燃弧時(shí)間對(duì)混合型直流真空斷路器分?jǐn)嗵匦缘挠绊?/h1>
2015-10-25 05:52:28劉路輝莊勁武江壯賢
電工技術(shù)學(xué)報(bào) 2015年24期
劉路輝 莊勁武 王 晨 江壯賢
（1. 海軍工程大學(xué)艦船縮電力技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 武漢 430033
2. 海軍工程大學(xué)電氣工程學(xué)院 武漢 430033）
燃弧時(shí)間對(duì)混合型直流真空斷路器分?jǐn)嗵匦缘挠绊?/p>
劉路輝1莊勁武2王晨2江壯賢2
（1. 海軍工程大學(xué)艦船縮電力技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室武漢430033
2. 海軍工程大學(xué)電氣工程學(xué)院武漢430033）
利用可拆卸真空滅弧室，研究了直徑45mm的CuCr50平板觸頭，在不同的燃弧時(shí)間下采用強(qiáng)迫換流法分?jǐn)?～5kA直流的特性，通過(guò)高速攝像機(jī)對(duì)分?jǐn)噙^(guò)程進(jìn)行了拍攝。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，分?jǐn)嘁茧娀〉倪^(guò)程存在單弧柱和雙弧柱兩種情況。燃弧時(shí)間小于2ms，換流電流投入時(shí)，電弧有一定程度擴(kuò)散但依舊為橋柱形狀態(tài)。單弧柱情況燃弧面積小于電極表面，過(guò)電壓作用下的重燃點(diǎn)多為原電弧引燃處；雙弧柱情況電弧分布占據(jù)電極的面積增加，分?jǐn)嘈阅芴岣?。燃弧時(shí)間大于2.5ms，換流電流投入時(shí)觸頭間隙中電弧已完全擴(kuò)散且相對(duì)均勻，重燃點(diǎn)隨機(jī)分布。結(jié)合前人對(duì)不同觸頭結(jié)構(gòu)下電弧形態(tài)演化規(guī)律的認(rèn)識(shí)，討論得出橫磁型觸頭結(jié)構(gòu)適于直流分?jǐn)嗟慕Y(jié)論。
燃弧時(shí)間混合型直流真空斷路器電弧形態(tài)分?jǐn)嘈阅苤厝?/p>
0 引言
基于強(qiáng)迫換流原理的混合型直流真空斷路器的通流能力強(qiáng)、限流效果好且分?jǐn)嗄芰Ω?，成為了直流開(kāi)斷技術(shù)的重要發(fā)展方向[1-3]?；旌闲椭绷髡婵諗嗦菲魍ǔＳ筛咚僬婵臻_(kāi)關(guān)并聯(lián)換流電路及限壓吸能組件組成，通過(guò)在真空開(kāi)關(guān)上制造電流過(guò)零點(diǎn)迫使電弧熄滅，達(dá)到開(kāi)斷電路的目的[4,5]。直流真空斷路器能否成功開(kāi)斷，取決于真空開(kāi)關(guān)的高頻電流開(kāi)斷能力[6-8]。換流參數(shù)確定的情況下，主要決定于真空開(kāi)關(guān)分?jǐn)鄷r(shí)刻與反向電流的投入點(diǎn)的時(shí)間配合，機(jī)構(gòu)固有分閘時(shí)間一定的情況下，這一延時(shí)也代表分?jǐn)噙^(guò)程觸頭的燃弧時(shí)間。機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)速度一定的情況下，燃弧時(shí)間的長(zhǎng)短與觸頭開(kāi)距的大小相對(duì)應(yīng)，影響觸頭間隙中真空電弧的形態(tài)演化和斷路器的分?jǐn)嗄芰?；?duì)分?jǐn)嗑哂幸欢ㄉ仙实闹绷鞫搪冯娏鞫裕蓟r(shí)間的長(zhǎng)短將極大地影響斷路器的限流能力及其經(jīng)濟(jì)性。
文獻(xiàn)[9]研發(fā)的1 500V船用新型直流斷路器中真空開(kāi)關(guān)采用永磁機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)，分閘觸動(dòng)時(shí)間為3.6ms，到達(dá)額定開(kāi)距的時(shí)間為6ms，換流電流在額定開(kāi)距下投入；文中并未提及觸頭運(yùn)動(dòng)速度和額定開(kāi)距的具體參數(shù)，通過(guò)機(jī)構(gòu)始動(dòng)延時(shí)與振蕩電流投入的時(shí)間推算，可得到觸頭燃弧時(shí)間為2.4ms。文獻(xiàn)[10]設(shè)計(jì)了基于人工過(guò)零原理的直流分?jǐn)噙^(guò)程中真空電弧特性的研究實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)機(jī)構(gòu)分閘始動(dòng)時(shí)間約0.6ms，換流電流在4ms左右投入，通過(guò)高速攝像機(jī)對(duì)電弧引燃后演化過(guò)程和過(guò)零關(guān)斷過(guò)程的圖像進(jìn)行了采集，對(duì)比了平板型觸頭和不同縱磁結(jié)構(gòu)觸頭下的電弧形態(tài)特性，并未就燃弧時(shí)間的選取進(jìn)行說(shuō)明。文獻(xiàn)[11]研究了高速真空斷路器在直流分?jǐn)噙^(guò)程中，電弧引燃后的形態(tài)變化及其對(duì)分?jǐn)嘈阅艿挠绊?，繪制了電極表面電弧亮度分布隨燃弧時(shí)間的變化關(guān)系曲線，發(fā)現(xiàn)燃弧2.5ms后電弧在陽(yáng)極觸頭表面的分布趨于一致，并通過(guò)對(duì)大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，指出換流參數(shù)一定時(shí)，燃弧時(shí)間過(guò)短不利于分?jǐn)?。文獻(xiàn)[12]設(shè)計(jì)了額定參數(shù)3kA/3.3kV的直流真空斷路器，進(jìn)行了分?jǐn)嘈阅軐?shí)驗(yàn)，并通過(guò)將短路電流上升率取為恒定值，得到了直流斷路器限流能力與燃弧時(shí)間的關(guān)系式，實(shí)驗(yàn)中分?jǐn)嚯娏髟O(shè)定為6kA，分?jǐn)鄷r(shí)間設(shè)定為3ms，成功地將上升率為1.3kA/ms的短路電流峰值限定在10kA的水平。可見(jiàn)，較多關(guān)注直流真空強(qiáng)迫過(guò)零開(kāi)斷技術(shù)的研究將重點(diǎn)放在了拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和不同的換流參數(shù)對(duì)真空開(kāi)關(guān)分?jǐn)嗄芰Φ母纳谱饔玫确矫?，未?jiàn)有針對(duì)燃弧時(shí)間對(duì)真空斷路器分?jǐn)嘈阅苡绊懙膶ｎ}報(bào)道。
本文利用可拆卸真空滅弧室研究平臺(tái)，在分?jǐn)嘀绷?～5kA時(shí)，通過(guò)改變反向電流的投入時(shí)間，研究了觸頭燃弧時(shí)間長(zhǎng)短對(duì)直流真空斷路器分?jǐn)嗵匦缘挠绊?。通過(guò)高速攝像機(jī)采集的電弧圖像，對(duì)電弧演化過(guò)程和分?jǐn)嗄芰χg的關(guān)系進(jìn)行了分析。最后結(jié)合已報(bào)道的關(guān)于不同觸頭結(jié)構(gòu)電弧形態(tài)演化規(guī)律的討論，對(duì)直流真空滅弧室的結(jié)構(gòu)選擇和設(shè)計(jì)進(jìn)行了判斷。
1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)
可拆卸滅弧室研究平臺(tái)主要由電氣回路、真空系統(tǒng)、攝像系統(tǒng)和測(cè)控裝置四部分組成，如圖1所示。
圖1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.1 Scheme of experimental platform
實(shí)驗(yàn)電流采用C1-L1-VD1組成的電氣回路產(chǎn)生，電容組容量為150mF，最高充電電壓450V，電感為205μH，S1為閉合開(kāi)關(guān)。通過(guò)改變電容組C1的充電電壓產(chǎn)生符合要求的電流。換流電流由振蕩電路C2-L2產(chǎn)生，真空觸發(fā)開(kāi)關(guān)TVS為脈沖導(dǎo)通開(kāi)關(guān)。真空滅弧室VI分閘信號(hào)發(fā)出后延時(shí)一定的時(shí)間導(dǎo)通TVS釋放換流電流iC2，強(qiáng)迫滅弧室支路電流iVI過(guò)零。換流參數(shù)為50μF、28μH，通過(guò)改變換流電容C2的充電電壓改變滅弧室觸頭電流過(guò)零時(shí)di/dt與dv/dt等參數(shù)，C2最高充電電壓10kV。MOA為避雷器，用來(lái)限制過(guò)電壓的幅值。C3-R1支路用來(lái)調(diào)節(jié)觸頭電流過(guò)零后恢復(fù)過(guò)電壓的上升速率，實(shí)驗(yàn)中選用參數(shù)為3nF、100Ω。
