平板觸頭分離過程直流真空電弧形態(tài)與電壓特性

　　基于強迫換流原理的混合型直流真空斷路器是直流開斷技術(shù)的有效方式之一，其參數(shù)設(shè)計及開斷能力與電弧形態(tài)演化密切相關(guān)。利用可拆卸真空滅弧室，對直徑為45mm的CuCr50 平板觸頭，在1~8kA 的近似恒定直流條件下分離過程中真空電弧的形態(tài)演化規(guī)律和電弧電壓特性進行了研究。實驗結(jié)果表明：觸頭分離初期，電弧集聚在電弧引燃處；隨著開距的增加，電弧逐漸擴散。當(dāng)電流小于5kA 時，電弧始終呈擴散型，電弧電壓噪聲較��；當(dāng)電流大于5kA，電弧能擴散到整個觸頭表面，但電弧初始引燃處多發(fā)展成陽極亮斑，且燃弧時間大于1.5ms 后，電弧電壓噪聲分量急劇增加。實驗結(jié)果可以用于指導(dǎo)混合型直流真空負(fù)荷開關(guān)的設(shè)計。

　　引言

　　直流電力系統(tǒng)主要應(yīng)用于艦船直流電力系統(tǒng)、電信設(shè)備配電系統(tǒng)、地鐵等軌道交通牽引配電系統(tǒng)、遠(yuǎn)距離直流高壓輸電系統(tǒng)和可再生能源構(gòu)成的直流微電網(wǎng)等，具有顯著的優(yōu)勢。直流斷路器是直流電網(wǎng)安全運行和保護的關(guān)鍵設(shè)備，對系統(tǒng)保護策略的制定和工程實現(xiàn)有著重大的意義。直流斷路器的缺乏成為制約直流電力系統(tǒng)廣泛應(yīng)用的一個主要因素。基于強迫換流法的混合型直流真空斷路器是目前直流開斷技術(shù)的重要發(fā)展方向之一。

　　開關(guān)電器中的電弧總是由觸頭分離產(chǎn)生，觸頭分離過程中電弧形態(tài)的演化規(guī)律，及由此引起的電、熱過程的變化及其相互作用，將對電流過零后能否順利承受恢復(fù)電壓有很大影響。真空斷路器的開斷能力與觸頭間隙中的電弧形態(tài)和介質(zhì)恢復(fù)強度綜合效應(yīng)有關(guān)，在高密度電弧狀態(tài)及陽極斑點狀態(tài)下均不利于分?jǐn)�。與交流電流具有自然過零點不同，直流電弧電流強迫過零，電流下降率數(shù)十乃至百倍于同幅值的交流電流，下降時間極短(一般僅幾十s)，這極大地壓縮了電弧形態(tài)轉(zhuǎn)變和觸頭局部熱點的冷卻時間，要求分?jǐn)嗪蠼橘|(zhì)恢復(fù)能力具有極高的可靠性，分?jǐn)嗄芰�極大地依賴換流前電弧形態(tài)及觸頭狀態(tài)，某種程度上也決定了混合型直流真空斷路器換流參數(shù)的設(shè)計。在傳統(tǒng)交流商用滅弧室

　　中，如果開斷電流在6kA 以下，多采用簡單的無磁對接式平板觸頭。這類觸頭結(jié)構(gòu)的電弧形態(tài)轉(zhuǎn)變不必用磁場來控制，可應(yīng)用于混合型直流真空負(fù)荷開關(guān)的開發(fā)。因此，有必要深入研究一定時間內(nèi)，平板觸頭分?jǐn)嗪愣ㄖ绷鬟^程中電弧形態(tài)演化規(guī)律。

　　針對電弧形態(tài)演化的研究成果主要對象為工頻交流真空電弧。文獻研究了平板觸頭分?jǐn)?~16kA 系列交流電流過程中電弧形態(tài)的變化，并總結(jié)了分離時電流對橋柱型電弧持續(xù)時間的影響，討論了弧柱壓力與電弧形態(tài)演變的關(guān)系。文獻中有部分內(nèi)容對平板觸頭無磁條件下大電流電弧形態(tài)進行了實驗研究，與本文關(guān)注的電流范圍交叉內(nèi)容較少。文獻研究了平板觸頭與兩種不同結(jié)構(gòu)的縱磁觸頭在1kA 左右分離，電流上升到不超過4kA，燃弧小于4ms 條件下，電弧引燃后形態(tài)發(fā)展變化，發(fā)現(xiàn)平板觸頭中電弧擴散最快；文中還對人工過零電弧熄滅過程進行了對比，平板觸頭在實驗條件下表現(xiàn)出了良好的熄弧特性。

