燃弧時間對混合型直流真空斷路器分斷特性的影響

劉路輝　莊勁武　王　晨　江壯賢

（1. 海軍工程大學艦船縮電力技術國防科技重點實驗室　武漢　430033

2. 海軍工程大學電氣工程學院　武漢　430033）

燃弧時間對混合型直流真空斷路器分斷特性的影響

劉路輝1莊勁武2王晨2江壯賢2

（1. 海軍工程大學艦船縮電力技術國防科技重點實驗室武漢430033

2. 海軍工程大學電氣工程學院武漢430033）

利用可拆卸真空滅弧室，研究了直徑45mm的CuCr50平板觸頭，在不同的燃弧時間下采用強迫換流法分斷2～5kA直流的特性，通過高速攝像機對分斷過程進行了拍攝。實驗結果表明，分斷引燃電弧的過程存在單弧柱和雙弧柱兩種情況。燃弧時間小于2ms，換流電流投入時，電弧有一定程度擴散但依舊為橋柱形狀態。單弧柱情況燃弧面積小于電極表面，過電壓作用下的重燃點多為原電弧引燃處；雙弧柱情況電弧分布占據電極的面積增加，分斷性能提高。燃弧時間大于2.5ms，換流電流投入時觸頭間隙中電弧已完全擴散且相對均勻，重燃點隨機分布。結合前人對不同觸頭結構下電弧形態演化規律的認識，討論得出橫磁型觸頭結構適于直流分斷的結論。

燃弧時間混合型直流真空斷路器電弧形態分斷性能重燃

0　引言

基于強迫換流原理的混合型直流真空斷路器的通流能力強、限流效果好且分斷能力高，成為了直流開斷技術的重要發展方向[1-3]。混合型直流真空斷路器通常由高速真空開關并聯換流電路及限壓吸能組件組成，通過在真空開關上制造電流過零點迫使電弧熄滅，達到開斷電路的目的[4,5]。直流真空斷路器能否成功開斷，取決于真空開關的高頻電流開斷能力[6-8]。換流參數確定的情況下，主要決定于真空開關分斷時刻與反向電流的投入點的時間配合，機構固有分閘時間一定的情況下，這一延時也代表分斷過程觸頭的燃弧時間。機構運動速度一定的情況下，燃弧時間的長短與觸頭開距的大小相對應，影響觸頭間隙中真空電弧的形態演化和斷路器的分斷能力；對分斷具有一定上升率的直流短路電流而言，燃弧時間的長短將極大地影響斷路器的限流能力及其經濟性。

文獻[9]研發的1 500V船用新型直流斷路器中真空開關采用永磁機構驅動，分閘觸動時間為3.6ms，到達額定開距的時間為6ms，換流電流在額定開距下投入；文中并未提及觸頭運動速度和額定開距的具體參數，通過機構始動延時與振蕩電流投入的時間推算，可得到觸頭燃弧時間為2.4ms。文獻[10]設計了基于人工過零原理的直流分斷過程中真空電弧特性的研究實驗，實驗機構分閘始動時間約0.6ms，換流電流在4ms左右投入，通過高速攝像機對電弧引燃后演化過程和過零關斷過程的圖像進行了采集，對比了平板型觸頭和不同縱磁結構觸頭下的電弧形態特性，并未就燃弧時間的選取進行說明。文獻[11]研究了高速真空斷路器在直流分斷過程中，電弧引燃后的形態變化及其對分斷性能的影響，繪制了電極表面電弧亮度分布隨燃弧時間的變化關系曲線，發現燃弧2.5ms后電弧在陽極觸頭表面的分布趨于一致，并通過對大量實驗數據進行統計分析，指出換流參數一定時，燃弧時間過短不利于分斷。文獻[12]設計了額定參數3kA/3.3kV的直流真空斷路器，進行了分斷性能實驗，并通過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間的關系式，實驗中分斷電流設定為6kA，分斷時間設定為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，較多關注直流真空強迫過零開斷技術的研究將重點放在了拓撲結構和不同的換流參數對真空開關分斷能力的改善作用等方面，未見有針對燃弧時間對真空斷路器分斷性能影響的專題報道。

本文利用可拆卸真空滅弧室研究平臺，在分斷直流2～5kA時，通過改變反向電流的投入時間，研究了觸頭燃弧時間長短對直流真空斷路器分斷特性的影響。通過高速攝像機采集的電弧圖像，對電弧演化過程和分斷能力之間的關系進行了分析。最后結合已報道的關于不同觸頭結構電弧形態演化規律的討論，對直流真空滅弧室的結構選擇和設計進行了判斷。