可拆卸滅弧室VI由不銹鋼做成，設(shè)計(jì)有玻璃窗便于觀察真空電弧。不銹鋼筒與電極絕緣，處于懸浮電位，兼做屏蔽罩；靜觸頭經(jīng)陶瓷過(guò)渡，通過(guò)刀口法蘭與鋼筒連接；動(dòng)觸頭經(jīng)波紋管引出，使用時(shí)通過(guò)高速斥力機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)[13]，始動(dòng)延時(shí)500μs左右，剛分速度約2.5m/s。為了達(dá)到要求的真空度，采用機(jī)械泵和分子泵組成真空系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)前，將真空度抽至10-4Pa數(shù)量級(jí)，實(shí)驗(yàn)時(shí)關(guān)閉閥門進(jìn)行保壓。采用無(wú)感分流器、羅氏線圈和電壓探頭分別測(cè)量流過(guò)滅弧室的觸頭電流iVI、換流電流iC2、電弧電壓和恢復(fù)過(guò)電壓等電氣參數(shù)，利用線性位移傳感器測(cè)量動(dòng)觸頭的運(yùn)動(dòng)特性，得到觸頭開(kāi)距的實(shí)時(shí)信息，各參數(shù)根據(jù)采樣時(shí)長(zhǎng)的不同分別輸入兩臺(tái)數(shù)字示波器進(jìn)行存儲(chǔ)；高速攝像機(jī)及附屬光學(xué)系統(tǒng)由主控制器控制，保證同步采集真空電弧的圖像。所有數(shù)據(jù)均傳入計(jì)算機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)和分析處理。
當(dāng)前船電和地鐵直流系統(tǒng)均屬于中低壓等級(jí)，過(guò)電壓一般不超過(guò)10kV，從靜態(tài)耐壓能力考慮，2mm以上的開(kāi)距可滿足要求。因此，本文對(duì)2～5kA范圍的電流，分別進(jìn)行了延時(shí)（從驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)信號(hào)發(fā)出到換流電流投入的時(shí)間）1ms、1.5ms、2ms、2.5ms和3.5ms的分?jǐn)鄬?shí)驗(yàn)。每一組延時(shí)實(shí)驗(yàn)，通過(guò)逐步提高換流電容的充電電壓，使真空開(kāi)關(guān)分?jǐn)噙^(guò)程換流參數(shù)逐漸變得苛刻，測(cè)試得到真空開(kāi)關(guān)可靠分?jǐn)嗄芰蛽舸┲厝嫉奶匦裕Y(jié)合高速攝像機(jī)拍攝的電弧圖像，分析燃弧時(shí)間對(duì)其分?jǐn)嘈阅艿挠绊憽?/p>
實(shí)驗(yàn)采用平板式觸頭結(jié)構(gòu)，觸頭直徑45mm，觸頭材料為CuCr50。采用Photron SA4高速相機(jī)拍攝電弧圖像，相機(jī)的拍攝速度為200 000幀/s，拍攝分辨率為128×64，曝光時(shí)間為1μs。
圖2為典型的分?jǐn)嗖ㄐ巍？梢?jiàn)，零時(shí)刻主回路導(dǎo)通，10.2ms時(shí)真空開(kāi)關(guān)觸頭間生成電弧、建立弧壓，分離電流3 000A左右。觸頭電流在13ms時(shí)快速下降過(guò)零，并成功分?jǐn)啵瑢?duì)應(yīng)的觸頭開(kāi)距為7mm。真空開(kāi)關(guān)觸頭電流過(guò)零時(shí)刻的電流與電壓具體參數(shù)如圖3所示。從圖中可計(jì)算得到：真空開(kāi)關(guān)觸頭電流以約90A/μs的速度下降過(guò)零，斷口成功耐受住dv/dt約6kV/μs、峰值3.9kV的反向恢復(fù)過(guò)電壓。
圖2 典型的分?jǐn)嗖ㄐ蜦ig.2 Typical interruption waveforms
圖3 電流過(guò)零點(diǎn)電流與電壓波形Fig.3 Current and voltage waveforms at current zero
2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)真空滅弧室觸頭分離、電弧生成后，在引燃處停滯一定的時(shí)間，然后緩慢地向周邊擴(kuò)散。燃弧過(guò)程存在單柱燃弧和雙柱燃弧兩種現(xiàn)象（電弧引燃后，電弧相對(duì)集中在引燃處并燃燒一段時(shí)間，本文將這種相對(duì)集中燃燒的一簇電弧稱為一個(gè)弧柱）。對(duì)于單柱燃弧的情況，延時(shí)時(shí)間約小于2ms的情況下，電弧一般不能擴(kuò)散到整個(gè)觸頭表面，換流電流投入進(jìn)行關(guān)斷時(shí)，電弧存在相對(duì)較亮的區(qū)域，具有橋柱形電弧特征。換流參數(shù)升高到一定值，分?jǐn)嗍r(shí)擊穿通道多為觸頭間隙原電弧集中區(qū)域。燃弧時(shí)間相同的情況下，出現(xiàn)雙柱燃弧時(shí)，電弧擴(kuò)散效果和滅弧室分?jǐn)嘈阅苊黠@優(yōu)于單柱燃弧的情況。燃弧時(shí)間超過(guò)約2.5ms后，不論單柱燃弧還是雙柱燃弧，電弧基本擴(kuò)散至整個(gè)觸頭面上，電弧光強(qiáng)分布相對(duì)均勻，分?jǐn)嘈阅艿玫教嵘?；改變換流參數(shù)增加分?jǐn)嚯y度，擊穿重燃的位置具有隨機(jī)性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下。
2.1延時(shí)1.5ms，單弧柱燃弧的分?jǐn)噙^(guò)程
換流電流投入延時(shí)1.5ms，分?jǐn)噙^(guò)程觸頭間隙只生成一個(gè)弧柱，分?jǐn)嗍〉墓r下采集的電氣參數(shù)特性及所拍攝的電弧圖像如圖4所示。圖像下側(cè)為陰極，上側(cè)為陽(yáng)極；選取了換流電流投入時(shí)刻（1號(hào)）、電流過(guò)零點(diǎn)前后（2～5號(hào)，幀間隔5μs，電流過(guò)零點(diǎn)在4號(hào)圖像的采集點(diǎn)附近）共6張電弧圖像；波形處理時(shí)將過(guò)電壓開(kāi)始建立點(diǎn)選定為0時(shí)刻，波形主要展示電流過(guò)零點(diǎn)di/dt、dv/dt和過(guò)電壓峰值等參數(shù)，下文相同。
從波形圖計(jì)算得到，電流下降過(guò)程di/dt值約135A/μs，過(guò)電壓以dv/dt值約6kV/μs，加載到峰值約6kV，過(guò)電壓按照回路參數(shù)決定的頻率發(fā)生振蕩，3μs時(shí)擊穿重燃，電流經(jīng)過(guò)高頻振蕩后反向流通。
圖4 延時(shí)1.5ms單弧柱時(shí)實(shí)驗(yàn)波形與電弧形態(tài)Fig.4 Waveforms and arc modes for the one arc column test with delay time of 1.5ms
從1號(hào)電弧圖像可看出，觸頭分離后在電極右側(cè)形成單柱燃燒的電弧。換流電流投入時(shí)，電弧只占據(jù)1/3左右的電極表面，電弧光強(qiáng)分布也極為不均，初始起弧處亮度明顯高于后續(xù)擴(kuò)散的區(qū)域。2～6號(hào)圖像反映了電弧熄滅和重燃的過(guò)程?？梢?jiàn)，換流電流投入時(shí)刻光強(qiáng)最強(qiáng)的區(qū)域最后熄滅，電流過(guò)零后處于該區(qū)域的原陽(yáng)極觸頭右側(cè)形成新的陰極斑點(diǎn)，導(dǎo)致觸頭間隙擊穿重燃。
2.2延時(shí)1.5ms，雙弧柱燃弧的分?jǐn)噙^(guò)程
換流投入延時(shí)1.5ms，分?jǐn)噙^(guò)程生成雙弧柱，分?jǐn)喑晒Φ墓r下采集的電氣參數(shù)特性及所拍攝的電弧如圖5所示。
對(duì)電流波形濾波處理后計(jì)算得到，電流下降過(guò)程di/dt值約220A/μs，過(guò)電壓dv/dt值約9kV/μs，峰值約5.6kV，觸頭間隙成功耐受了該過(guò)電壓。
從1號(hào)電弧圖像可看出，在電極中間偏左和右側(cè)分別形成兩個(gè)獨(dú)立并聯(lián)燃燒的電弧。換流電流投入時(shí)，電弧占據(jù)3/5左右的電極表面，電弧光強(qiáng)分布相對(duì)均勻。通過(guò)數(shù)字圖像處理發(fā)現(xiàn)，雙弧柱燃弧情況電弧光強(qiáng)亮度分布在一個(gè)區(qū)間內(nèi)，而單弧柱燃弧情況的電弧光強(qiáng)分布梯度較大。對(duì)比單弧柱與雙弧柱兩種燃弧情況電弧熄滅前的3號(hào)圖像發(fā)現(xiàn)，雙弧柱的實(shí)時(shí)電流高于單弧柱電流的情況下，雙弧柱燃弧情況的觸頭間隙電弧亮度明顯暗于單弧柱情況，這意味著觸頭間隙承受過(guò)電壓時(shí)不存在特別薄弱的通道，有利于成功分?jǐn)?。?shí)驗(yàn)結(jié)果證明了雙弧柱燃弧情況在換流參數(shù)提升后依舊表現(xiàn)出優(yōu)于單弧柱燃弧情況的分?jǐn)嘈阅堋?/p>
