機械式真空直流斷路器弧后電流測量研究

程 顯 徐鵬飛 葛國偉 李 鑫 田小倩

機械式真空直流斷路器弧后電流測量研究

程 顯1,2徐鵬飛1,2葛國偉1,2李 鑫1,2田小倩1,2

（1. 鄭州大學電氣工程學院 鄭州 450000 2. 河南省輸配電裝備與電氣絕緣工程技術研究中心 鄭州 450000）

機械式直流斷路器弧后特性是表征其開斷性能的重要參數。為獲得直流開斷過程中真空開關弧后電流峰值與時間、電流零點附近的d/d、d/d等影響規律，該文首先分析基于電流轉移的機械式真空直流斷路器弧后電流測量原理，設計機械式真空直流斷路器弧后電流測量裝置參數，搭建基于強迫過零方式的機械式直流開斷實驗平臺，測量開斷電流為1.5kA情況下機械式真空直流斷路器弧后電流，討論換向頻率和恢復電壓對弧后電流的影響。研究表明，基于電流轉移的弧后電流測量裝置可以有效測量弧后電流，弧后電流隨著換向頻率和恢復電壓的增大而增大，恢復電壓在相位上稍滯后弧后電流約100ns，且換向頻率對弧后電流的影響大于恢復電壓的影響，為斷路器開斷性能的優化研究提供了參考。

弧后電流 機械式斷路器 直流開斷 換向頻率 恢復電壓

0 引言

直流斷路器為多端柔性直流輸配電系統中重要的控制和保護設備，是近年來國內外研究的熱點。目前，直流斷路器主要包括混合式直流斷路器、全固態式直流斷路器和機械式直流斷路器，而機械式直流斷路器因原理簡單、經濟可靠而得到了廣泛的應用[1-4]。對于機械式直流斷路器，換向頻率是其關鍵參數，換向頻率越高，電容電感可以選取更小的參數，因此可以降低造價，但是高的換向頻率會導致d/d、d/d增大，不利于斷路器的成功開斷[5-7]。此外，對于真空斷路器的斷路性能來說，弧后電流是其重要參量之一。弧后電流的大小對斷路器的成功開斷也存在一定影響，因此對弧后電流峰值與時間和電流零點附近電壓、電流的變化率研究對斷路器的開斷性能優化具有重要的參考意義。

國內外研究學者對真空斷路器的弧后電流做了大量的工作。陳占清、廖敏夫等討論了電弧參數對激光觸發真空開關（Laser Triggered Vacuum Switch, LTVS）重頻開斷的影響，得出電流過零時電弧高溫對不同觸發材料熱作用效果不同，會影響LTVS的開斷能力和完全開斷時間[8]。舒勝文等研究了真空斷路器瞬態恢復電壓和弧后電流的相互作用關系，得出在不同的開斷工況下，弧后電流對暫態恢復電壓（Transient Recovery Voltage, TRV）有顯著影響；通過建立電弧電壓模型，改變系統故障參數，得出介質恢復速率在弧后1.5ms以后主要受TRV上升率影響[9-10]。Jia Shenli等建立一維粒子池模型，在仿真過程中通過調整殘余等離子體密度，得到與實測結果相近的弧后電流波形[11]。劉曉明等采用變步長四階龍格庫塔法研究斷路器的弧后介質恢復特性，得出弧后電流變化率由初始時的較大值逐漸減小并最終趨近于零[12]。H. Odaka等研究AgWC、CuW、CuCr等多觸頭材料開斷情況下電流零點附近的d/d、d/d特性和絕緣恢復特性，結果表明，較大的間隙可以較好地改善開斷性能[13]。R. P. P. Smeets等通過研究弧后電流與高頻重燃的關系，得出重燃現象與d/d有關系[14]。D. Pavelescu等對低壓真空斷路器的弧后電流進行測量和物理特性分析，認為高頻弧后電流振蕩的存在對真空斷路器的開斷能力有負面影響[15]。

