真空断路器具有开断容量大、灭弧性能好、环境友好型等特点,在电力系统中广泛得到应用。真空断路器在投切10 kV及以下并联无功补偿设备时,运行可靠。近年来,真空断路器在35 kV系统中的应用也越来越多,其中最为常见的用途是投切并联电抗器。然而,在35 kV电网中,采用真空断路器开断并联电抗器时,事故特征与10 kV等级相比具有明显的区别。且每年频繁(上百次)的投切,在某些情况下,即使过电压水平符合要求,投切事故仍时有发生。因此,本文从过电压产生机理和过电压累积作用导致匝间绝缘击穿以及匝间绝缘材料(聚酯薄膜)在长期热老化作用下绝缘性能失效机理三个方面,对真空断路器开断35 kV干式空芯电抗器的故障机理进行综合分析。为获得过电压的特征,根据云南某220 kV变电站35 kV侧运行回路相关设备连接方式及其参数,以及故障发生时故障录波器记录的电压、电流波形,论文采用ATP-EMTP电磁暂态仿真软件,搭建真空断路器开断35 kV电抗器三相仿真模型,进行了仿真研究,获得了开断操作时的暂态波形,并与现场试验所得数据进行比较。针对在过电压幅值并不高,却发生了绝缘故障的实际工况:(1)考虑频繁投切过电压对匝间绝缘产生的累积效应,基于电抗器故障时多表现为匝间击穿这一现象,采用有限元仿真软件COMSOL Multiphysics?对电抗器匝间绝缘击穿时的磁场分布以及电场分布情况进行了计算和分析。并对高频振荡波用于检测匝间短路故障时,其高频下的电压分布特性和工频下的等价性进行了研究;(2)考虑电抗器匝间绝缘材料(聚酯薄膜)长期在较高温度下运行(最高可达130°C),导致绝缘发生热老化的可能性,研究了不同老化程度和老化温度对绝缘材料(聚酯薄膜)的相关绝缘性能的影响规律。基于上述三个方面的研究,论文的主要研究工作如下:(1)基于ATP-EMTP软件,搭建真空断路器开断电抗器的三相仿真模型,该模型考虑了相间多种耦合作用以及各相对地的杂散电容等因素。其中的断路器开关模型主要考虑了开断时的截流值,介质绝缘强度恢复能力,断路器的高频熄弧能力。这三个因素是根据厂家提供的参数以及现场开断电抗器时,故障录波器记录的相关电压和电流波形确定的。基于该仿真模型,在无任何保护和几种过电压保护措施下,对真空断路器开断电抗器的操作过电压幅值和频率进行了比较,并对开断操作暂态过程和结果进行了分析,给出了该工况下产生严重过电压的机理,并提出了几点过电压抑制措施。(2)基于有限元分析软件COMSOL Multiphysics?,搭建了准静态电场计算模型,分析了匝间双层绝缘介质界面由于制造工艺分散性或热胀冷缩效应,存在空气间隙时,电场强度在间隙处的畸变情况。同时,根据厂家提供的电抗器设计参数,搭建了电抗器的有限元仿真模型,对干式空芯电抗器在稳态和发生匝间击穿时的电磁场分布、被短接线圈中电流变化进行了研究,并对高频振荡波用于检测匝间短路故障时,其高频下的电压分布特性和工频下的等价性进行了验证。(3)基于扫描电镜(SEM)、宽频介电谱仪以及空间电荷测量平台(PEA),对不同老化温度(80°C和130°C)和老化程度(0h、336h、720h、1000h)的匝间绝缘材料(双层聚酯薄膜)的表面微观形貌、介电常数和介电损耗、空间电荷演变特性、电荷陷阱能级、密度以及由电荷引起的电场畸变等角度,分析了热老化对绝缘材料绝缘性能的影响规律,解释了绝缘材料在长期较高温度下运行时绝缘性能下降的现象。综合以上研究得出:真空断路器开断35 kV并联电抗器时,若安装了不恰当的过电压保护装置,极易发生高频截流和多相重燃现象,使得在系统中形成幅值与频率极高的暂态过电压,这是现场事故最为可能的原因。但这一现象可以通过在并联电抗器侧安装RC阻容吸收器来消除,即使过电压幅值和频率满足要求。同时,基于ATP-EMTP软件搭建的三相仿真模型的仿真结果与试验波形数据基本一致;基于有限元分析软件COMSOL Multiphysics?的仿真结果表明,当双层绝缘介质界面存在空气间隙时,电场强度将在间隙处严重畸变;在频繁投切过电压的累积作用下,若线圈发生匝间击穿,在发生击穿的线圈处,磁场强度是正常运行状态下的好几倍,同时,被短接线圈中的电流将急剧增大。除击穿处的线圈之外,其他地方的磁通密度与正常运行状态下的磁通密度基本一致。10 kHz下的中间线圈和端部线圈匝间电压比与50 Hz下的匝间电压比近似相同,即电抗器匝间耐压试验时与工频运行时的电场强度分布存在一致性;基于热老化对聚酯薄膜绝缘性能影响的研究表明,材料的表面微观形貌、相对介电常数及介质损耗、电荷陷阱能级和密度、电场畸变程度都会受到热老化因素的影响。本文重点从过电压产生机理和过电压的累积作用以及热老化对绝缘性能的影响三个方面进行了综合研究,对变电站35 kV电抗器的过电压抑制措施和绝缘材料选择具有重要的指导意义。