1　實驗系統

可拆卸滅弧室研究平臺主要由電氣回路、真空系統、攝像系統和測控裝置四部分組成，如圖1所示。

圖1　實驗平臺Fig.1　Scheme of experimental platform

實驗電流采用C1-L1-VD1組成的電氣回路產生，電容組容量為150mF，最高充電電壓450V，電感為205μH，S1為閉合開關。通過改變電容組C1的充電電壓產生符合要求的電流。換流電流由振蕩電路C2-L2產生，真空觸發開關TVS為脈沖導通開關。真空滅弧室VI分閘信號發出后延時一定的時間導通TVS釋放換流電流iC2，強迫滅弧室支路電流iVI過零。換流參數為50μF、28μH，通過改變換流電容C2的充電電壓改變滅弧室觸頭電流過零時di/dt與dv/dt等參數，C2最高充電電壓10kV。MOA為避雷器，用來限制過電壓的幅值。C3-R1支路用來調節觸頭電流過零后恢復過電壓的上升速率，實驗中選用參數為3nF、100Ω。

可拆卸滅弧室VI由不銹鋼做成，設計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；靜觸頭經陶瓷過渡，通過刀口法蘭與鋼筒連接；動觸頭經波紋管引出，使用時通過高速斥力機構驅動[13]，始動延時500μs左右，剛分速度約2.5m/s。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。實驗前，將真空度抽至10-4Pa數量級，實驗時關閉閥門進行保壓。采用無感分流器、羅氏線圈和電壓探頭分別測量流過滅弧室的觸頭電流iVI、換流電流iC2、電弧電壓和恢復過電壓等電氣參數，利用線性位移傳感器測量動觸頭的運動特性，得到觸頭開距的實時信息，各參數根據采樣時長的不同分別輸入兩臺數字示波器進行存儲；高速攝像機及附屬光學系統由主控制器控制，保證同步采集真空電弧的圖像。所有數據均傳入計算機進行存儲和分析處理。

當前船電和地鐵直流系統均屬于中低壓等級，過電壓一般不超過10kV，從靜態耐壓能力考慮，2mm以上的開距可滿足要求。因此，本文對2～5kA范圍的電流，分別進行了延時（從驅動機構信號發出到換流電流投入的時間）1ms、1.5ms、2ms、2.5ms和3.5ms的分斷實驗。每一組延時實驗，通過逐步提高換流電容的充電電壓，使真空開關分斷過程換流參數逐漸變得苛刻，測試得到真空開關可靠分斷能力和擊穿重燃的特性，結合高速攝像機拍攝的電弧圖像，分析燃弧時間對其分斷性能的影響。

實驗采用平板式觸頭結構，觸頭直徑45mm，觸頭材料為CuCr50。采用Photron SA4高速相機拍攝電弧圖像，相機的拍攝速度為200 000幀/s，拍攝分辨率為128×64，曝光時間為1μs。

圖2為典型的分斷波形。可見，零時刻主回路導通，10.2ms時真空開關觸頭間生成電弧、建立弧壓，分離電流3 000A左右。觸頭電流在13ms時快速下降過零，并成功分斷，對應的觸頭開距為7mm。真空開關觸頭電流過零時刻的電流與電壓具體參數如圖3所示。從圖中可計算得到：真空開關觸頭電流以約90A/μs的速度下降過零，斷口成功耐受住dv/dt約6kV/μs、峰值3.9kV的反向恢復過電壓。

圖2　典型的分斷波形Fig.2　Typical interruption waveforms

圖3　電流過零點電流與電壓波形Fig.3　Current and voltage waveforms at current zero

2　實驗結果

實驗發現真空滅弧室觸頭分離、電弧生成后，在引燃處停滯一定的時間，然后緩慢地向周邊擴散。燃弧過程存在單柱燃弧和雙柱燃弧兩種現象（電弧引燃后，電弧相對集中在引燃處并燃燒一段時間，本文將這種相對集中燃燒的一簇電弧稱為一個弧柱）。對于單柱燃弧的情況，延時時間約小于2ms的情況下，電弧一般不能擴散到整個觸頭表面，換流電流投入進行關斷時，電弧存在相對較亮的區域，具有橋柱形電弧特征。換流參數升高到一定值，分斷失敗時擊穿通道多為觸頭間隙原電弧集中區域。燃弧時間相同的情況下，出現雙柱燃弧時，電弧擴散效果和滅弧室分斷性能明顯優于單柱燃弧的情況。燃弧時間超過約2.5ms后，不論單柱燃弧還是雙柱燃弧，電弧基本擴散至整個觸頭面上，電弧光強分布相對均勻，分斷性能得到提升；改變換流參數增加分斷難度，擊穿重燃的位置具有隨機性。實驗結果如下。

