备同等生命周期内满足其容量、精度要求，实现真正意义上的一二次深度融合产品。
1结构组成
一二次深度融合柱上断路器虽然可以根据用户需求配置弹簧操作机构、永磁机构或者磁控机构，但是，国家电网一二次融合柱上断路器标准化和南方电网柱上真空断路器自动化成套设备（电容取电）都是采用弹簧操作机构，所以，本文只讨论配置弹簧操作机构的一二次深度融合柱上断路器。
如图1所示，深度融合电容取电柱上断路器本体由机箱、一二次融合极柱、进、出线端子、固封无源电子式电流互感器LPCT、后装式电子式电压传感器EVT、弹簧操作机构、储能手柄、分合闸手柄、分合闸指示和26芯航空插座组成。
1.1机箱及弹簧操作机构
1.1.1防护等级IP67机箱
柱上断路器机箱防护等级要达到符合国标GB/T4208的规定IP67要求[11],采用的技术方案主要有：(1)储能轴密封、储能指示轴密封、分合作操作轴密封、分合闸指示轴密封“转动密封”设计（图2)和“O形密封圈”设计（图3);(2)极柱与机箱配合密封（图4)、底部封板密封（图5)采用“一体式密封胶”设计；(3)机箱钣金零件采用全密封焊接焊接后打磨、涂装工艺；(4)极柱的真空灭弧室、LPCT、进、出线端子采用固封工艺。
采用上述技术方案带来的有益效果是美观、强度高、防锈、耐腐蚀，彻底杜绝了机构的凝露和锈蚀的问题，消除各种外界恶劣环境气候对配电的影响，为电网设备的户外适应性提供保障。
1.1.2 ZW32弹簧操作机构分闸反弹幅值解决方案
三相中心距340 mm的机箱设计满足断路器机械特性需求，特别是要解决合闸弹跳和分闸反弹。行业内大部分厂家的ZW32弹簧操作机构采用橡胶垫片吸收分闸时驱动连杆的能量，造成分闸反弹幅值往往达到7 mm左右，虽然分闸反弹幅值没有列入柱上真空断路器的招标要求，但是它的坏处是容易造成断路器分闸过程电弧重燃，甚至导致开断失败。为了使断路器分闸反弹降低到小于或等于2mm,原来的“普通橡胶垫”方案（图6~7)由新的“油缓冲结构”方案（图8~9)代替，解决普通弹簧操作机构分闸反弹过大的问题，防止断路器分闸过程中触头间电弧重燃现象，提高柱上真空断路器的开断能力。“普通橡胶垫”方案的柱上断路器机械特性测试分闸反弹为7.3 mm（图10),分闸曲线如图11所示。改进后用“油缓冲结构”方案的柱上断路器机械特性测试分闸反弹为1.191 mm,分闸曲线如图12所示。
1.1.3断路器弹簧操作机构全生命周期在线监测
机械特性在线监测如图13所示，其应用价值是收集开关设备出厂试验数据、运行数据，建立并训练开关设备自身载流状态、机械状态、温升状态的通用性自我评估模型，基于开关状态评估模型，实现开关设备自身状态的全景感知。
1.2多腔式深度融合极柱
深度融合极柱的基本结构如图14所示。固封极柱[12]是通过APG环氧树脂[13]自动压力凝胶技术，以环氧树脂作为绝缘介质，将真空灭弧室、出线导电杆、电流传感器包封成一体，底部加模具成型一体式装密封圈，使真空灭弧室、传感器的绝缘状态完全不受外界环境的影响[14]。一二次深度融合是指通过严格的工艺措施，将电压、电流传感器、自取电电源等模块与一次设备相融合，即一体化。与普通断路器相比，除了具备开关的基本功能外，还具备了以下功能：电源侧三相序电压传感器、负荷侧三相序电压传感器、零序电压传感器（电源侧）、三相序电流传感器、零序电流传感器、电源侧电源、负荷侧电源。一台断路器多种用途，可以作为分段开关、联络开关、分界开关使用，满足当前国家电网和南方电网所有的组网方式及保护类型的要求。结构设计上，采用后装式，避免由于传感器意外损坏而报废整只极柱的情形，具有成本优势。后装式电子式电压传感器(EVT)采用CVT型三相电压互感器原理，陶瓷电容器材料采用零温漂NP0介质，保证了其在环境温度-40℃~+70℃都能够满足精度要求。EVT连接可靠后采用灌封常温硅胶的工艺，既保证绝缘性能要求，又保证极柱环氧树脂热胀冷缩不会破坏EVT外壳。
