盧剛，張豪，符一凡，宋心哲，馬匯，廖敏夫

(大連理工大學(xué) 電氣工程學(xué)院，遼寧 大連 116024)

多斷口真空斷路器較單斷口真空斷路器介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度高，恢復(fù)速率快，而且彌補(bǔ)了真空長(zhǎng)間隙的飽和效應(yīng)，因此多斷口串聯(lián)的方式更適用于提高真空斷路器的應(yīng)用電壓等級(jí)[1-5]。近年來(lái)，真空斷路器逐漸應(yīng)用于直流系統(tǒng)中開(kāi)斷短路電流、開(kāi)斷容性電流等場(chǎng)合。同時(shí)，節(jié)能減排的提出加速了真空斷路器在高電壓場(chǎng)合的應(yīng)用。

在實(shí)際工程應(yīng)用中，由于各個(gè)斷口空間布置的差異，斷口間會(huì)存在雜散電容，在開(kāi)斷短路電流過(guò)程中各個(gè)斷口上承受的電壓不均衡。一般而言，高壓側(cè)斷口承受的電壓可高達(dá)恢復(fù)電壓的60%～70%[6-11]。在開(kāi)斷短路電流過(guò)程中高壓側(cè)斷口承受較高的電壓，嚴(yán)重影響了多斷口真空斷路器的整體開(kāi)斷性能。

針對(duì)多斷口真空斷路器各個(gè)斷口之間承受電壓不均衡的問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者展開(kāi)了相關(guān)研究。文獻(xiàn)[12]分別對(duì)三斷口真空斷路器靜態(tài)電壓分布和動(dòng)態(tài)電壓分布進(jìn)行仿真研究與試驗(yàn)研究：靜態(tài)電壓分布采用有限元分析法，仿真得到每個(gè)斷口承擔(dān)的電壓以及等效電容參數(shù)，并采用靜態(tài)電壓分布實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明兩者誤差僅有2.11%；動(dòng)態(tài)電壓分布考慮了短路電流過(guò)零后間隙注入弧后電荷的影響，建立了真空斷路器仿真模型和弧后電流仿真模型。文獻(xiàn)[13]指出并聯(lián)均壓電容可以明顯減少高壓側(cè)斷口電壓分布，改善分布特性。文獻(xiàn)[14]指出并聯(lián)均壓電容雖然可以改善電壓分布特性，但是在實(shí)際運(yùn)行會(huì)影響換流變壓器的勵(lì)磁涌流。文獻(xiàn)[15]對(duì)運(yùn)行中均壓電容的爆炸問(wèn)題進(jìn)行仿真研究，指出并聯(lián)電容爆炸的主要原因是絕緣出現(xiàn)問(wèn)題。文獻(xiàn)[16]分析了均壓電容的大小對(duì)靜態(tài)電壓分布特性的影響。

為了解決均壓措施帶來(lái)的不利影響，有關(guān)學(xué)者在自均壓方面展開(kāi)研究。文獻(xiàn)[17]通過(guò)磁場(chǎng)調(diào)控實(shí)現(xiàn)在無(wú)并聯(lián)均壓電容條件下改善高、低壓斷口電壓分布，其研究表明在觸頭分離時(shí)刻施加縱向磁場(chǎng)效果最佳。文獻(xiàn)[18]研究了操動(dòng)機(jī)構(gòu)的分閘動(dòng)作速度對(duì)動(dòng)態(tài)電壓分布的影響，通過(guò)控制高、低壓斷口的分閘速度來(lái)優(yōu)化2個(gè)斷口間的電壓分布特性。文獻(xiàn)[19]提出一種自均壓方式，通過(guò)改變開(kāi)斷方式、滅弧室布置方式等減少均壓電容的使用。

改變開(kāi)關(guān)外部使用條件的方式雖然可以在無(wú)均壓措施的條件下優(yōu)化電壓分布特性，但外加設(shè)備受制于開(kāi)關(guān)的應(yīng)用場(chǎng)合。本文提出一種高、低壓側(cè)采用不同尺寸參數(shù)滅弧室的方式構(gòu)成真空斷路器，配合高、低壓斷口的不同燃弧時(shí)間，在無(wú)外加措施條件下改善動(dòng)態(tài)電壓分布特性。