2.1延時1.5ms，單弧柱燃弧的分斷過程

換流電流投入延時1.5ms，分斷過程觸頭間隙只生成一個弧柱，分斷失敗的工況下采集的電氣參數特性及所拍攝的電弧圖像如圖4所示。圖像下側為陰極，上側為陽極；選取了換流電流投入時刻（1號）、電流過零點前后（2～5號，幀間隔5μs，電流過零點在4號圖像的采集點附近）共6張電弧圖像；波形處理時將過電壓開始建立點選定為0時刻，波形主要展示電流過零點di/dt、dv/dt和過電壓峰值等參數，下文相同。

從波形圖計算得到，電流下降過程di/dt值約135A/μs，過電壓以dv/dt值約6kV/μs，加載到峰值約6kV，過電壓按照回路參數決定的頻率發生振蕩，3μs時擊穿重燃，電流經過高頻振蕩后反向流通。

圖4　延時1.5ms單弧柱時實驗波形與電弧形態Fig.4　Waveforms and arc modes for the one arc column test with delay time of 1.5ms

從1號電弧圖像可看出，觸頭分離后在電極右側形成單柱燃燒的電弧。換流電流投入時，電弧只占據1/3左右的電極表面，電弧光強分布也極為不均，初始起弧處亮度明顯高于后續擴散的區域。2～6號圖像反映了電弧熄滅和重燃的過程。可見，換流電流投入時刻光強最強的區域最后熄滅，電流過零后處于該區域的原陽極觸頭右側形成新的陰極斑點，導致觸頭間隙擊穿重燃。

2.2延時1.5ms，雙弧柱燃弧的分斷過程

換流投入延時1.5ms，分斷過程生成雙弧柱，分斷成功的工況下采集的電氣參數特性及所拍攝的電弧如圖5所示。

對電流波形濾波處理后計算得到，電流下降過程di/dt值約220A/μs，過電壓dv/dt值約9kV/μs，峰值約5.6kV，觸頭間隙成功耐受了該過電壓。

從1號電弧圖像可看出，在電極中間偏左和右側分別形成兩個獨立并聯燃燒的電弧。換流電流投入時，電弧占據3/5左右的電極表面，電弧光強分布相對均勻。通過數字圖像處理發現，雙弧柱燃弧情況電弧光強亮度分布在一個區間內，而單弧柱燃弧情況的電弧光強分布梯度較大。對比單弧柱與雙弧柱兩種燃弧情況電弧熄滅前的3號圖像發現，雙弧柱的實時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電壓時不存在特別薄弱的通道，有利于成功分斷。實驗結果證明了雙弧柱燃弧情況在換流參數提升后依舊表現出優于單弧柱燃弧情況的分斷性能。

圖5　延時1.5ms雙弧柱時實驗波形與電弧形態Fig.5　Waveforms and arc modes for the two arc column test with delay time of 1.5ms

2.3延時2.5ms的分斷過程

換流投入延時2.5ms，換流參數選定，分斷連續失敗的工況下采集的電氣參數特性及所拍攝的電弧如圖6所示。

從波形圖計算得到，電流下降過程di/dt值約145A/μs，過電壓dv/dt值約8kV/μs，加載到峰值約6.1kV，經過介質恢復的異常過程，觸頭間隙在4μs時擊穿重燃。

從1號電弧圖像看出，換流電流投入時電弧基本已擴散到整個觸頭表面上，且分布較均勻。電流下降過程，電弧整體亮度同步變暗。3號圖像中只觀測到個別陰極斑點，不存在集中的陰極斑點區。對電流過零后的5號圖像進行均衡化處理，發現在原陽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2.5ms時實驗波形與電弧形態Fig.6　Waveforms and arc modes for the test with delay time of 2.5ms

圖7　5號電弧圖像均衡化處理結果Fig.7　Processing result of No.5 arc image

3　分析與討論

實驗結果表明，真空電弧引燃后存在一個由橋柱形電弧向外擴散、發展的過程。燃弧時間過短，電弧擴散的程度較差，等離子體和金屬蒸氣相對集中在一定的區域內，電流過零后該區域為介質恢復的薄弱處，容易構成擊穿重燃的通道。實驗條件下，燃弧時間增長到一定時間后，電弧在電極表面及間隙軸向分布相對均勻，為成功開斷和換流參數優化創造了有力條件。由此可見，燃弧時間通過影響換流電流投入時刻的電弧和電極狀態，間接決定了強迫換流型直流真空斷路器的核心參數及其分斷性能。在預期短路電流上升較快、峰值較高的直流系統故障保護場合，為提高直流斷路器限流分斷能力，提升斷路器整機經濟性，斷路器動作越快、燃弧時間越短，換流參數越小，整機性能也越好。這就要求觸頭結構的設計能夠促使電弧引燃后快速擴散或者生成多弧柱，為換流電流投入創造有利時機。