　　基于以上研究，本文首先介紹了基于可拆卸滅弧室的真空電弧研究平臺，利用該平臺研究了在不同幅值的近似恒定直流條件下，平板觸頭分離過程中真空電弧形態(tài)演化和電弧電壓特性，并就實驗結(jié)果進行了討論。

　　1、實驗系統(tǒng)

　　真空電弧研究平臺主要由電氣回路、真空系統(tǒng)、攝像系統(tǒng)、測控裝置四部分組成，如圖1 所示。

圖1  實驗平臺

　　直接獲得一系列不同幅值的直流試驗電流很難，為此采用C-L 組成的振蕩回路，在電流變化率很小的峰值附近可以等效為近似恒定直流。實驗采用的電容器C 容量為100mF，最高充電電壓為1kV，電感L 為205H，電阻R 為5.6m，通過改變電容器C 的充電電壓U0，產(chǎn)生符合要求的電流幅值。F1 為電流導(dǎo)通開關(guān)，二極管D 為續(xù)流支路，起到維持電流的作用；晶閘管F2 為旁路開關(guān)，燃弧一定時間后通過導(dǎo)通F2，使流過滅弧室的電流轉(zhuǎn)移至F2 支路，電弧因電流過零而熄滅。采用晶閘管等電力電子開關(guān)可以實現(xiàn)各階段的精確控制�？刹鹦稖缁∈襐I 由不銹鋼做成，設(shè)計有玻璃窗便于觀察真空電弧形態(tài)。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)陶瓷過渡，通過刀口法蘭與鋼筒連接；動觸頭經(jīng)波紋管引出，使用時通過高速斥力機構(gòu)驅(qū)動，觸頭速度近似為線性運動。為了達到要求的真空度，采用機械泵和分子泵組成真空系統(tǒng)。實驗過程前，將真空度抽至10⁴Pa，實驗時關(guān)閉閥門，進行保壓實驗。采用無感分流器Rs 和電壓探頭測量電弧電流、電壓、屏蔽筒電壓等電氣參數(shù)，利用線性位移傳感器測量動觸頭運動特性，各參數(shù)輸入數(shù)字示波器進行存儲；高速攝像機及附屬光學(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)均傳入計算機進行存儲和分析處理。

　　采用平板對接式觸頭結(jié)構(gòu)，觸頭直徑為45mm，觸頭材料CuCr50。采用Photron SA4 相機拍攝電弧圖像，相機的拍攝速度為50000fps，拍攝分辨率為384*128，曝光時間為1s�？紤]該系列實驗產(chǎn)生的真空電弧可能主要是陰極斑點起作用，拍攝時通過調(diào)整適當(dāng)?shù)慕嵌�，可以觀察到整個陰極表面。待開發(fā)的直流負(fù)荷開關(guān)主要應(yīng)用在中低壓領(lǐng)域，滿足開距的要求下，燃弧時間控制在4ms 以內(nèi)。斥力機構(gòu)驅(qū)動信號為0 時刻，0.5ms 左右機構(gòu)分離起弧、建立弧壓，觸頭平均速度約2.5m/s，觸頭最大開距為8mm(系列實驗中，觸頭運動特性基本一致)。

　　3、結(jié)論

　　本文針對平板觸頭分離過程中近似恒定直流電弧形態(tài)及電弧電壓特性進行了系列實驗，得到了以下結(jié)論：

　　1)電流小于5kA 時，電弧形成后迅速擴散，整個燃弧近4ms 時間，8mm 開距電弧呈現(xiàn)擴散狀態(tài)，未出現(xiàn)穩(wěn)定的陽極現(xiàn)象，電弧電壓平均值不超過60V，噪聲分量不超過15V；

　　2)電流大于5kA 時，電弧也從引燃處向外擴散，但引燃處會持續(xù)燃弧，并發(fā)展成陽極斑點，電弧電壓平均值約80V，噪聲分離也高達數(shù)十V；

　　3)電流大于5kA 時，燃弧1.5ms 左右為一分界時刻，1.5ms 前，電弧處于橋柱型電弧階段，電弧電壓噪聲較小；1.5ms 后，電弧形態(tài)開始發(fā)生明顯的變化，電弧電壓有較高振幅的噪聲分量。

　　4)混合型直流真空負(fù)荷開關(guān)設(shè)計時，換流電流投入時延應(yīng)大于橋柱形電弧的持續(xù)時間，一般應(yīng)超過1.5ms。