圖5 延時(shí)1.5ms雙弧柱時(shí)實(shí)驗(yàn)波形與電弧形態(tài)Fig.5 Waveforms and arc modes for the two arc column test with delay time of 1.5ms
2.3延時(shí)2.5ms的分?jǐn)噙^(guò)程
換流投入延時(shí)2.5ms，換流參數(shù)選定，分?jǐn)噙B續(xù)失敗的工況下采集的電氣參數(shù)特性及所拍攝的電弧如圖6所示。
從波形圖計(jì)算得到，電流下降過(guò)程di/dt值約145A/μs，過(guò)電壓dv/dt值約8kV/μs，加載到峰值約6.1kV，經(jīng)過(guò)介質(zhì)恢復(fù)的異常過(guò)程，觸頭間隙在4μs時(shí)擊穿重燃。
從1號(hào)電弧圖像看出，換流電流投入時(shí)電弧基本已擴(kuò)散到整個(gè)觸頭表面上，且分布較均勻。電流下降過(guò)程，電弧整體亮度同步變暗。3號(hào)圖像中只觀測(cè)到個(gè)別陰極斑點(diǎn)，不存在集中的陰極斑點(diǎn)區(qū)。對(duì)電流過(guò)零后的5號(hào)圖像進(jìn)行均衡化處理，發(fā)現(xiàn)在原陽(yáng)極的中間偏左位置形成新的陰極亮斑，如圖7所示。
圖6 延時(shí)2.5ms時(shí)實(shí)驗(yàn)波形與電弧形態(tài)Fig.6 Waveforms and arc modes for the test with delay time of 2.5ms
圖7 5號(hào)電弧圖像均衡化處理結(jié)果Fig.7 Processing result of No.5 arc image
3 分析與討論
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，真空電弧引燃后存在一個(gè)由橋柱形電弧向外擴(kuò)散、發(fā)展的過(guò)程。燃弧時(shí)間過(guò)短，電弧擴(kuò)散的程度較差，等離子體和金屬蒸氣相對(duì)集中在一定的區(qū)域內(nèi)，電流過(guò)零后該區(qū)域?yàn)榻橘|(zhì)恢復(fù)的薄弱處，容易構(gòu)成擊穿重燃的通道。實(shí)驗(yàn)條件下，燃弧時(shí)間增長(zhǎng)到一定時(shí)間后，電弧在電極表面及間隙軸向分布相對(duì)均勻，為成功開(kāi)斷和換流參數(shù)優(yōu)化創(chuàng)造了有力條件。由此可見(jiàn)，燃弧時(shí)間通過(guò)影響換流電流投入時(shí)刻的電弧和電極狀態(tài)，間接決定了強(qiáng)迫換流型直流真空斷路器的核心參數(shù)及其分?jǐn)嘈阅?。在預(yù)期短路電流上升較快、峰值較高的直流系統(tǒng)故障保護(hù)場(chǎng)合，為提高直流斷路器限流分?jǐn)嗄芰?，提升斷路器整機(jī)經(jīng)濟(jì)性，斷路器動(dòng)作越快、燃弧時(shí)間越短，換流參數(shù)越小，整機(jī)性能也越好。這就要求觸頭結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)能夠促使電弧引燃后快速擴(kuò)散或者生成多弧柱，為換流電流投入創(chuàng)造有利時(shí)機(jī)。
眾所周知，真空開(kāi)關(guān)分閘過(guò)程的電弧無(wú)一例外均由觸頭分離產(chǎn)生。從電接觸理論可知，兩個(gè)閉合的觸頭分離時(shí)將經(jīng)歷液態(tài)金屬橋階段，而后金屬橋斷裂蒸發(fā)，間隙擊穿形成電弧[14]。真空電弧引燃產(chǎn)生后，不論是哪種觸頭結(jié)構(gòu)（平板型、橫磁型和縱磁型）均存在一個(gè)電弧起始、停滯的階段，而后則因電極結(jié)構(gòu)的不同，呈現(xiàn)出不同的演化規(guī)律。文獻(xiàn)［15］應(yīng)用電流線的磁約束效應(yīng)解釋了電弧起始、停滯的原因，表明電弧起始、停滯現(xiàn)象從機(jī)理上不可避免。M. Schulman等利用可觀測(cè)真空滅弧室系統(tǒng)對(duì)平板、橫磁和縱磁三種類型中各自典型的觸頭結(jié)構(gòu)，在開(kāi)斷交流電流時(shí)，真空電弧形態(tài)隨分離電流、電流峰值、觸頭開(kāi)距和磁場(chǎng)強(qiáng)度等因素的演變規(guī)律進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究[16-18]。通過(guò)總結(jié)大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)形成了電弧形態(tài)的演化規(guī)律圖，可得到電弧形態(tài)與燃弧時(shí)間、開(kāi)距和電流幅值等變量的關(guān)系。在平板型觸頭的系列實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到存在兩個(gè)電弧弧柱并聯(lián)燃燒一段時(shí)間的現(xiàn)象；在螺旋型觸頭實(shí)驗(yàn)中總結(jié)得到雙柱電弧并存的一個(gè)區(qū)域，如圖8所示。結(jié)合本文雙弧柱燃弧的工況下真空開(kāi)關(guān)優(yōu)異的分?jǐn)嘈阅?，可推測(cè)橫磁型觸頭在強(qiáng)迫換流型直流分?jǐn)囝I(lǐng)域中具有較好的應(yīng)用前景，而燃弧時(shí)間的選取需要保證將換流電流投入時(shí)刻放在雙柱燃弧的區(qū)間。
圖8 螺旋型觸頭下電弧形態(tài)演化[17]Fig.8 Arc appearance diagram under spiral contacts
另一方面，在交流真空斷路器中公認(rèn)分?jǐn)嗄芰^高的縱磁觸頭，在預(yù)期短路電流上升較快、峰值較高的直流系統(tǒng)故障保護(hù)場(chǎng)合并不適用。研究發(fā)現(xiàn)對(duì)于縱磁型觸頭分離引燃的電弧，橋柱形階段長(zhǎng)達(dá)1.5ms以上，磁場(chǎng)強(qiáng)度越強(qiáng)時(shí)，該時(shí)長(zhǎng)也相應(yīng)增長(zhǎng)。文獻(xiàn)[10]分別采用平板型、杯狀縱磁型和馬鞍型三種不同觸頭結(jié)構(gòu)的無(wú)氧銅觸頭對(duì)人工過(guò)零原理下的真空電弧形態(tài)在分離初期和人工過(guò)零過(guò)程中隨時(shí)間的變化規(guī)律進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)電弧引燃后，平板型觸頭中的電弧擴(kuò)散最快，其次是馬鞍型縱磁觸頭，而電弧在商業(yè)上應(yīng)用較廣的杯狀觸頭面上擴(kuò)散最慢；相應(yīng)的人工過(guò)零分?jǐn)噙^(guò)程中，平板型觸頭表現(xiàn)出最好的熄弧特性，文中將縱磁型觸頭電弧擴(kuò)散較慢的原因歸結(jié)為軸向磁場(chǎng)對(duì)等離子體導(dǎo)電粒子的約束作用。
分?jǐn)嚯娏鞔笥谝欢ǚ狄院?，電弧將?huì)發(fā)生集聚現(xiàn)象，電弧不可能與本文實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到的那樣最終均勻擴(kuò)散到整個(gè)觸頭面上。大電流、短間隙條件下，電弧與電極之間的相互作用很強(qiáng)烈，燃弧時(shí)間對(duì)分?jǐn)嘈阅艿挠绊憣⒉粌H通過(guò)電弧形態(tài)起作用，電極表面的溫度狀態(tài)對(duì)分?jǐn)嘈阅艿挠绊憣⒊蔀橹饕蛩?。本文作者已展開(kāi)了燃弧時(shí)間與電極表面狀態(tài)的關(guān)系及其對(duì)真空直流斷路器分?jǐn)嘈阅艿难芯?。本文?shí)驗(yàn)中不同電弧形態(tài)下，可靠分?jǐn)鄷r(shí)換流參數(shù)取值極限也不是本文的重點(diǎn)，這里不再對(duì)其進(jìn)行分析。
4 結(jié)論
（1）混合型直流真空斷路器燃弧時(shí)間過(guò)短，換流電流投入時(shí)電弧分布不均勻，過(guò)電壓建立過(guò)程觸頭間隙容易在電弧集中處擊穿重燃。
（2）燃弧過(guò)程出現(xiàn)雙弧柱工況，有利于真空滅弧室的強(qiáng)迫換流分?jǐn)唷?/p>
（3）與縱磁型觸頭結(jié)構(gòu)相比較，平板型和橫磁型觸頭結(jié)構(gòu)電弧引燃后擴(kuò)散快、且存在雙弧柱現(xiàn)象，具有較好的直流分?jǐn)嘈阅?，可分別應(yīng)用于直流真空負(fù)荷開(kāi)關(guān)和斷路器的開(kāi)發(fā)。
[1] 鄭占鋒, 鄒積巖, 董恩源, 等. 直流開(kāi)斷與直流斷路器[J]. 高壓電器, 2006, 42(6): 445-449.