极柱的绝缘结构采用抗老化、抗腐蚀能力强的户外环氧树脂材料一次成型，只需要开一套模具。在生产工艺设计方面，采用高导热户外环氧树脂材料配比及先进的APG工艺，解决了流体浇注固封存在的内应力、高低温试验、隐裂纹等技术问题，提升了固封极柱的绝缘性能和机械性能。采用先进的工艺，制定合理的配料温度、贮存时间、注射压力、模具温度及初固化时间、后固化温度和时间，保证环氧体系能够固化反应完全，达到制品需要的机械及电气性能等要求。另外，坚持小型化的设计理念，在满足产品必要的机械性能和电气性能前提下，外形尺寸紧凑，产品总质量小，节约成本。
柱上断路器极柱的主要参数如表1所示。
1.3无源电流传感器LPCT
针对普通CT需要开路保护、零序电流漏磁严重、低点精度较低的难题，电子式电流互感器LPCT消除了电流回路开路的隐患，实现了零序电流在1%点也可满足0.5S级要求，为接地故障判断提供可靠依据。电子式电流互感器LPCT的参数如表2所示。
电子式电流传感器线圈固封于极柱中，二次输出了三相电流和零序电流。电流传感器铁心采用超微晶合金或优质硅钢片，二次线圈均匀绕制在铁心上。铁心材料的烧结、切片、线圈采用耐温度超过180℃等级的，线圈绕制工艺、焊接工艺等等这些影响到产品质量的关键工艺都是业内的研究对象。一台柱上断路器，任意3只极柱能够做到互换也是一个需要研究的问题。根据经验，为了保证LPCT的质量长期稳定，采取以下技术措施：
(1)相电流和零序电流采用独立铁心绕制，零序电流通过电流合成法获得，相电流和零序电流之间没有相互影响的因数；(2)采用低温漂铁心制造，在-40℃~+70℃温度范围内，误差变差满足标准要求；(3)采用低温漂采样电阻，100%经过厂内老化，长期使用稳定性高，功率10 W,在4倍电流下长期工作，并能在10倍过载情况下短时工作。
1.4无源电压传感器EVT
针对传统PT取电存在爆炸率高，频繁发生二次出口短路的问题，电容自取电模块内置于断路器、无短路问题、无需安现场装，免维护、可独立带动操作机构动作。电子式电压传感器EVT的主要参数如表3所示。
电容取电电源原理如图18所示，主要参数如表4所示。
根据实践经验，为了保证电子式电压传感器(EVT)的质量长期稳定，采取以下技术措施：(1)采用零温漂NP0介质高品质电容，长期稳定性好，具有电网长期运行经验；(2)主电容容值1nF,具有工作电流大、抗干扰能力强的优点；(3)二次信号通过隔离变压输出，具有更好的安全性以及抗干扰能力；(4)具有受环境温度影响精度变化小的特点，在-40℃~+70℃全温度范围内误差小于0.5%,完全满足标准规定的0.5级传感器的温度变差指标要求。
2电场仿真分析
运用COMSOL Multiphysics仿真软件对极柱进行仿真。
(1)分析对象
本次针对正超自主开发的ZW32-12/630-25一二次融合柱上真空断路器的固封极柱，进行相对地静电场仿真分析，该极柱的整体结构如图19所示。
(2)建立有限元模型
对于柱上真空断路器极柱的电场仿真来说，分析的对象包含载流导体（高电位）、大地(0电位）和绝缘介质3个部分。为减少模型计算量，将极柱内电流互感器删除，并将一些细小的零件删除，简化后的模型如图20所示。
(3)材料属性设置
依据零件材料与柱上真空断路器运行的实际工况，对极柱模型设置材料属性，如表5所示。
(4)网格划分
对该极柱模型采用自由四面体网格划分方法，经优化调整后得到了符合计算要求、质量较好的网格。分析模型的网格数量为8967 400,平均网格质量0.66,网格剖分情况如图21所示。
(5)求解参数设置静电场计算方程：
▽×E=0→E=-▽φ▽×D=d
本构方程：D=3E
泊松方程：▽2φ=-d／3