目前，國內外研究學者對弧后電流進行了一系列的研究，但針對換向頻率和恢復電壓對弧后特性的研究尚有不足，本文以機械式真空直流斷路器為依據，探索在開斷過程中換向頻率和恢復電壓對弧后電流狀態的影響，進一步建立了電流過零后的一維簡化弧后模型，分析了弧后電流對開斷參數d/d、d/d的影響。

1 弧后電流測量原理

依據電流轉移原理，設計了如圖1所示的直流真空斷流器弧后電流測量裝置，其中，QF1為試品斷路器，QF2為真空斷路器，sh為電流轉移支路采樣電阻，TA1為高精度電流傳感器，SG2為保護球隙，當試品開關開斷失敗或者轉移電流過大造成采樣電阻發生絲爆時，會導致滅弧室兩端電壓急劇升高，電壓達到SG2導通電壓時保護球隙動作，對電路起到保護作用。為預先充好電的換流電容，為換流電感，SG1為試驗臺通過時序控制的球隙，LC振蕩產生的高頻電流與主電路電流反向，當試品開關斷開，觸頭達到一定開距，SG1在時序控制下導通引入反向電流來制造電流零點。MOV為ZnO避雷器，用于吸收系統多余的能量，完成開斷過程。圖1中，為主電路電流，1為電弧電流，sh為轉移支路電流。

圖1 弧后電流測量原理電路

試品開關在初始時刻為閉合狀態，此時電流主要流經試品開關。在0時刻，試品開關斷開并產生電弧，弧阻逐漸增大，電流開始向采樣電阻轉移。在1時刻，電弧電流完全轉移到采樣電阻上，此時，試品開關熄弧，采樣電阻上電流值達到最大shm，經過D時間的發展，采樣電阻上電流降至零。電流過零后，在斷口間反向的恢復電壓作用下，斷口間隙內的粒子發生定向移動，在新陰極附近產生離子鞘層[16-20]，在鞘層的發展過程中，由于TRV的存在，鞘層向新陽極發展并充滿整個斷口間隙，與此同時，粒子的運動會產生電流，即為弧后電流。采用高精度電流傳感器即可測出弧后電流。弧后電流測量原理及電流轉移零區放大圖如圖2和圖3所示。圖2中，mov為ZnO避雷器上流過的電流。

圖2 弧后電流測量原理

Fig.2 Principle of post-arc current measurement

圖3 電流轉移零區放大圖

由于弧后電流一般很小，對電流鉗的精度有很高的要求，而電流鉗的精度受其量程的制約。因此需要選擇合適的采樣電阻，使轉移完成時刻采樣電阻上的最大電流盡可能地小，以便于弧后電流的精確測量。

2 實驗平臺

2.1 測量裝置

弧后電流測量裝置由真空開關、保護球隙、采樣電阻以及高精度電流傳感器組成，真空斷路器（Vacuum Circuit Breaker, VCB）采用縱磁真空滅弧室，其電壓等級為10kV、開斷電流20kA；采樣電阻采用溫漂小、耐高溫的6J40康銅絲，康銅絲的電阻可以通過式（1）、式（2）計算出來[21-22]，考慮到康銅絲的發熱現象，保護球隙的導通電壓根據康銅絲能夠通過的最大電流對應的電壓來確定，康銅絲可允許通過的最大電流以及對應的最大電壓可通過式（3）、式（4）計算得到[23]；高精度電流傳感器采用量程為30A的CP8150A高頻交直流電流探頭，其分辨率為5mA，精度可達(±1%±10)mA。

式中，s為采樣電阻橫截面積；I為開斷電流最大值；T為康銅絲上電流流過的時間；Imax為采樣單阻上流過電流的最大值；c為比熱容；DT為康銅絲通過一次電流時造成的溫升；m為采樣電阻的質量；Rsh為采樣電阻的阻值；k為6J40康銅絲的電阻率；l為采樣電阻的長度；Umax為保護球隙的保護電壓。弧后電流測量裝置樣機如圖4所示。