Zheng Zhanfeng, Zou Jiyan, Dong Enyuan, et al. DC interruption and DC circuit breaker[J]. High Voltage Apparatus, 2006, 42(6): 445-449.
[2] 王容華, 劉云. 直流開(kāi)斷方法分析比較[J]. 電工材料, 2011(4): 40-45.
Wang Ronghua, Liu Yun. Analysis and comparison of DC interruption techniques of switches[J]. Electric
Material, 2011(4): 40-45.
[3] 榮命哲, 楊飛, 吳翊, 等. 綜述：直流斷路器電弧研究的新進(jìn)展[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2014, 29(1): 1-9.
Rong Mingzhe, Yang Fei, Wu Yi, et al. New developments in switching arc research in DC circuit breaker[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2014, 29(1): 1-9.
[4] Greenwood A N, Lee T H. Theory and application of the commutation principle for HVDC circuit breakers[J]. IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, 1972, PAS-91(4): 1570-1574.
[5] Shi Z, Jia S, Ma M, et al. Investigation on DC interruption based on artificial current zero of vacuum switch[C]. Proceedings of the 24th IEEE International Symposium on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum, Braunschweig, Germany, 2010: 158-161.
[6] Anderson J, Carroll J. Applicability of a vacuum interrupter as the basic switch element in HVDC breakers[J]. IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, 1978, 97(5): 1893-1900.
[7] Premerlani W. Forced commutation performance of vacuum switches for HVDC breaker application[J]. IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, 1982, 101(8): 2721-2727.
[8] Roberto P, Loris Z, Bonicelli T. Vacuum breaker for high DC current: experimental performances and operational limits[J]. IEEE Transactions on Plasma Science, 2009, 37(1): 229-235.
[9] 董恩源, 叢吉遠(yuǎn), 鄒積巖, 等. 1500V船用新型直流斷路器的研究[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2004, 24(5): 153-156.
Dong Enyuan, Cong jiyuan, Zou jiyan, et al. Study of 1500V new type DC circuit breaker used in ship[J]. Proceedings of the CSEE, 2004, 24(5): 153-156.
[10] Song X, Shi Z, Liu C, et al. Experimental investtigation on the characteristics of vacuum arc in the process of DC interruption based on artificial current zero［C］. Proceedings of the 24th IEEE International Symposium on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum. Braunschweig, Germany, 2010: 293-296.
[11] Niwa Y, Matsuzaki J, Yokokura K, et al. The basic investigation of the high-speed VCB and its applic-[12] Alferov D, Budovsky A, Evsin D, et al. DC vacuum circuit-breaker［C］. Proceedings of the 23rd IEEE International Symposium on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum，Bucharest，Romenia，2008： 173-176.
ation for the DC power system[C]. Proceedings of the 23rd IEEE International Symposium on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum, Bucharest, Romenia, 2008: 107-112.
[13] 江壯賢, 莊勁武, 王晨, 等. 基于電磁斥力原理的高速觸頭機(jī)構(gòu)仿真分析與設(shè)計(jì)[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2011, 26(8): 172-177.
Jiang Zhuangxian, Zhuang Jinwu, Wang Chen, et al. Simulation analysis and design of a high speed contact mechanism based on electro-magnetic repulsion mechanism［J］. Transactions of China Electrotechnical Society, 2011, 26(8): 172-177.
[14] Slade P. The transition from the molten bridge to the metallic phase bridge column arc between electrical contacts opening in vacuum[C]. Proceedings of the 23rd IEEE International Symposium on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum, Bucharest, Romenia, 2008: 198-201.
[15] Slade P G, Hoyaux M F. The effect of electrode material on the initial expansion of an arc in vacuum[J]. IEEE Transactions on Parts, Hybrids, Packaging, 1972, 8(1): 35-47.
[16] Schulman M, Slade P. Sequential modes of drawn vacuum arc between butt contacts for currents in the range 1kA to 16kA[J]. IEEE Transactions on Components，Packaging，and Manufacturing Technology，1995, 18: 417-422.
[17] Schulman M. Separation of spiral contacts and the motion of vacuum arcs at high AC currents [J]. IEEE Transactions on Plasma Science, 1993, 21(5): 484-488.
[18] Schulman M B, Slade P G, Heberlein J V R. Effect of an axial magnetic field upon the development of the vacuum arc between opening electric contacts[J]. IEEE Transactions on Components, Hybrids, and Manufacturing Technology, 1993, 16(2): 180-189.
Effect of Arcing Time upon the Interruption Characteristic of the Hybrid DC Vacuum Circuit Breaker
Liu Luhui1Zhuang Jinwu2Wang Chen2Jiang Zhuangxian2
（1. National Key Laboratory of Science and Technology on Vessel Integrated Power System Wuhan430033China
2. Naval University of EngineeringWuhan430033China）
Based on forced commutation principle, the influences of arcing time on the interruption characteristics of DC 2～5kA is studied, using diameter 45mm CuCr50 butt contacts in a demountable vacuum chamber. The interruption process was taken down by high-speed photography. Experiment results show that the arc is initiated with either one arc column or two arc columns burning in parallel at the instant of contact separation. For arcing time＜2ms, the arc expands while retaining its appearance as the counter current was injected. If there is one arc column, the arcing surface is less than the electrode’s surface and the reignition points are always the rupture points. If there are two arc columns, the arcing area increases and the interruption capability improves. For arcing time＞2.5ms, arc spreads fully and coveres the whole contact, and the reignition distribution is random. Prior studies on the development of vacuum arc modes are discussed, and it is concluded the transversal magnetic field electrodes are suitable for DC current interruption.