1 電壓分布機(jī)理

根據(jù)真空間隙的狀態(tài)，電壓分布有靜態(tài)和動(dòng)態(tài)2種，在電壓分布原理上有本質(zhì)區(qū)別。靜態(tài)情況下，斷口間無(wú)電弧產(chǎn)生，斷口阻抗可以等效為電容的容抗。動(dòng)態(tài)情況下，斷口之間產(chǎn)生電弧，斷口阻抗由燃弧階段結(jié)束后的殘余等離子決定，斷口阻抗包括弧后電阻和斷口電容容抗。

根據(jù)電壓分布原理不同，動(dòng)態(tài)電壓分布有2個(gè)階段。在電流過(guò)零后的最初幾微秒內(nèi)，電弧尚未熄滅，此時(shí)斷口可以等效為電阻元件，各個(gè)斷口的電壓按照電阻的串聯(lián)原則分配，這一階段稱為電弧控制階段。隨后，斷口間注入弧后電荷，各斷口之間的電壓分配關(guān)系是由注入的弧后電荷與斷口間形成的等效電容參數(shù)共同決定的。當(dāng)足夠長(zhǎng)時(shí)間后，弧后電荷的影響作用完全消失，加在斷口兩端的電壓相當(dāng)于系統(tǒng)的工頻電壓，這時(shí)的電壓分布特性與靜態(tài)電壓分布特性一致，按斷口等效自電容與雜散電容的串并聯(lián)關(guān)系分配，稱為介質(zhì)控制階段。

流過(guò)短路電流時(shí)，動(dòng)靜觸頭分離過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生電弧，電弧的特性隨著動(dòng)觸頭的運(yùn)動(dòng)不斷變化，斷口間的等效電容也隨著間隙的變化而變化。在電弧控制階段，斷口阻抗可以等效為隨時(shí)間t變化的電阻R1(t)和R2(t)；在介質(zhì)控制階段，斷口阻抗可以等效為隨時(shí)間t變化的電容C1(t)和C2(t)。在2個(gè)斷口兩端并聯(lián)均壓電容器(量符號(hào)分別為CG1和CG2)時(shí)，電壓分布等效電路如圖1所示[20]，其中，Cg為對(duì)地雜散電容，U10為總電壓，U12為高壓側(cè)斷口電壓，U20為低壓側(cè)斷口電壓。

圖1 電壓分布等效電路

在雙斷口真空斷路器中，各個(gè)斷口中每個(gè)階段電子的運(yùn)動(dòng)特性影響其動(dòng)態(tài)電壓分布。如圖2所示，其中i(t)為開(kāi)斷電流，uarc(t)為電弧電壓。在開(kāi)斷短路電流過(guò)程中，根據(jù)電子運(yùn)動(dòng)特性可將開(kāi)斷過(guò)程分為3個(gè)階段：電子加速運(yùn)動(dòng)階段、電子減速運(yùn)動(dòng)階段、電子反向至消失階段。

圖2 開(kāi)斷電流的3個(gè)階段

t0—t1階段：電子加速運(yùn)動(dòng)階段。動(dòng)靜觸頭分離，間隙中間形成電弧等離子體，在燃弧過(guò)程中觸頭和斷口間的金屬小塊向斷口中蒸發(fā)出金屬蒸氣。受到電場(chǎng)力影響，電子和離子都向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)，等離子體呈電中性。在此過(guò)程中，注入斷口的電荷、能量分別為：

(1)

(2)

式(1)、(2)中：Q為轉(zhuǎn)移電荷；t0為觸頭分離時(shí)刻；t1為電弧熄滅時(shí)刻；W為燃弧期間注入能量。

通過(guò)式(1)、(2)可知，若斷口的燃弧時(shí)間不同，注入斷口的電荷和能量不同，其等效電容上的作用即表現(xiàn)為每個(gè)斷口承擔(dān)不同的電壓。