1—采樣電阻 2—進線端 3—保護間隙 4—滅弧室5—絕緣套管 6—出線端 7—絕緣拉桿 8—超程連接桿 9—驅動及控制系統進出線 10—快速斥力機構

Fig.4 Prototype of post-arc current measuring device

2.2 實驗電路

弧后電流測量實驗電路如圖5所示。在電路中，SCB用于為電路引入額定直流電流，SAB1、SAB2為保護開關，QF1為試品斷路器，點畫線框內為QF1弧后電流的測量裝置，G為火花間隙，通過時序控制引入反向電流用于開斷電流；QF2為真空斷路器，用來通過大電流。sh為采樣電阻，用來承受轉移電流和弧后電流；TA1為高精度電流互感器，用于測量弧后電流，SG為保護球隙，對電路起保護作用；0與0構成調頻支路，用來調節電壓的頻率；C、L分別為電容、電感，用來模擬直流源；反向電流是由預充電電容1和1振蕩產生，通過時序控制系統控制斷路器動作并測出弧后電流。

圖5 弧后電流測量實驗電路

3 實驗結果

根據圖5的實驗電路，搭建了合成回路實驗平臺，對機械式真空直流斷路器進行直流開斷實驗研究。在實驗過程中，開斷電流大小為1.5kA，換流頻率為6.5kHz，電容1充電電壓為10kV，選擇采樣電阻大小為1 000mW，高精度電流傳感器CP8150A的量程為30A，在QF1斷開后經過2.5ms火花間隙導通引入反向電流。得到開斷波形、零區放大圖以及弧后電流波形分別如圖6～圖8所示。圖中，m為開斷電流，1為電弧電流，arc為電弧電壓，sh為采樣電阻上的轉移電流，trv為暫態恢復電壓，arc為燃弧時間，r為電流僅從采樣電阻流過的時間，post為弧后電流持續時間，post為弧后電流。從圖8中可以看到，弧后電流存在兩個峰值，持續時間為700ns，弧后電流最大值為5.2A，弧后電流的形狀是由鞘層的發展和二次電子發射決定的，因此與交流情況下弧后電流形狀相似。除此之外，恢復電壓負幅值接近5kV，在時間上，恢復電壓在相位上稍滯后弧后電流。

圖6 機械式直流開斷波形

圖7 零區放大圖

圖8 弧后電流波形

為了進一步研究直流開斷條件下機械式直流斷路器的弧后電流變化情況，分別研究了換向頻率和恢復電壓對弧后電流的影響。

3.1 換向頻率對弧后電流的影響

基于實驗平臺，通過改變換向支路電感達到改變換向頻率的目的，根據現有條件，通過控制預充電電容電壓不變，研究了開斷電流為1.5kA時，換向頻率分別為6.5kHz、8kHz、9.6kHz和11.8kHz情況下的弧后電流，針對不同的換向頻率，分別進行5次實驗，并求得平均值，弧后電流大小隨換向頻率變化的情況如圖9所示，換向頻率對換向時間（即引入反向電流到主電流過零點之間的時間差）以及弧后電流持續時間的影響如圖10所示。

圖9 換向頻率對弧后電流的影響

圖10 換向頻率對換向時間及弧后電流持續時間的影響

由圖9可知，弧后電流的大小隨著換向頻率的增大而增大，基本保持線性增長的趨勢。在直流開斷中，換向時間和弧后電流持續時間隨著換向頻率的增大而減小，如圖10所示，當換向頻率從6.5kHz增大到8kHz時，換向時間從18ms減少到14.2ms，減少了3.8ms；弧后電流持續時間從3.8ms減少到2.5ms，減少了1.3ms。當頻率為11.8kHz時，換向時間為8ms，相比9.6kHz時換向時間減少了3ms；弧后電流持續時間為1.5ms，相比9.6kHz時弧后電流持續時間減少了0.5ms。可以看出，隨著換向頻率的增大，換向時間逐漸減小，但頻率越高，換向時間減少的越慢，主要原因是當頻率增大到足夠大時，換向電流將趨向于方波，這時換向時間幾乎不變。

3.2 恢復電壓對弧后電流的影響

在直流開斷過程中，恢復電壓隨著換向電流支路電容預充電電壓的增大而增大，電容預充電電壓增大會使反向電流增大，因此可以用換向電流幅值來表征恢復電壓的變化。基于實驗平臺，設置換向電流幅值變化范圍為2～6kA，在開斷電流為1.5kA的情況下，得出不同頻率下換向電流幅值對弧后電流的影響如圖11～圖13所示。