Arcing time, hybrid DC vacuum breaker, arc mode, interruption characteristic, reignition
TM561
劉路輝男，1986年生，助理研究員，主要研究方向?yàn)楹酱娏ο到y(tǒng)保護(hù)和能量調(diào)控與管理。
莊勁武男，1967年生，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)自動(dòng)化與安全運(yùn)行。
國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973計(jì)劃）（2012CB215103），國(guó)家自然科學(xué)基金（51207166、51377166和51307179）資助項(xiàng)目。
2013-09-27改稿日期 2014-07-25
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劉路輝 莊勁武 王 晨 江壯賢
（1. 海軍工程大學(xué)艦船縮電力技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 武漢 430033
2. 海軍工程大學(xué)電氣工程學(xué)院 武漢 430033）
燃弧時(shí)間對(duì)混合型直流真空斷路器分?jǐn)嗵匦缘挠绊?/p>
劉路輝1莊勁武2王晨2江壯賢2
（1. 海軍工程大學(xué)艦船縮電力技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室武漢430033
2. 海軍工程大學(xué)電氣工程學(xué)院武漢430033）
利用可拆卸真空滅弧室，研究了直徑45mm的CuCr50平板觸頭，在不同的燃弧時(shí)間下采用強(qiáng)迫換流法分?jǐn)?～5kA直流的特性，通過(guò)高速攝像機(jī)對(duì)分?jǐn)噙^(guò)程進(jìn)行了拍攝。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，分?jǐn)嘁茧娀〉倪^(guò)程存在單弧柱和雙弧柱兩種情況。燃弧時(shí)間小于2ms，換流電流投入時(shí)，電弧有一定程度擴(kuò)散但依舊為橋柱形狀態(tài)。單弧柱情況燃弧面積小于電極表面，過(guò)電壓作用下的重燃點(diǎn)多為原電弧引燃處；雙弧柱情況電弧分布占據(jù)電極的面積增加，分?jǐn)嘈阅芴岣?。燃弧時(shí)間大于2.5ms，換流電流投入時(shí)觸頭間隙中電弧已完全擴(kuò)散且相對(duì)均勻，重燃點(diǎn)隨機(jī)分布。結(jié)合前人對(duì)不同觸頭結(jié)構(gòu)下電弧形態(tài)演化規(guī)律的認(rèn)識(shí)，討論得出橫磁型觸頭結(jié)構(gòu)適于直流分?jǐn)嗟慕Y(jié)論。
燃弧時(shí)間混合型直流真空斷路器電弧形態(tài)分?jǐn)嘈阅苤厝?/p>
0 引言
基于強(qiáng)迫換流原理的混合型直流真空斷路器的通流能力強(qiáng)、限流效果好且分?jǐn)嗄芰Ω?，成為了直流開(kāi)斷技術(shù)的重要發(fā)展方向[1-3]?；旌闲椭绷髡婵諗嗦菲魍ǔＳ筛咚僬婵臻_(kāi)關(guān)并聯(lián)換流電路及限壓吸能組件組成，通過(guò)在真空開(kāi)關(guān)上制造電流過(guò)零點(diǎn)迫使電弧熄滅，達(dá)到開(kāi)斷電路的目的[4,5]。直流真空斷路器能否成功開(kāi)斷，取決于真空開(kāi)關(guān)的高頻電流開(kāi)斷能力[6-8]。換流參數(shù)確定的情況下，主要決定于真空開(kāi)關(guān)分?jǐn)鄷r(shí)刻與反向電流的投入點(diǎn)的時(shí)間配合，機(jī)構(gòu)固有分閘時(shí)間一定的情況下，這一延時(shí)也代表分?jǐn)噙^(guò)程觸頭的燃弧時(shí)間。機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)速度一定的情況下，燃弧時(shí)間的長(zhǎng)短與觸頭開(kāi)距的大小相對(duì)應(yīng)，影響觸頭間隙中真空電弧的形態(tài)演化和斷路器的分?jǐn)嗄芰?；?duì)分?jǐn)嗑哂幸欢ㄉ仙实闹绷鞫搪冯娏鞫裕蓟r(shí)間的長(zhǎng)短將極大地影響斷路器的限流能力及其經(jīng)濟(jì)性。
文獻(xiàn)[9]研發(fā)的1 500V船用新型直流斷路器中真空開(kāi)關(guān)采用永磁機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)，分閘觸動(dòng)時(shí)間為3.6ms，到達(dá)額定開(kāi)距的時(shí)間為6ms，換流電流在額定開(kāi)距下投入；文中并未提及觸頭運(yùn)動(dòng)速度和額定開(kāi)距的具體參數(shù)，通過(guò)機(jī)構(gòu)始動(dòng)延時(shí)與振蕩電流投入的時(shí)間推算，可得到觸頭燃弧時(shí)間為2.4ms。文獻(xiàn)[10]設(shè)計(jì)了基于人工過(guò)零原理的直流分?jǐn)噙^(guò)程中真空電弧特性的研究實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)機(jī)構(gòu)分閘始動(dòng)時(shí)間約0.6ms，換流電流在4ms左右投入，通過(guò)高速攝像機(jī)對(duì)電弧引燃后演化過(guò)程和過(guò)零關(guān)斷過(guò)程的圖像進(jìn)行了采集，對(duì)比了平板型觸頭和不同縱磁結(jié)構(gòu)觸頭下的電弧形態(tài)特性，并未就燃弧時(shí)間的選取進(jìn)行說(shuō)明。文獻(xiàn)[11]研究了高速真空斷路器在直流分?jǐn)噙^(guò)程中，電弧引燃后的形態(tài)變化及其對(duì)分?jǐn)嘈阅艿挠绊?，繪制了電極表面電弧亮度分布隨燃弧時(shí)間的變化關(guān)系曲線，發(fā)現(xiàn)燃弧2.5ms后電弧在陽(yáng)極觸頭表面的分布趨于一致，并通過(guò)對(duì)大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，指出換流參數(shù)一定時(shí)，燃弧時(shí)間過(guò)短不利于分?jǐn)?。文獻(xiàn)[12]設(shè)計(jì)了額定參數(shù)3kA/3.3kV的直流真空斷路器，進(jìn)行了分?jǐn)嘈阅軐?shí)驗(yàn)，并通過(guò)將短路電流上升率取為恒定值，得到了直流斷路器限流能力與燃弧時(shí)間的關(guān)系式，實(shí)驗(yàn)中分?jǐn)嚯娏髟O(shè)定為6kA，分?jǐn)鄷r(shí)間設(shè)定為3ms，成功地將上升率為1.3kA/ms的短路電流峰值限定在10kA的水平。可見(jiàn)，較多關(guān)注直流真空強(qiáng)迫過(guò)零開(kāi)斷技術(shù)的研究將重點(diǎn)放在了拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和不同的換流參數(shù)對(duì)真空開(kāi)關(guān)分?jǐn)嗄芰Φ母纳谱饔玫确矫?，未?jiàn)有針對(duì)燃弧時(shí)間對(duì)真空斷路器分?jǐn)嘈阅苡绊懙膶ｎ}報(bào)道。
本文利用可拆卸真空滅弧室研究平臺(tái)，在分?jǐn)嘀绷?～5kA時(shí)，通過(guò)改變反向電流的投入時(shí)間，研究了觸頭燃弧時(shí)間長(zhǎng)短對(duì)直流真空斷路器分?jǐn)嗵匦缘挠绊?。通過(guò)高速攝像機(jī)采集的電弧圖像，對(duì)電弧演化過(guò)程和分?jǐn)嗄芰χg的關(guān)系進(jìn)行了分析。最后結(jié)合已報(bào)道的關(guān)于不同觸頭結(jié)構(gòu)電弧形態(tài)演化規(guī)律的討論，對(duì)直流真空滅弧室的結(jié)構(gòu)選擇和設(shè)計(jì)進(jìn)行了判斷。
1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)
可拆卸滅弧室研究平臺(tái)主要由電氣回路、真空系統(tǒng)、攝像系統(tǒng)和測(cè)控裝置四部分組成，如圖1所示。
圖1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.1 Scheme of experimental platform