眾所周知，真空開關分閘過程的電弧無一例外均由觸頭分離產生。從電接觸理論可知，兩個閉合的觸頭分離時將經歷液態金屬橋階段，而后金屬橋斷裂蒸發，間隙擊穿形成電弧[14]。真空電弧引燃產生后，不論是哪種觸頭結構（平板型、橫磁型和縱磁型）均存在一個電弧起始、停滯的階段，而后則因電極結構的不同，呈現出不同的演化規律。文獻［15］應用電流線的磁約束效應解釋了電弧起始、停滯的原因，表明電弧起始、停滯現象從機理上不可避免。M. Schulman等利用可觀測真空滅弧室系統對平板、橫磁和縱磁三種類型中各自典型的觸頭結構，在開斷交流電流時，真空電弧形態隨分離電流、電流峰值、觸頭開距和磁場強度等因素的演變規律進行了實驗研究[16-18]。通過總結大量實驗數據形成了電弧形態的演化規律圖，可得到電弧形態與燃弧時間、開距和電流幅值等變量的關系。在平板型觸頭的系列實驗中觀測到存在兩個電弧弧柱并聯燃燒一段時間的現象；在螺旋型觸頭實驗中總結得到雙柱電弧并存的一個區域，如圖8所示。結合本文雙弧柱燃弧的工況下真空開關優異的分斷性能，可推測橫磁型觸頭在強迫換流型直流分斷領域中具有較好的應用前景，而燃弧時間的選取需要保證將換流電流投入時刻放在雙柱燃弧的區間。

圖8　螺旋型觸頭下電弧形態演化[17]Fig.8　Arc appearance diagram under spiral contacts

另一方面，在交流真空斷路器中公認分斷能力較高的縱磁觸頭，在預期短路電流上升較快、峰值較高的直流系統故障保護場合并不適用。研究發現對于縱磁型觸頭分離引燃的電弧，橋柱形階段長達1.5ms以上，磁場強度越強時，該時長也相應增長。文獻[10]分別采用平板型、杯狀縱磁型和馬鞍型三種不同觸頭結構的無氧銅觸頭對人工過零原理下的真空電弧形態在分離初期和人工過零過程中隨時間的變化規律進行了實驗，研究發現電弧引燃后，平板型觸頭中的電弧擴散最快，其次是馬鞍型縱磁觸頭，而電弧在商業上應用較廣的杯狀觸頭面上擴散最慢；相應的人工過零分斷過程中，平板型觸頭表現出最好的熄弧特性，文中將縱磁型觸頭電弧擴散較慢的原因歸結為軸向磁場對等離子體導電粒子的約束作用。

分斷電流大于一定幅值以后，電弧將會發生集聚現象，電弧不可能與本文實驗中觀測到的那樣最終均勻擴散到整個觸頭面上。大電流、短間隙條件下，電弧與電極之間的相互作用很強烈，燃弧時間對分斷性能的影響將不僅通過電弧形態起作用，電極表面的溫度狀態對分斷性能的影響將成為主要因素。本文作者已展開了燃弧時間與電極表面狀態的關系及其對真空直流斷路器分斷性能的研究。本文實驗中不同電弧形態下，可靠分斷時換流參數取值極限也不是本文的重點，這里不再對其進行分析。

4　結論

（1）混合型直流真空斷路器燃弧時間過短，換流電流投入時電弧分布不均勻，過電壓建立過程觸頭間隙容易在電弧集中處擊穿重燃。

（2）燃弧過程出現雙弧柱工況，有利于真空滅弧室的強迫換流分斷。

（3）與縱磁型觸頭結構相比較，平板型和橫磁型觸頭結構電弧引燃后擴散快、且存在雙弧柱現象，具有較好的直流分斷性能，可分別應用于直流真空負荷開關和斷路器的開發。

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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，主要研究方向為航船電力系統保護和能量調控與管理。

莊勁武男，1967年生，教授，博士生導師，主要研究方向為電力系統自動化與安全運行。

國家重點基礎研究發展計劃（973計劃）（2012CB215103），國家自然科學基金（51207166、51377166和51307179）資助項目。

2013-09-27改稿日期 2014-07-25