西安交通大学姚晓飞副研究员团队：双断口真空断路器高频涌流预击穿特性实验

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导语

真空断路器投切电容器组时，高频高幅值涌流引发的触头烧蚀是影响设备寿命与电网安全的“隐形杀手”。哪种触头结构能有效抑制这一危害？双断口设计是否更优？西安交通大学姚晓飞副研究员团队联合西安理工大学耿云讲师，通过系统实验揭示了答案——采用“卍”字形横磁触头的双断口结构表现最优，为高精度相控投切技术提供了关键支撑。

研究背景

随着新型电力系统快速发展，电容器组作为经济高效的无功补偿手段，年投切频次可达300~700次。真空断路器因环保、免维护等优势，正逐步取代SF₆断路器成为容性负载投切的首选设备。然而，关合瞬间产生的高频高幅值涌流（可达5kA甚至20kA，频率4250Hz）会严重烧蚀触头表面，诱发重击穿，威胁电网安全。

相控关合技术通过精准控制合闸相位抑制涌流，但其效果高度依赖断路器的预击穿特性。尤其在双断口真空断路器中，不同触头结构（纵向磁场AMF与横向磁场TMF）对预击穿行为的影响机制尚不清晰，相关研究仍属空白。

论文所解决的问题及意义

本研究系统回答了三个核心问题：

1、单断口vs双断口：双断口结构能否显著改善预击穿特性？

2、AMF vs TMF：纵向磁场与横向磁场触头，谁在抑制涌流烧蚀方面更优？

3、如何组合最优：四种双断口触头组合（AMF-AMF、AMF-TMF、TMF-AMF、TMF-TMF）中，哪种表现最佳？

本研究为双断口真空断路器在背靠背电容器组相控投切中的结构优化与工程应用提供实验依据和理论支撑。

论文方法及创新点

团队搭建了高频涌流预击穿实验回路，采用电容器与电感构成振荡回路，模拟5kA/4250Hz和20kA/4250Hz两种涌流工况。实验涵盖2种单断口和4种双断口结构，每组完成80次合闸操作。

研究者通过高精度位移传感器（精度0.1mm）测量预击穿开距dpre，采用罗氏线圈采集涌流波形，利用阻容分压器和高压探头记录断口电压，并前后测量场致发射电流评估触头烧蚀程度。最后，借助Ansys/Maxwell 3D软件对两种触头结构进行电磁场仿真，揭示高频下磁场分布与洛伦兹力变化规律。

核心创新点：

①首次系统对比了单断口与四种双断口组合在高频涌流下的预击穿特性，填补了该领域实验数据空白。

②揭示了TMF触头在抑制涌流截断和触头烧蚀方面的物理机制——横向磁场驱动电弧旋转，分散能量。

③量化了涌流幅值从5kA升至20kA对预击穿行为的恶化效应，为高幅值工况设计提供参考。

表 主要实验结果

图1 容性预击穿实验回路

图2 双断口真空断路器示意图

图3 纵向磁场和横向磁场作用下的涌流预击穿电弧图像

图4 各组触头表面

结论

1）TMF触头全面优于AMF触头：在单断口和双断口结构中，横磁触头在预击穿开距、分散性、涌流截断时间、燃弧时间及触头烧蚀程度等指标上均表现更优。

2）TMF-TMF双断口结构最优：相比AMF-AMF型，d50降低57.9%，分散性降低71.4%，涌流截断时间降低85.1%，燃弧时间降低61.5%，触头烧蚀程度降低53.2%。

3）物理机制清晰：TMF触头通过横向磁场产生洛伦兹力（高频下达92.2mN），驱动电弧沿触头表面高速旋转，有效分散电弧能量，避免局部过热。而AMF触头因结构开槽导致局部电场畸变，增加击穿概率。

4）高幅值涌流危害显著加剧：涌流从5kA升至20kA时，预击穿开距大幅增加，场致增强因子增长率高达6.3倍，触头烧蚀严重恶化。

团队介绍

耿云

西安理工大学电气工程学院讲师。本科毕业于重庆大学，硕士和博士毕业于西安交通大学。2021年6月至2022年10月于德国伊尔梅瑙工业大学进行博士联合培养。承担中央高校基本科研业务费项目、参与南网重点研发项目、国家自然科学基金面上项目等科研项目，担任IEEE Transactions on Magnetics、IEEE Transactions on Superconductivity等SCI期刊审稿人。目前主要从事选相投切电容器组电抗器组、双断口真空断路器、中压直流快速开断技术等研究工作，在真空断路器设计、系统仿真分析、真空灭弧室触头表面微观状况测量等领域取得了一系列突出的研究成果，在IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement、International Journal of Electrical Power & Energy Systems、Electric Power Systems Research等国际知名期刊发表SCI论文21篇，其中第一作者16篇；获西安交通大学优秀学生、优秀毕业生等6项奖励。

姚晓飞

博士，西安交通大学电气工程学院副研究员，主要从事快速真空开断电弧理论与技术、机械可靠性理论与技术等研究。主持省部级和电力设备电气绝缘国家重点实验室项目2项，横向课题项目21项；作为骨干技术成员参加2022年国家重点研发计划项目、2020年国家自然科学基金重点项目等研究30余项。在国内外发表SCI/EI学术论文61余篇，其中SCI收录20篇，授权发明专利33项，转化4项，起草行/团标4项，参编《高压开关电器发展前沿技术》专著1部，获2019年宁夏自治区重大科学技术贡献奖1项（省部级特等奖，排名第3），2020年宁夏电力有限公司科学技术进步特等奖1项（排名第3），2022年中国电力科学技术进步奖二等奖1项（排名第2）。

本工作成果发表在2026年第10期《电工技术学报》，论文标题为"双断口真空断路器高频涌流预击穿特性实验"。本课题为国家自然科学基金重点资助项目。

引用本文

耿云, 姚晓飞, 许闽榉, 耿英三, 刘志远. 双断口真空断路器高频涌流预击穿特性实验[J]. 电工技术学报, 2026, 41(10): 3536-3549. Geng Yun, Yao Xiaofei, Xu Minju, Geng Yingsan, Liu Zhiyuan. High-Frequency Inrush Current Prestrike Characteristics of Double-Break Vacuum Circuit Breakers. Transactions of China Electrotechnical Society, 2026, 41(10): 3536-3549.