研究導(dǎo)軌架結(jié)構(gòu)，主要對(duì)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析[1]。標(biāo)準(zhǔn)節(jié)由主弦管、斜腹桿、齒條、角鋼框架、螺栓、螺母和銷等組成，其端面尺寸有180 mm×180 mm、500 mm×500mm、650 mm×200mm、650 mm×650 mm、700 mm×700 mm、900 mm×650 mm等類型，同時(shí)，不同的類型的施工升降機(jī)，具有不同規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)。因此，其結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，參數(shù)又多，如果每設(shè)計(jì)一種導(dǎo)軌架都用三維軟件重新建模，需要人工輸入的數(shù)據(jù)很多，工作量大，很容易出錯(cuò)。而各種標(biāo)準(zhǔn)節(jié)主要組成部分基本相同，設(shè)計(jì)過(guò)程中的大部分工作都是重復(fù)的。

t1—t2階段：電子減速運(yùn)動(dòng)階段。在t1時(shí)刻電流、電壓經(jīng)過(guò)零點(diǎn)，過(guò)零后電極極性改變，電子和離子在電場(chǎng)作用下開(kāi)始減速運(yùn)動(dòng)。由于離子質(zhì)量較大，離子減速加速度小于電子減速加速度。電子減速較快，速度很快降到0。斷口間仍有電流流過(guò)，介質(zhì)尚未恢復(fù)絕緣能力，沒(méi)有電壓承受能力，此階段電壓為0。

燃弧階段的不同會(huì)造成過(guò)零后殘余等離子體狀態(tài)存在很大差別，其密度、溫度、運(yùn)動(dòng)速度不同，導(dǎo)致弧后電導(dǎo)不同，殘余等離子體電阻不同，電子從過(guò)零點(diǎn)減速到0的過(guò)程不同，這些特性均對(duì)動(dòng)態(tài)電壓分布特性產(chǎn)生影響。

t2時(shí)刻之后：電子反向運(yùn)動(dòng)。電子減速到0后，開(kāi)始反向加速運(yùn)動(dòng)，離子運(yùn)動(dòng)方向不變，導(dǎo)致在新陰極附近形成離子鞘層。離子鞘層向新陽(yáng)極發(fā)展，等離子區(qū)域逐漸消失，恢復(fù)電壓在斷口兩端建立起來(lái)。剩余電阻影響暫態(tài)恢復(fù)電壓(transient recovery voltage，TRV)，兩斷口剩余電阻不同，斷口上承擔(dān)的恢復(fù)電壓不同。

Rres=uTRV/ipos.

(3)

式中：Rres為剩余電阻；uTRV為暫態(tài)恢復(fù)電壓；ipos為弧后電流。

通過(guò)上述分析可知，動(dòng)態(tài)電壓分布特性受等效電容參數(shù)和電弧參數(shù)的影響，這2個(gè)參數(shù)與滅弧室的結(jié)構(gòu)尺寸都有密切關(guān)系。滅弧室中觸頭的面積大小以及電流過(guò)零時(shí)動(dòng)靜觸頭之間的間距直接影響斷口的等效電容參數(shù)。而滅弧室的結(jié)構(gòu)尺寸影響斷口間的空間體積，進(jìn)而影響電壓分布。燃弧時(shí)間會(huì)對(duì)弧后初始狀態(tài)造成影響，尤其在峰值時(shí)刻，若TRV進(jìn)入到電容控制階段較早，即斷口等效阻抗較大，有利于暫態(tài)恢復(fù)上升階段的電壓均衡分布。TRV衰減振蕩主要是由于弧后電荷注入均壓電容造成的不平衡，由弧后電荷和電容參數(shù)決定；在TRV穩(wěn)定階段，這種不平衡主要是由電容參數(shù)決定的，接近靜態(tài)電壓分布。

由此可以推斷出，布置不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的滅弧室，配合不同的燃弧時(shí)間，可以優(yōu)化高、低壓側(cè)斷口的電壓分布，以減少甚至取消均壓電容的使用。

