基于連續(xù)過渡模型的直流真空斷路器弧后介質(zhì)恢復(fù)分析
搭建多端直流輸電用直流真空斷路器模塊，基于連續(xù)過渡模型，結(jié)合重?fù)舸┡袚?jù)，利用變步長四階龍格庫塔法，對直流真空斷路器弧后介質(zhì)恢復(fù)進(jìn)行仿真分析。仿真結(jié)果表明：弧后電流初始變化率高，而后緩慢變化，直至趨近于零; 在鞘層發(fā)展階段中，鞘層厚度呈指數(shù)趨勢變化。采用對照分析方法，研究燃弧能量、觸頭電侵蝕率及觸頭間縱向磁場強(qiáng)度對直流真空斷路器弧后介質(zhì)恢復(fù)的影響。結(jié)果表明：燃弧能量大，觸頭電侵蝕率高使得弧后初始離子密度大，離子衰減時間長，鞘層發(fā)展緩慢; 弧前觸頭間縱向磁場強(qiáng)度大，弧后初始離子密度小，有利于鞘層發(fā)展; 剩余縱向磁場強(qiáng)度大，離子衰減時間長，抑制鞘層發(fā)展。
鑒于風(fēng)能、太陽能等新能源間歇、隨機(jī)的發(fā)電特點(diǎn)，其并網(wǎng)難度大，電力系統(tǒng)消納能力有限，因而大部分可再生能源發(fā)電未得到充分、有效利用�；诔Ｒ�(guī)直流輸電和柔性直流輸電的多端直流輸電系統(tǒng)與直流電網(wǎng)技術(shù)是解決這一問題的有效技術(shù)手段之一。而直流斷路器技術(shù)是構(gòu)建多端直流輸電網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)之一，因此，研究直流斷路器具有重要意義。同時，真空斷路器因具有無火災(zāi)和爆炸危險、環(huán)境友好、觸頭損耗小、免維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)而應(yīng)用廣泛，因此，其應(yīng)用于直流領(lǐng)域有著良好的發(fā)展前景。
直流斷路器主回路電流過零時，真空滅弧室觸頭間隙中仍殘存離子、電子及金屬蒸氣粒子。若殘余物消散足夠快，觸頭間隙能夠承受恢復(fù)電壓，真空滅弧室成功開斷；否則，觸頭間發(fā)生重?fù)舸�。因此，研究直流真空斷路器弧后介質(zhì)強(qiáng)度恢復(fù)對解決實(shí)際問題具有重要意義。
目前國內(nèi)對于直流真空斷路器的研究多集中于斷路器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的設(shè)計與換流回路參數(shù)優(yōu)化，對其弧后介質(zhì)恢復(fù)研究較少。本文以有源式直流真空斷路器為研究對象，運(yùn)用變步長四階龍格庫塔法，基于連續(xù)過渡模型，結(jié)合重?fù)舸┡袚?jù)，對其弧后介質(zhì)恢復(fù)進(jìn)行仿真分析。同時，研究燃弧能量、觸頭電侵蝕率及觸頭間縱向磁場強(qiáng)度對直流真空斷路器弧后介質(zhì)恢復(fù)的影響。
1、有源式直流真空斷路器及其仿真線路
選取12 kV/10 kA 有源式直流真空斷路器為研究對象，其包含主開斷回路、換流回路以及吸能回路三部分，結(jié)構(gòu)原理圖如圖1 所示。
圖1 有源式直流斷路器結(jié)構(gòu)原理圖
圖1 中，ZnO，VCB，TVS，R，C 和L 分別為避雷器，真空斷路器，真空觸發(fā)開關(guān)，換流回路電，預(yù)充電電容和換流電感。
有源式直流真空斷路器工作原理：①真空斷路器接收分閘指令后執(zhí)行分閘，真空滅弧室內(nèi)產(chǎn)生電�。虎谟|頭運(yùn)動到一定行程下，TVS 導(dǎo)通，C 放電，產(chǎn)生一反沖高頻振蕩電流； ③反沖電流與系統(tǒng)電流疊加，使VCB 電流產(chǎn)生過零點(diǎn)，電弧熄滅；④主回路電流向換流回路轉(zhuǎn)移，為電容C 充電；⑤當(dāng)充電電壓超過避雷器動作電壓，避雷器導(dǎo)通，電流向吸能回路轉(zhuǎn)移；⑥避雷器消耗能量，實(shí)現(xiàn)開斷。12 kV/10 kA 有源式直流真空斷路器仿真線路圖如圖2 所示。忽略電感L0，則主斷路器中電流過零后斷口電壓不超過系統(tǒng)電壓，ZnO 不導(dǎo)通，以簡化仿真線路。
圖2 仿真線路圖
5、結(jié)論
本文基于連續(xù)過渡模型及弧后介質(zhì)恢復(fù)理論分析，對直流真空斷路器弧后介質(zhì)恢復(fù)進(jìn)行數(shù)值仿真。仿真結(jié)果給出弧后電流以及鞘層厚度隨時間變化趨勢。其中，弧后電流在反向增大階段上升快，在隨后的鞘層發(fā)展階段，緩慢下降，直至趨近于零。采用對照分析方法，研究真空電弧弧后介質(zhì)恢復(fù)影響因素: 燃弧能量、觸頭電侵蝕率以及觸頭間縱向磁場強(qiáng)度。上述三種因素主要影響初始離子密度Ni0與反應(yīng)離子擴(kuò)散衰減時間參數(shù)τ。其中，燃弧能量大，觸頭電侵蝕率高，使得弧后初始離子密度大，離子衰減時間長，鞘層發(fā)展緩慢，不利于弧后觸頭間隙短時間內(nèi)承受較高電壓。而對于縱向磁場，其強(qiáng)度大，初始離子密度減小，但如剩余磁場強(qiáng)，離子衰減時間長，不利于直流開斷。