圖11 換向電流幅值對弧后電流大小的影響

圖12 換向電流幅值對換向時間的影響

圖11中，頻率一定時，隨著換向電流幅值的增大，弧后電流逐漸增大，對比發現，6.5kHz/6kA時的弧后電流小于8kHz/3kA時的弧后電流；8kHz/4kA時的弧后電流小于9.6kHz/3kA和11.8kHz/2kA時的弧后電流，可以推斷出，頻率對弧后電流的影響大于恢復電壓的影響。

頻率一定時，當換向電流幅值逐漸增大，換向時間逐漸減小；當換向電流幅值由2kA增加到6kA，隨著頻率從6.5kHz增加到11.8kHz，換向時間逐漸減小，如圖12所示。在圖13中，頻率一定時，弧后電流持續時間隨著換向電流幅值的增大逐漸減小，這是因為換向電流幅值的增大是由預充電電容電壓決定的，電容電壓的增加會導致TRV增大，使得鞘層發展較快，鞘層完全發展到觸頭間隙的時間變短，弧后電流持續時間因此縮短，由第3.1節的分析，頻率的增加也會使弧后電流持續時間縮短，因此，在頻率和TRV的共同作用下，弧后電流的持續時間變化的更加明顯。

圖13 換向電流幅值對弧后電流持續時間的影響

隨著換向電容預充電電壓逐漸增大，換向電流將遠遠大于主電流。當主電流相同時，換向時間減小，d/d增大，這與增大換向頻率時的結果相同，共同作用下將導致弧后電流增大。

4 討論

為了驗證實驗結果的正確性和可靠性，并分析弧后電流大小、弧后持續時間以及電流過零點附近的d/d、d/d的變化規律，建立電流過零后的一維簡化弧后模型，如圖14所示。

圖14 一維簡化弧后模型

弧后電流的發展可分為兩個階段。當斷路器熄弧時，在電極兩端電壓作用下離子和電子發生定向運動以及電極反向，電子的速度逐漸減小，在電流過零瞬間，觸點之間呈現電中性，之后電子和離子仍向陽極運動，此時離子的運動速度大于電子，會產生一個反向的電流，即弧后電流，當電子速度減為零時，弧后電流達到最大值，即弧后電流發展的第一階段，此時弧后電流大小[24-26]為

式中，為電子區域；n為離子密度；為平均粒子電荷態；為基本電荷；v為離子向新陰極運動的速度。在其他條件不變時，真空間隙殘余等離子體的數量受換向頻率的影響，隨著換向頻率的增大，真空間隙間的剩余殘余等離子體增多，導致n增大，因此致使弧后電流增大[27]。

在電子速度為零后開始反向運動，此時在新陰極形成了一個僅有離子而無電子區域，稱為離子鞘層，因為鞘層之外仍為等離子體，間隙的壓降即E均加在鞘層兩端。此后，離子鞘層開始向新陽極生長并耐受恢復電壓TRV[28]。連續過渡模型描述的鞘層生長模型[29]為

式中，為鞘層厚度，d/d表征了鞘層的增長速度；()為鞘層開始增長后的電流，即弧后第二階段的電流；0為真空介電常數；0為離子鞘層電位；M為金屬離子質量；trv為恢復電壓。由式（6）～式（8）可知，trv影響了離子鞘層的增長速度，進而影響了弧后第二階段的電流，并且弧后第二階段的電流隨著trv的增大而增大。

在圖9中，弧后電流的大小隨著換向頻率的增大而增大，基本保持線性增長的趨勢，這與式（5）的分析結果保持一致。

在圖14中，通過分析，弧后電流持續時間主要由弧后第二階段決定。圖10中，在相同的預充電電壓下，通過改變電感值來改變換向頻率，主電流相同時，換向電流增大，預充電電容內的剩余電壓會增加，導致d/d增大；由式（6）可知，TRV的增大會導致鞘層厚度和d/d增大，鞘層增長較快。在固定電極間隙下，鞘層從弧后陰極向弧后陽極發展所需時間變短。因此，弧后電流的持續時間隨著換向頻率的增大而減小。