實(shí)驗(yàn)電流采用C1-L1-VD1組成的電氣回路產(chǎn)生，電容組容量為150mF，最高充電電壓450V，電感為205μH，S1為閉合開(kāi)關(guān)。通過(guò)改變電容組C1的充電電壓產(chǎn)生符合要求的電流。換流電流由振蕩電路C2-L2產(chǎn)生，真空觸發(fā)開(kāi)關(guān)TVS為脈沖導(dǎo)通開(kāi)關(guān)。真空滅弧室VI分閘信號(hào)發(fā)出后延時(shí)一定的時(shí)間導(dǎo)通TVS釋放換流電流iC2，強(qiáng)迫滅弧室支路電流iVI過(guò)零。換流參數(shù)為50μF、28μH，通過(guò)改變換流電容C2的充電電壓改變滅弧室觸頭電流過(guò)零時(shí)di/dt與dv/dt等參數(shù)，C2最高充電電壓10kV。MOA為避雷器，用來(lái)限制過(guò)電壓的幅值。C3-R1支路用來(lái)調(diào)節(jié)觸頭電流過(guò)零后恢復(fù)過(guò)電壓的上升速率，實(shí)驗(yàn)中選用參數(shù)為3nF、100Ω。
可拆卸滅弧室VI由不銹鋼做成，設(shè)計(jì)有玻璃窗便于觀察真空電弧。不銹鋼筒與電極絕緣，處于懸浮電位，兼做屏蔽罩；靜觸頭經(jīng)陶瓷過(guò)渡，通過(guò)刀口法蘭與鋼筒連接；動(dòng)觸頭經(jīng)波紋管引出，使用時(shí)通過(guò)高速斥力機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)[13]，始動(dòng)延時(shí)500μs左右，剛分速度約2.5m/s。為了達(dá)到要求的真空度，采用機(jī)械泵和分子泵組成真空系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)前，將真空度抽至10-4Pa數(shù)量級(jí)，實(shí)驗(yàn)時(shí)關(guān)閉閥門進(jìn)行保壓。采用無(wú)感分流器、羅氏線圈和電壓探頭分別測(cè)量流過(guò)滅弧室的觸頭電流iVI、換流電流iC2、電弧電壓和恢復(fù)過(guò)電壓等電氣參數(shù)，利用線性位移傳感器測(cè)量動(dòng)觸頭的運(yùn)動(dòng)特性，得到觸頭開(kāi)距的實(shí)時(shí)信息，各參數(shù)根據(jù)采樣時(shí)長(zhǎng)的不同分別輸入兩臺(tái)數(shù)字示波器進(jìn)行存儲(chǔ)；高速攝像機(jī)及附屬光學(xué)系統(tǒng)由主控制器控制，保證同步采集真空電弧的圖像。所有數(shù)據(jù)均傳入計(jì)算機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)和分析處理。
當(dāng)前船電和地鐵直流系統(tǒng)均屬于中低壓等級(jí)，過(guò)電壓一般不超過(guò)10kV，從靜態(tài)耐壓能力考慮，2mm以上的開(kāi)距可滿足要求。因此，本文對(duì)2～5kA范圍的電流，分別進(jìn)行了延時(shí)（從驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)信號(hào)發(fā)出到換流電流投入的時(shí)間）1ms、1.5ms、2ms、2.5ms和3.5ms的分?jǐn)鄬?shí)驗(yàn)。每一組延時(shí)實(shí)驗(yàn)，通過(guò)逐步提高換流電容的充電電壓，使真空開(kāi)關(guān)分?jǐn)噙^(guò)程換流參數(shù)逐漸變得苛刻，測(cè)試得到真空開(kāi)關(guān)可靠分?jǐn)嗄芰蛽舸┲厝嫉奶匦裕Y(jié)合高速攝像機(jī)拍攝的電弧圖像，分析燃弧時(shí)間對(duì)其分?jǐn)嘈阅艿挠绊憽?/p>
實(shí)驗(yàn)采用平板式觸頭結(jié)構(gòu)，觸頭直徑45mm，觸頭材料為CuCr50。采用Photron SA4高速相機(jī)拍攝電弧圖像，相機(jī)的拍攝速度為200 000幀/s，拍攝分辨率為128×64，曝光時(shí)間為1μs。
圖2為典型的分?jǐn)嗖ㄐ巍？梢?jiàn)，零時(shí)刻主回路導(dǎo)通，10.2ms時(shí)真空開(kāi)關(guān)觸頭間生成電弧、建立弧壓，分離電流3 000A左右。觸頭電流在13ms時(shí)快速下降過(guò)零，并成功分?jǐn)啵瑢?duì)應(yīng)的觸頭開(kāi)距為7mm。真空開(kāi)關(guān)觸頭電流過(guò)零時(shí)刻的電流與電壓具體參數(shù)如圖3所示。從圖中可計(jì)算得到：真空開(kāi)關(guān)觸頭電流以約90A/μs的速度下降過(guò)零，斷口成功耐受住dv/dt約6kV/μs、峰值3.9kV的反向恢復(fù)過(guò)電壓。
圖2 典型的分?jǐn)嗖ㄐ蜦ig.2 Typical interruption waveforms
圖3 電流過(guò)零點(diǎn)電流與電壓波形Fig.3 Current and voltage waveforms at current zero
2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)真空滅弧室觸頭分離、電弧生成后，在引燃處停滯一定的時(shí)間，然后緩慢地向周邊擴(kuò)散。燃弧過(guò)程存在單柱燃弧和雙柱燃弧兩種現(xiàn)象（電弧引燃后，電弧相對(duì)集中在引燃處并燃燒一段時(shí)間，本文將這種相對(duì)集中燃燒的一簇電弧稱為一個(gè)弧柱）。對(duì)于單柱燃弧的情況，延時(shí)時(shí)間約小于2ms的情況下，電弧一般不能擴(kuò)散到整個(gè)觸頭表面，換流電流投入進(jìn)行關(guān)斷時(shí)，電弧存在相對(duì)較亮的區(qū)域，具有橋柱形電弧特征。換流參數(shù)升高到一定值，分?jǐn)嗍r(shí)擊穿通道多為觸頭間隙原電弧集中區(qū)域。燃弧時(shí)間相同的情況下，出現(xiàn)雙柱燃弧時(shí)，電弧擴(kuò)散效果和滅弧室分?jǐn)嘈阅苊黠@優(yōu)于單柱燃弧的情況。燃弧時(shí)間超過(guò)約2.5ms后，不論單柱燃弧還是雙柱燃弧，電弧基本擴(kuò)散至整個(gè)觸頭面上，電弧光強(qiáng)分布相對(duì)均勻，分?jǐn)嘈阅艿玫教嵘?；改變換流參數(shù)增加分?jǐn)嚯y度，擊穿重燃的位置具有隨機(jī)性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下。
2.1延時(shí)1.5ms，單弧柱燃弧的分?jǐn)噙^(guò)程
換流電流投入延時(shí)1.5ms，分?jǐn)噙^(guò)程觸頭間隙只生成一個(gè)弧柱，分?jǐn)嗍〉墓r下采集的電氣參數(shù)特性及所拍攝的電弧圖像如圖4所示。圖像下側(cè)為陰極，上側(cè)為陽(yáng)極；選取了換流電流投入時(shí)刻（1號(hào)）、電流過(guò)零點(diǎn)前后（2～5號(hào)，幀間隔5μs，電流過(guò)零點(diǎn)在4號(hào)圖像的采集點(diǎn)附近）共6張電弧圖像；波形處理時(shí)將過(guò)電壓開(kāi)始建立點(diǎn)選定為0時(shí)刻，波形主要展示電流過(guò)零點(diǎn)di/dt、dv/dt和過(guò)電壓峰值等參數(shù)，下文相同。
從波形圖計(jì)算得到，電流下降過(guò)程di/dt值約135A/μs，過(guò)電壓以dv/dt值約6kV/μs，加載到峰值約6kV，過(guò)電壓按照回路參數(shù)決定的頻率發(fā)生振蕩，3μs時(shí)擊穿重燃，電流經(jīng)過(guò)高頻振蕩后反向流通。
圖4 延時(shí)1.5ms單弧柱時(shí)實(shí)驗(yàn)波形與電弧形態(tài)Fig.4 Waveforms and arc modes for the one arc column test with delay time of 1.5ms
從1號(hào)電弧圖像可看出，觸頭分離后在電極右側(cè)形成單柱燃燒的電弧。換流電流投入時(shí)，電弧只占據(jù)1/3左右的電極表面，電弧光強(qiáng)分布也極為不均，初始起弧處亮度明顯高于后續(xù)擴(kuò)散的區(qū)域。2～6號(hào)圖像反映了電弧熄滅和重燃的過(guò)程?？梢?jiàn)，換流電流投入時(shí)刻光強(qiáng)最強(qiáng)的區(qū)域最后熄滅，電流過(guò)零后處于該區(qū)域的原陽(yáng)極觸頭右側(cè)形成新的陰極斑點(diǎn)，導(dǎo)致觸頭間隙擊穿重燃。
2.2延時(shí)1.5ms，雙弧柱燃弧的分?jǐn)噙^(guò)程
換流投入延時(shí)1.5ms，分?jǐn)噙^(guò)程生成雙弧柱，分?jǐn)喑晒Φ墓r下采集的電氣參數(shù)特性及所拍攝的電弧如圖5所示。
對(duì)電流波形濾波處理后計(jì)算得到，電流下降過(guò)程di/dt值約220A/μs，過(guò)電壓dv/dt值約9kV/μs，峰值約5.6kV，觸頭間隙成功耐受了該過(guò)電壓。
從1號(hào)電弧圖像可看出，在電極中間偏左和右側(cè)分別形成兩個(gè)獨(dú)立并聯(lián)燃燒的電弧。換流電流投入時(shí)，電弧占據(jù)3/5左右的電極表面，電弧光強(qiáng)分布相對(duì)均勻。通過(guò)數(shù)字圖像處理發(fā)現(xiàn)，雙弧柱燃弧情況電弧光強(qiáng)亮度分布在一個(gè)區(qū)間內(nèi)，而單弧柱燃弧情況的電弧光強(qiáng)分布梯度較大。對(duì)比單弧柱與雙弧柱兩種燃弧情況電弧熄滅前的3號(hào)圖像發(fā)現(xiàn)，雙弧柱的實(shí)時(shí)電流高于單弧柱電流的情況下，雙弧柱燃弧情況的觸頭間隙電弧亮度明顯暗于單弧柱情況，這意味著觸頭間隙承受過(guò)電壓時(shí)不存在特別薄弱的通道，有利于成功分?jǐn)?。?shí)驗(yàn)結(jié)果證明了雙弧柱燃弧情況在換流參數(shù)提升后依舊表現(xiàn)出優(yōu)于單弧柱燃弧情況的分?jǐn)嘈阅堋?/p>