静电场分析中只使用媒质的介电常数，即只考虑电容效应。导体视为理想导体，即为等电位体。将载流导体表面施加电势59 397 V（注：工频耐受电压42 000×、），将所有接地的金属外壳及金属隔板表面施加电势0V,将真空灭弧室内屏蔽环设置为悬浮电位（电荷Q0=0 C,电压初始值Vinit=0 V),将绝缘介质（空气、陶瓷、环氧树脂等）设置为电荷初始值0C、电势初始值0V。
(6)极柱电势分布
极柱电势分布云图如图22所示，由图可知，极柱一次主回路附近的高电势与机箱接地附近的低电势之间，呈现多层均匀分布阶梯，电势分布均匀，仿真结果有效可靠。
(7)极柱电场分布
极柱电场分布云图如图23所示，在极柱电场分布云图中，电场强度最大区域主要集中在软连接和拉杆附近，最大场强值小于环氧树脂的临界击穿场强，其他位置场强低可忽略，证明极柱绝缘性能优良。
在ZW32-12/630-25柱上真空断路器的固封极柱中，电场场强最大区域位于软连接及拉杆附近，最大场强值为2.62×106 V/m,小于绝缘件（环氧树脂）的临界击穿场强值2.5×107 V/m。
分析计算结果表明，正超自主开发的ZW32-12/630-25柱上真空断路器固封极柱，其绝缘性能满足要求并具有一定裕度，与耐压试验结果相符合，绝缘性能优越。通过仿真分析使极柱整个电场趋向均匀，减少过热量，保证产品长期运行发热得到有效控制[15-16]。
3试验验证与结果分析
断路器本体试验项目和方法依据GB/T 1984[17]的相关规定执行，控制器(FTU)试验项目和方法依据DL/T 1529[18]相关规定执行，电流传感器、电压传感器试验项目和方法依据T/CES 018《配电网10 kV及20 kV交流传感器技术条件》[19]相关规定执行；电容取电电源的试验项目和方法依据T/CES 064《6 kV~2 kV电容分压式取电装置技术规范》[20]相关规定执行；试验结果应满足相关技术规范书相关条款要求。
电容取电电源试验项目有：取电功率和绝缘试验。整机性能试验项目有：整机局放和单相接地故障处置（一二次真型试验）。
柱上断路器本体的试验项目如表6所示。
电流传感器的试验项目如表7所示。
样机三相及零序电流传感器的精度测试如图25所示，数据如图26所示。
电压传感器的试验项目如表8所示。误差试验试验要求：在标准规定的参比条件下，电压相序准确度等级应分别满足0.5(3P)级要求；在额度电压2%、5%、20%、100%、120%和190%下，测量其比值误差和相位误差在标准规定范围内为合格。运行变差试验要求：试品置于高低温箱内，达到规定温度，并保持6 h后，在额定一次电流（压）下进行一次误差试验；恢复到(20±5)℃,至少放置6h,在额定一次电流（压）下再进行一次误差试验，误差（比值误差和相位误差）应在限值范围内，其变化应不超过误差限值的1/2。电压传感器频率变差试验要求：用变频装置产生50.5 Hz和49.5 Hz电源电压，测量产品误差，测量结果与50 Hz下测得的误差值偏差（比值误差和相位误差）应不超过误差限值的1/6。
以上是设备通过型式试验的必选项目，出厂试验、送样检测、专项检测、到货检测等根据相关规定执行。
4结束语
本文通过介绍一二次深度融合电容取电柱上断路器的基本结构组成，介绍极柱设计的关键技术，固封无源电流传感器和后装式电子式电压传感器EVT的关键技术、主要参数和技术原理，提出几点技术措施；再用仿真软件对极柱进行电场仿真分析，通过仿真分析使极柱整个电场趋向均匀，减少过热量，保证产品长期运行发热得到有效控制。最后介绍柱上断路器、电流传感器、电压传感器、电容取电电源和整机性能试验项目的内容要求，特别是电压传感器的误差试验、运行变差试验和频率变差试验的要求，供同行业的设计人员参考。
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