圖11中，頻率一定時，弧后電流逐漸增加，主要是因為預充電電壓的增大會導致TRV的增加，由式（6）可知，鞘層增長較快，d/d增大。由式（8）可知，弧后第二階段電流增大，因此，弧后電流隨著恢復電壓的增大而增大，也即隨著換向電流幅值的增大而增大。

隨著換向電容預充電電壓逐漸增大，換向電流將遠遠大于主電流。當主電流相同時，換向時間減小，d/d增大，這與增大換向頻率時的結果相同，共同作用下將導致弧后電流增大。除此之外，d/d會隨著換向電流幅值的增大而增大，當恢復電壓達到一定值時，會發生二次電子發射，導致離子密度n增大，由式（5）可知，會致使弧后電流進一步增大。

5 結論

本文基于電流轉移原理，搭建了機械式真空直流斷路器弧后電流測量裝置，研究了高壓直流開斷情況下的弧后特性，結論如下：

1）本文設計了機械式真空直流斷路器弧后電流測量裝置參數，搭建了基于強迫過零方式的機械式直流開斷實驗平臺，實驗得出，在開斷1.5kA電流時弧后電流最大值為5.2A，且弧后電流存在兩個峰值，持續時間為700ns。

2）換向頻率和恢復電壓的增加會間接或直接導致電容器內剩余電壓增加，從而使d/d和d/d增大，在兩者的綜合作用下，會使弧后電流增大，弧后持續時間減小，對比發現，頻率對弧后電流大小的影響大于恢復電壓的影響。

3）本文研究了機械式真空直流斷路器的弧后電流大小、弧后電流持續時間以及電流零點附近的d/dd/d，為真空直流斷路器的開斷性能優化提供了參考依據。

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Research on Measurement of Post-Arc Current of Mechanical Vacuum DC Circuit Breaker

1,21,21,21,21,2

（1. School of Electrical Engineering Zhengzhou University Zhengzhou 450000 China 2. Henan Power Transmission and Distribution Equipment and Electrical Insulation Engineering Research Center Zhengzhou 450000 China）

The post-arc characteristic of mechanical DC circuit breaker is an important parameter to characterize its breaking performance. In order to obtain the influence law of vacuum switch post-arc current, post-arc action time, d/dand d/dnear current zero point during DC breaking process, this paper firstly analyzed the post-arc current of mechanical vacuum DC circuit breaker based on current transfer measurement principle. Then, the parameters of the mechanical DC circuit breaker arc current measurement device were designed, and a mechanical DC breaking experiment platform based on the forced zero crossing method was built. The mechanical vacuum DC circuit breaker arc was measured under the condition that the breaking current was 1.5kA, and the influence of the commutation frequency and the recovery voltage on post-arc current was discussed. The results show that the post-arc current measuring device based on current transfer can effectively measure the post-arc current. The increase of the commutation frequency and the recovery voltage will cause the post-arc current to increase. The recovery voltage slightly lags behind the post-arc current in phase by about 100 ns, and the change influence of the directional frequency on the post-arc current is greater than that of the recovery voltage, which provides a reference for the optimization research of the circuit breaker's breaking performance.

Post-arc current, mechanical circuit breaker, DC interruption, commutation frequency, recovery voltage

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.200417

TM561

程 顯 男，1982年生，教授，博士生導師，主要從事高壓電器及高電壓新技術的研究，著重研究混合斷路器技術、多斷口真空開關技術。E-mail: chengxian@zzu.edu.cn

葛國偉 男，1987年生，博士，講師，主要從事智能化高壓電器及高電壓新技術研究，著重研究多斷口真空開關技術、真空電弧動態恢復性。E-mail: ggw@zzu.edu.cn（通信作者）

2020-04-26

2020-05-25

國家自然科學基金項目（51977195, 51777025）、河南省優秀青年科學基金項目（2020YXQN45）和河南省高校高電壓與放電學科引智基地建設項目（XCJD2021007）資助。

（編輯 崔文靜）