圖5 延時(shí)1.5ms雙弧柱時(shí)實(shí)驗(yàn)波形與電弧形態(tài)Fig.5 Waveforms and arc modes for the two arc column test with delay time of 1.5ms
2.3延時(shí)2.5ms的分?jǐn)噙^(guò)程
換流投入延時(shí)2.5ms，換流參數(shù)選定，分?jǐn)噙B續(xù)失敗的工況下采集的電氣參數(shù)特性及所拍攝的電弧如圖6所示。
從波形圖計(jì)算得到，電流下降過(guò)程di/dt值約145A/μs，過(guò)電壓dv/dt值約8kV/μs，加載到峰值約6.1kV，經(jīng)過(guò)介質(zhì)恢復(fù)的異常過(guò)程，觸頭間隙在4μs時(shí)擊穿重燃。
從1號(hào)電弧圖像看出，換流電流投入時(shí)電弧基本已擴(kuò)散到整個(gè)觸頭表面上，且分布較均勻。電流下降過(guò)程，電弧整體亮度同步變暗。3號(hào)圖像中只觀測(cè)到個(gè)別陰極斑點(diǎn)，不存在集中的陰極斑點(diǎn)區(qū)。對(duì)電流過(guò)零后的5號(hào)圖像進(jìn)行均衡化處理，發(fā)現(xiàn)在原陽(yáng)極的中間偏左位置形成新的陰極亮斑，如圖7所示。
圖6 延時(shí)2.5ms時(shí)實(shí)驗(yàn)波形與電弧形態(tài)Fig.6 Waveforms and arc modes for the test with delay time of 2.5ms
圖7 5號(hào)電弧圖像均衡化處理結(jié)果Fig.7 Processing result of No.5 arc image
3 分析與討論
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，真空電弧引燃后存在一個(gè)由橋柱形電弧向外擴(kuò)散、發(fā)展的過(guò)程。燃弧時(shí)間過(guò)短，電弧擴(kuò)散的程度較差，等離子體和金屬蒸氣相對(duì)集中在一定的區(qū)域內(nèi)，電流過(guò)零后該區(qū)域?yàn)榻橘|(zhì)恢復(fù)的薄弱處，容易構(gòu)成擊穿重燃的通道。實(shí)驗(yàn)條件下，燃弧時(shí)間增長(zhǎng)到一定時(shí)間后，電弧在電極表面及間隙軸向分布相對(duì)均勻，為成功開(kāi)斷和換流參數(shù)優(yōu)化創(chuàng)造了有力條件。由此可見(jiàn)，燃弧時(shí)間通過(guò)影響換流電流投入時(shí)刻的電弧和電極狀態(tài)，間接決定了強(qiáng)迫換流型直流真空斷路器的核心參數(shù)及其分?jǐn)嘈阅?。在預(yù)期短路電流上升較快、峰值較高的直流系統(tǒng)故障保護(hù)場(chǎng)合，為提高直流斷路器限流分?jǐn)嗄芰?，提升斷路器整機(jī)經(jīng)濟(jì)性，斷路器動(dòng)作越快、燃弧時(shí)間越短，換流參數(shù)越小，整機(jī)性能也越好。這就要求觸頭結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)能夠促使電弧引燃后快速擴(kuò)散或者生成多弧柱，為換流電流投入創(chuàng)造有利時(shí)機(jī)。
眾所周知，真空開(kāi)關(guān)分閘過(guò)程的電弧無(wú)一例外均由觸頭分離產(chǎn)生。從電接觸理論可知，兩個(gè)閉合的觸頭分離時(shí)將經(jīng)歷液態(tài)金屬橋階段，而后金屬橋斷裂蒸發(fā)，間隙擊穿形成電弧[14]。真空電弧引燃產(chǎn)生后，不論是哪種觸頭結(jié)構(gòu)（平板型、橫磁型和縱磁型）均存在一個(gè)電弧起始、停滯的階段，而后則因電極結(jié)構(gòu)的不同，呈現(xiàn)出不同的演化規(guī)律。文獻(xiàn)［15］應(yīng)用電流線的磁約束效應(yīng)解釋了電弧起始、停滯的原因，表明電弧起始、停滯現(xiàn)象從機(jī)理上不可避免。M. Schulman等利用可觀測(cè)真空滅弧室系統(tǒng)對(duì)平板、橫磁和縱磁三種類型中各自典型的觸頭結(jié)構(gòu)，在開(kāi)斷交流電流時(shí)，真空電弧形態(tài)隨分離電流、電流峰值、觸頭開(kāi)距和磁場(chǎng)強(qiáng)度等因素的演變規(guī)律進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究[16-18]。通過(guò)總結(jié)大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)形成了電弧形態(tài)的演化規(guī)律圖，可得到電弧形態(tài)與燃弧時(shí)間、開(kāi)距和電流幅值等變量的關(guān)系。在平板型觸頭的系列實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到存在兩個(gè)電弧弧柱并聯(lián)燃燒一段時(shí)間的現(xiàn)象；在螺旋型觸頭實(shí)驗(yàn)中總結(jié)得到雙柱電弧并存的一個(gè)區(qū)域，如圖8所示。結(jié)合本文雙弧柱燃弧的工況下真空開(kāi)關(guān)優(yōu)異的分?jǐn)嘈阅?，可推測(cè)橫磁型觸頭在強(qiáng)迫換流型直流分?jǐn)囝I(lǐng)域中具有較好的應(yīng)用前景，而燃弧時(shí)間的選取需要保證將換流電流投入時(shí)刻放在雙柱燃弧的區(qū)間。
圖8 螺旋型觸頭下電弧形態(tài)演化[17]Fig.8 Arc appearance diagram under spiral contacts
另一方面，在交流真空斷路器中公認(rèn)分?jǐn)嗄芰^高的縱磁觸頭，在預(yù)期短路電流上升較快、峰值較高的直流系統(tǒng)故障保護(hù)場(chǎng)合并不適用。研究發(fā)現(xiàn)對(duì)于縱磁型觸頭分離引燃的電弧，橋柱形階段長(zhǎng)達(dá)1.5ms以上，磁場(chǎng)強(qiáng)度越強(qiáng)時(shí)，該時(shí)長(zhǎng)也相應(yīng)增長(zhǎng)。文獻(xiàn)[10]分別采用平板型、杯狀縱磁型和馬鞍型三種不同觸頭結(jié)構(gòu)的無(wú)氧銅觸頭對(duì)人工過(guò)零原理下的真空電弧形態(tài)在分離初期和人工過(guò)零過(guò)程中隨時(shí)間的變化規(guī)律進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)電弧引燃后，平板型觸頭中的電弧擴(kuò)散最快，其次是馬鞍型縱磁觸頭，而電弧在商業(yè)上應(yīng)用較廣的杯狀觸頭面上擴(kuò)散最慢；相應(yīng)的人工過(guò)零分?jǐn)噙^(guò)程中，平板型觸頭表現(xiàn)出最好的熄弧特性，文中將縱磁型觸頭電弧擴(kuò)散較慢的原因歸結(jié)為軸向磁場(chǎng)對(duì)等離子體導(dǎo)電粒子的約束作用。
分?jǐn)嚯娏鞔笥谝欢ǚ狄院?，電弧將?huì)發(fā)生集聚現(xiàn)象，電弧不可能與本文實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到的那樣最終均勻擴(kuò)散到整個(gè)觸頭面上。大電流、短間隙條件下，電弧與電極之間的相互作用很強(qiáng)烈，燃弧時(shí)間對(duì)分?jǐn)嘈阅艿挠绊憣⒉粌H通過(guò)電弧形態(tài)起作用，電極表面的溫度狀態(tài)對(duì)分?jǐn)嘈阅艿挠绊憣⒊蔀橹饕蛩?。本文作者已展開(kāi)了燃弧時(shí)間與電極表面狀態(tài)的關(guān)系及其對(duì)真空直流斷路器分?jǐn)嘈阅艿难芯?。本文?shí)驗(yàn)中不同電弧形態(tài)下，可靠分?jǐn)鄷r(shí)換流參數(shù)取值極限也不是本文的重點(diǎn)，這里不再對(duì)其進(jìn)行分析。
4 結(jié)論
（1）混合型直流真空斷路器燃弧時(shí)間過(guò)短，換流電流投入時(shí)電弧分布不均勻，過(guò)電壓建立過(guò)程觸頭間隙容易在電弧集中處擊穿重燃。
（2）燃弧過(guò)程出現(xiàn)雙弧柱工況，有利于真空滅弧室的強(qiáng)迫換流分?jǐn)唷?/p>
（3）與縱磁型觸頭結(jié)構(gòu)相比較，平板型和橫磁型觸頭結(jié)構(gòu)電弧引燃后擴(kuò)散快、且存在雙弧柱現(xiàn)象，具有較好的直流分?jǐn)嘈阅?，可分別應(yīng)用于直流真空負(fù)荷開(kāi)關(guān)和斷路器的開(kāi)發(fā)。
[1] 鄭占鋒, 鄒積巖, 董恩源, 等. 直流開(kāi)斷與直流斷路器[J]. 高壓電器, 2006, 42(6): 445-449.