2 確定雙斷口真空斷路器組合方式

本文選取3種典型的真空滅弧室，型號(hào)分別為TD-12/1600-31.5U1(記為VI31.5)、TD-12/2000-40A (記為VI40)、TD-12/5000-50B(記為VI50)，尺寸參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 真空滅弧室內(nèi)部尺寸參數(shù)

表2 滅弧室的布置方式

由前文分析可知，雙斷口真空斷路器的動(dòng)態(tài)電壓分布特性與斷口的等效電容參數(shù)密切相關(guān)。在ANSYS軟件中進(jìn)行靜電場(chǎng)仿真，2個(gè)斷口采用平行布置方式，計(jì)算得到的等效電容參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 等效電容參數(shù)

3 動(dòng)態(tài)電壓分布特性試驗(yàn)

3.1 相同燃弧時(shí)間動(dòng)態(tài)電壓分布試驗(yàn)結(jié)果及分析

同期開(kāi)斷的試驗(yàn)條件為：主電流峰值8 kA/50 Hz，TRV峰值30 kV，2個(gè)斷口的燃弧時(shí)間設(shè)置為5 ms。試驗(yàn)中真空斷路器的操動(dòng)機(jī)構(gòu)為永磁機(jī)構(gòu)。受限于永磁機(jī)構(gòu)自身特性，斷口的每次分閘時(shí)間有一定差異，影響斷口的燃弧時(shí)間。為保證試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，重復(fù)5次成功的動(dòng)態(tài)電壓分布試驗(yàn)，高、低壓側(cè)電壓分配占比取5次的平均值。試驗(yàn)電路原理如圖3所示，其中：電流源電容器Ci和電抗器Li振蕩產(chǎn)生峰值8 kA/50 Hz電流，通過(guò)開(kāi)關(guān)CB引入被試斷路器，AB為輔助開(kāi)關(guān)；電壓源電容器Cv和電抗器Lv振蕩產(chǎn)生峰值30 kV的TRV，通過(guò)點(diǎn)火球隙SG將TRV引入被試斷路器；D為點(diǎn)火球隙控制電路；R0和C0為調(diào)頻電阻器和調(diào)頻電容器；CT為羅氏線圈；PT1和PT2為泰克P6015高壓探頭。

圖3 試驗(yàn)電路原理

典型的動(dòng)態(tài)電壓分布波形如圖4所示。

圖4 典型電壓分布波形

將試驗(yàn)采集到的數(shù)據(jù)導(dǎo)入MATLAB中，選取TRV峰值時(shí)刻的總電壓、高壓側(cè)斷口電壓及低壓側(cè)斷口電壓數(shù)值，計(jì)算得到高、低壓側(cè)承受的總電壓峰值占比如圖5所示，并以該數(shù)據(jù)衡量動(dòng)態(tài)電壓分布特性的優(yōu)劣，其值越接近50%表示動(dòng)態(tài)電壓分布特性越好。

圖5 4種斷路器電壓分布占比

對(duì)比組合Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的動(dòng)態(tài)電壓分布特性，可以明顯看出，低壓側(cè)使用相同的真空滅弧室VI31.5，并且在相同的燃弧時(shí)間條件下，增大高壓側(cè)真空滅弧室的尺寸參數(shù)(觸頭半徑、屏蔽罩長(zhǎng)度等)，可以明顯改變電壓分布特性，其中：高壓側(cè)使用VI50、低壓側(cè)使用VI31.5串聯(lián)構(gòu)成的組合Ⅳ動(dòng)態(tài)電壓分布特性最佳，高壓側(cè)斷口分壓占比48.44%，接近50%;傳統(tǒng)的使用相同滅弧室串聯(lián)構(gòu)成的組合Ⅱ在無(wú)并聯(lián)均壓電容的條件下，高壓側(cè)斷口承擔(dān)了較高(64.08%)的TRV，與已有文獻(xiàn)的研究結(jié)果基本相近。此外，組合Ⅳ中高壓側(cè)斷口承受的電壓小于低壓側(cè)，這也證明了滅弧室的尺寸參數(shù)對(duì)電壓分布特性有很大影響。