Zheng Zhanfeng, Zou Jiyan, Dong Enyuan, et al. DC interruption and DC circuit breaker[J]. High Voltage Apparatus, 2006, 42(6): 445-449.
[2] 王容華, 劉云. 直流開(kāi)斷方法分析比較[J]. 電工材料, 2011(4): 40-45.
Wang Ronghua, Liu Yun. Analysis and comparison of DC interruption techniques of switches[J]. Electric
Material, 2011(4): 40-45.
[3] 榮命哲, 楊飛, 吳翊, 等. 綜述：直流斷路器電弧研究的新進(jìn)展[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2014, 29(1): 1-9.
Rong Mingzhe, Yang Fei, Wu Yi, et al. New developments in switching arc research in DC circuit breaker[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2014, 29(1): 1-9.
[4] Greenwood A N, Lee T H. Theory and application of the commutation principle for HVDC circuit breakers[J]. IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, 1972, PAS-91(4): 1570-1574.
[5] Shi Z, Jia S, Ma M, et al. Investigation on DC interruption based on artificial current zero of vacuum switch[C]. Proceedings of the 24th IEEE International Symposium on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum, Braunschweig, Germany, 2010: 158-161.
[6] Anderson J, Carroll J. Applicability of a vacuum interrupter as the basic switch element in HVDC breakers[J]. IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, 1978, 97(5): 1893-1900.
[7] Premerlani W. Forced commutation performance of vacuum switches for HVDC breaker application[J]. IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, 1982, 101(8): 2721-2727.
[8] Roberto P, Loris Z, Bonicelli T. Vacuum breaker for high DC current: experimental performances and operational limits[J]. IEEE Transactions on Plasma Science, 2009, 37(1): 229-235.
[9] 董恩源, 叢吉遠(yuǎn), 鄒積巖, 等. 1500V船用新型直流斷路器的研究[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2004, 24(5): 153-156.
Dong Enyuan, Cong jiyuan, Zou jiyan, et al. Study of 1500V new type DC circuit breaker used in ship[J]. Proceedings of the CSEE, 2004, 24(5): 153-156.
[10] Song X, Shi Z, Liu C, et al. Experimental investtigation on the characteristics of vacuum arc in the process of DC interruption based on artificial current zero［C］. Proceedings of the 24th IEEE International Symposium on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum. Braunschweig, Germany, 2010: 293-296.
[11] Niwa Y, Matsuzaki J, Yokokura K, et al. The basic investigation of the high-speed VCB and its applic-[12] Alferov D, Budovsky A, Evsin D, et al. DC vacuum circuit-breaker［C］. Proceedings of the 23rd IEEE International Symposium on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum，Bucharest，Romenia，2008： 173-176.
ation for the DC power system[C]. Proceedings of the 23rd IEEE International Symposium on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum, Bucharest, Romenia, 2008: 107-112.
[13] 江壯賢, 莊勁武, 王晨, 等. 基于電磁斥力原理的高速觸頭機(jī)構(gòu)仿真分析與設(shè)計(jì)[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2011, 26(8): 172-177.
Jiang Zhuangxian, Zhuang Jinwu, Wang Chen, et al. Simulation analysis and design of a high speed contact mechanism based on electro-magnetic repulsion mechanism［J］. Transactions of China Electrotechnical Society, 2011, 26(8): 172-177.
[14] Slade P. The transition from the molten bridge to the metallic phase bridge column arc between electrical contacts opening in vacuum[C]. Proceedings of the 23rd IEEE International Symposium on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum, Bucharest, Romenia, 2008: 198-201.
[15] Slade P G, Hoyaux M F. The effect of electrode material on the initial expansion of an arc in vacuum[J]. IEEE Transactions on Parts, Hybrids, Packaging, 1972, 8(1): 35-47.
[16] Schulman M, Slade P. Sequential modes of drawn vacuum arc between butt contacts for currents in the range 1kA to 16kA[J]. IEEE Transactions on Components，Packaging，and Manufacturing Technology，1995, 18: 417-422.
[17] Schulman M. Separation of spiral contacts and the motion of vacuum arcs at high AC currents [J]. IEEE Transactions on Plasma Science, 1993, 21(5): 484-488.
[18] Schulman M B, Slade P G, Heberlein J V R. Effect of an axial magnetic field upon the development of the vacuum arc between opening electric contacts[J]. IEEE Transactions on Components, Hybrids, and Manufacturing Technology, 1993, 16(2): 180-189.
Effect of Arcing Time upon the Interruption Characteristic of the Hybrid DC Vacuum Circuit Breaker
Liu Luhui1Zhuang Jinwu2Wang Chen2Jiang Zhuangxian2
（1. National Key Laboratory of Science and Technology on Vessel Integrated Power System Wuhan430033China
2. Naval University of EngineeringWuhan430033China）
Based on forced commutation principle, the influences of arcing time on the interruption characteristics of DC 2～5kA is studied, using diameter 45mm CuCr50 butt contacts in a demountable vacuum chamber. The interruption process was taken down by high-speed photography. Experiment results show that the arc is initiated with either one arc column or two arc columns burning in parallel at the instant of contact separation. For arcing time＜2ms, the arc expands while retaining its appearance as the counter current was injected. If there is one arc column, the arcing surface is less than the electrode’s surface and the reignition points are always the rupture points. If there are two arc columns, the arcing area increases and the interruption capability improves. For arcing time＞2.5ms, arc spreads fully and coveres the whole contact, and the reignition distribution is random. Prior studies on the development of vacuum arc modes are discussed, and it is concluded the transversal magnetic field electrodes are suitable for DC current interruption.
Arcing time, hybrid DC vacuum breaker, arc mode, interruption characteristic, reignition
TM561
劉路輝男，1986年生，助理研究員，主要研究方向?yàn)楹酱娏ο到y(tǒng)保護(hù)和能量調(diào)控與管理。
莊勁武男，1967年生，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)自動(dòng)化與安全運(yùn)行。
國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973計(jì)劃）（2012CB215103），國(guó)家自然科學(xué)基金（51207166、51377166和51307179）資助項(xiàng)目。
2013-09-27改稿日期 2014-07-25
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