若TRV峰值以30 kV計(jì)，電壓分布特性最差的組合Ⅰ中高壓側(cè)斷口分壓23.784 kV，在電壓分布特性最優(yōu)的組合Ⅳ中高壓側(cè)斷口分壓14.532 kV，兩者之間相差9.252 kV。在開(kāi)斷電力系統(tǒng)中的短路電流時(shí)，組合Ⅰ中高壓側(cè)斷口由于承擔(dān)了更高的TRV，其擊穿概率較高。在高壓側(cè)斷口擊穿之后，全部的TRV將施加在低壓側(cè)斷口上，若此時(shí)低壓側(cè)斷口的絕緣強(qiáng)度恢復(fù)不足，會(huì)直接導(dǎo)致開(kāi)斷失敗，將對(duì)電力系統(tǒng)造成二次沖擊。

3.2 不同燃弧時(shí)間動(dòng)態(tài)電壓分布試驗(yàn)結(jié)果及分析

由式(1)、(2)可知，開(kāi)斷相同的短路電流條件下，不同燃弧時(shí)間會(huì)使電流過(guò)零時(shí)刻斷口燃弧期間產(chǎn)生的電荷數(shù)量、注入的能量及動(dòng)靜觸頭的間距不同，影響動(dòng)態(tài)電壓分布特性。

為了研究不同燃弧時(shí)間對(duì)電壓分布特性的影響，對(duì)組合Ⅲ和組合Ⅳ進(jìn)行了不同燃弧時(shí)間的動(dòng)態(tài)電壓分布特性研究。試驗(yàn)條件為：主電流峰值8 kA/50 Hz，TRV峰值30 kV，高壓側(cè)斷口燃弧時(shí)間3 ms，低壓側(cè)斷口燃弧時(shí)間7 ms，采用羅氏線圈測(cè)量電流，采用泰克P6015高壓探頭采集電壓。

不同燃弧時(shí)間下2種組合方式的動(dòng)態(tài)電壓分布特性對(duì)比見(jiàn)表4，以高壓側(cè)斷口分壓來(lái)衡量動(dòng)態(tài)電壓分布特性的優(yōu)劣。

表4 2種試驗(yàn)下電壓分布特性對(duì)比

表4中，組合Ⅲ在相同燃弧時(shí)間與不同燃弧時(shí)間的高壓側(cè)斷口分壓占比出現(xiàn)了3.83%的差異。這主要是由于高壓側(cè)斷口的燃弧時(shí)間由5 ms縮短至3 ms，燃弧時(shí)間的減小使注入斷口的電荷數(shù)量減少，導(dǎo)致電流過(guò)零之后，殘存在間隙中的等離子體數(shù)目減少，其在電容上的作用即表現(xiàn)為承受的電壓降低。

在低壓側(cè)使用相同的滅弧室串聯(lián)時(shí)，即使將組合Ⅲ中高壓側(cè)斷口的燃弧時(shí)間由5 ms減小到3 ms，其承擔(dān)的電壓仍高于高壓側(cè)燃弧時(shí)間5 ms時(shí)組合Ⅳ中的高壓側(cè)斷口電壓，這可以由靜電場(chǎng)仿真得到的等效電容參數(shù)解釋。從表3可以看出，2種組合方式的低壓側(cè)斷口等效電容(9.51 pF和9.66 pF)和對(duì)地雜散電容(8.41 pF和8.61 pF)近似相等，組合Ⅲ高壓側(cè)等效自電容(11.95 pF)小于組合Ⅳ高壓側(cè)等效自電容(15.87 pF)。較短的燃弧時(shí)間雖然可以降低高壓側(cè)斷口承擔(dān)的電壓，但在開(kāi)斷電流較低(8 kA)時(shí)其影響程度有限，等效電容參數(shù)對(duì)動(dòng)態(tài)電壓分布特性的影響仍舊很大。

雙斷口真空斷路器的動(dòng)態(tài)電壓分布特性不僅與等效電容參數(shù)有關(guān)，也與2個(gè)間隙中的電弧特性有關(guān)。為了直觀證明電弧特性因素的影響，本文進(jìn)行如下試驗(yàn)研究。

確保永磁機(jī)構(gòu)外部驅(qū)動(dòng)電路的電壓相同，使其動(dòng)作特性相同，然后測(cè)量前文試驗(yàn)中永磁機(jī)構(gòu)的平均分閘速度，測(cè)量結(jié)果為1 mm/ms。由此可以推斷：燃弧時(shí)間為3 ms時(shí)，永磁機(jī)構(gòu)帶動(dòng)動(dòng)觸頭運(yùn)動(dòng)3 mm，動(dòng)靜觸頭間距為3 mm；燃弧時(shí)間為7 ms時(shí)，對(duì)應(yīng)的動(dòng)靜觸頭間距為7 mm。

以組合Ⅲ為試驗(yàn)研究對(duì)象，拆掉永磁機(jī)構(gòu)與真空斷路器動(dòng)觸頭之間的連接桿，通過(guò)外加螺桿將高壓側(cè)斷口拉開(kāi)3 mm，低壓側(cè)斷口拉開(kāi)7 mm。在這種條件下施加與前文動(dòng)態(tài)電壓分布試驗(yàn)中TRV幅值和頻率相同的電壓，進(jìn)行高、低壓斷口不同開(kāi)距下靜態(tài)電壓分布試驗(yàn)，以模擬在無(wú)弧后等離子體的影響下，不同燃弧時(shí)間動(dòng)態(tài)電壓分布試驗(yàn)中電流過(guò)零時(shí)刻兩斷口之間的電壓分布。

在不同開(kāi)距靜態(tài)電壓分布試驗(yàn)中，組合Ⅲ中高壓側(cè)分壓占比52.51%，相比動(dòng)態(tài)電壓分布試驗(yàn)中的50.36%增加1.85%，這可以理解為電弧對(duì)動(dòng)態(tài)電壓分布特性的影響。在靜態(tài)電壓分布中，兩斷口的電壓分布是簡(jiǎn)單地按電容的串并聯(lián)關(guān)系分配；而在動(dòng)態(tài)電壓分布中，高、低壓斷口間的電弧特性也會(huì)對(duì)電壓分布產(chǎn)生影響。但由于在試驗(yàn)中開(kāi)斷的短路電流較小，注入的電荷數(shù)量和能量有限，相較于等效電容參數(shù)，電弧特性在電壓分布特性中的影響并不十分明顯。

4 結(jié)論

本文提出一種高、低壓側(cè)采用不同尺寸參數(shù)滅弧室的方式構(gòu)成雙斷口斷路器，對(duì)其在相同、不同燃弧時(shí)間下的動(dòng)態(tài)電壓分布特性進(jìn)行研究，得到以下結(jié)論：

a)滅弧室的尺寸參數(shù)影響斷口間電壓分布，通過(guò)高、低壓側(cè)尺寸參數(shù)和燃弧時(shí)間的配合，可以彌補(bǔ)雜散電容和各斷口間電弧特性對(duì)電壓分布的不利影響，優(yōu)化電壓分布特性，提升開(kāi)斷容量。

b)從動(dòng)態(tài)電壓分布特性的角度而言，對(duì)比組合Ⅳ和組合Ⅱ的電壓分布結(jié)果，可知在高、低壓側(cè)斷口布置相同的滅弧室并不是最優(yōu)方式。通過(guò)高、低壓側(cè)斷口在燃弧時(shí)間上的配合可進(jìn)一步優(yōu)化動(dòng)態(tài)電壓分布特性。

c)開(kāi)斷短路電流時(shí)，電弧特性會(huì)對(duì)動(dòng)態(tài)電壓分布特性產(chǎn)生影響。但在小電流條件下，電弧特性的影響效果有限，等效電容參數(shù)對(duì)動(dòng)態(tài)電壓分布特性的影響占主導(dǎo)地位。