横磁作用下直流真空开断中触头侧部燃弧空间的影响规律研究.pdf

VACUUM ELECTRONICS真空开关技术专辑真空电子技术横磁作用下直流真空开断中触头侧部燃弧空间的影响规律研究马慧，刘志远，耿英三，陈金龙，张元兵，于琛（西安交通大学，陕西西安7 10 0 49）摘要：随着直流电网的不断发展，对直流开断技术的要求进一步提高。相较于传统的气体电弧直流开断，真空电弧直流开断具有电寿命高、燃弧空间封闭、介质恢复速度快等特点，但是传统真空电弧电压低，需要通过横向磁场的作用，提升电弧电压完成直流真空电弧的开断。本文通过实验研究了横向磁场作用下不同触头侧部燃弧空间（即触头侧部边缘与真空灭弧室屏蔽罩之间的空间)与开断电流时的开断特性，获得了触头侧部燃弧空间宽度1141mm范围内对直流真空开断特性的影响规律。关键词：横向磁场；真空灭弧室；真空电弧；低压直流开断中图分类号：TM561doi:10.16540/11-2485/tn,2023.05.03Influence of Arcing Space at Contact Side on DC VacuumInterruption Characteristics under Transverse Magnetic Field文献标识码：A文章编号：10 0 2-8 935(2 0 2 3)0 5-0 0 19-0 6MA Hui,LIU Zhi-yuan,GENG Ying-san,CHEN Jin-long,ZHANG Yuan-bing,YU Chen(Xian Jiaotong University,Xian 710049,China)Abstract:With the development of DC power grid,the requirements for DC circuit breaker technologyare further enhanced.Compared with traditional DC switches in gas,vacuum arc DC switch has the char-acteristics of long electrical life,closed combustion arc space,and fast medium-recovery speed.However,the vacuum arc voltage is low,so it is necessary to increase the arc voltage by employing transverse mag-netic field(TMF).The breaking characteristics with different arcing space at contact side(space betweencontact edge and interrupter shield)and different interrupting current under TMF are studied experimen-tally,and the influence law of arcing space width ranging from 1l to 41 mm on DC vacuum interruptingcharacteristics is obtained.Keywords:Transverse magnetic field,Vacuum interrupter,Vacuum arc,Low voltage DC interruption随着直流电网的不断发展，直流开关电器作为系统运行和保护的关键设备有着越来越广泛的应用。直流断路器根据其拓扑结构和开断原理主要可分为固态式直流断路器、机械式直流断路器和混合式直流断路器1。真空开关凭借其低通流损耗、优异的介质恢复能力，在机械式直流断路器方案和混合式直流断路器方案中被大量作为主断口开关或者通流开关使用2-3。与交流系统中的真空开断不同,直流系统中不基金项目：国家重点研发计划资助项目（2 0 2 2 YFB2403700）存在电流的自然零点，直流开断方案对于真空开关的需求就发生了本质的变化。在机械式直流开断方案中，主要通过反向放电支路提供电流或者通过自激振荡支路使得主回路电流振荡产生人工过零点。对于真空开关的需求主要是电流人工过零后的真空触头间隙绝缘强度的快速恢复。在混合式直流开断方案中，复杂的拓扑结构设计用来实现电流向并联支路的快速转移。对于真空开关的需求主要是提升真空电弧电压使得所在回路电流实现向并联支路的2023-0519真空电子技术VACUUM ELECTRONICS快速转移4近年来，国内外学者对于横向磁场作用下真空电弧的燃弧特性开展了大量的研究。Dullni等8 对横向磁场作用下真空电弧运动特性进行了系统的分析研究。Kimblin等9-10 1研究了扩散态模式真空弧在外施横向磁场条件下的燃弧特性。黄瑜珑等1-13 研究获得了混合式直流断路器中真空电弧电流转移特性及其绝缘恢复特性。庄劲武等14-15针对舰船直流配电系统的特殊需求，提出了新型混合直流真空断路器，并研究获得了真空开关向支路进行大电流转移的可靠性。Alferov等16-17 通过外施横向磁场条件下直流真空电弧的研究，获得了直流真空电弧的演变过程，以及直流电流成功开断的条件及其影响因素。Kaneko 等18-19 研究了外施单极横磁作用下直流真空电弧特性，获得了直流成功开断所需横向磁场强度与电极间隙以及电弧电流之间的简单关系。刘志远和马慧等2 0-2 1基于外施旋转横向磁场研究了真空电弧的低压直流开断，发现触头侧部燃弧空间对横磁作用下的真空直流开断具有较大影响，但是其影响规律国内外目前还没有相关研究。高速摄像机霍尔传感器主回路电流综上，本文针对横向磁场作用下触头侧部燃弧空间对直流真空开断特性的影响进行了实验研究。触头侧部燃弧空间定义为触头侧部边缘距离真空灭弧室中央屏蔽罩内壁的直线距离。实验中触头侧部燃弧空间的变化范围为1141.mm,经过研究确定触头侧部燃弧空间变化对真空直流开断中的电弧电压、开断模式及开断时间的影响规律。1横向磁场作用下的直流真空开断实验系统1.1直直流开断实验回路图1展示了横向磁场作用下的直流真空开断实验回路。实验主回路为R-L-C回路，其中C。=10 0mF,L。=0.10 1 m H,R。=1 2,最高可输出 110 0 V/1100A衰减的直流电流。横向磁场由平行共轴且匝数相同的亥姆霍兹线圈产生。如图1中所示，线圈对称布置在真空灭弧室两侧，在满开距情况下，触头开距中心平面与线圈的轴线重合，在触头之间形成近似均匀的横向磁场。线圈内径为6 0 mm，外径为16 0 mm，线圈匝数为200匝。线圈由电容单独供电，与线圈串联后产生160Hz振荡横向磁场，磁场峰值为2 36 mT。SWR系统电压电弧电压励磁线圈横向磁场可拆真空灭弧室静触头动触头操动机构图1横磁直流真空开断实验回路示意图图2 展示了横向磁场作用下真空直流开断的控主合闸开关SW动作制时序。首先主回路电容预先充电，真空灭弧室保持合闸状态。在合闸信号发出10 ms后主合闸开(SW)关动作，主回路电流开始导通。在2 0 ms后，试验开关机构动作，真空灭弧室触头分闸，产生真空电弧。机构的分闸速度为1 m/s,在8 ms后真空灭弧室达到满开距，此时晶体管（IGBT)导通，横向磁场投入。202023-05合闸信号110ms!111111机构动作20 ms1111图2 实验时序示意图磁场投人/8msVACUUM ELECTRONICS1.2实验试品实验中采用真空灭弧室进行直流开断实验，触头为平板结构，触头直径为18 mm，触头材料为Cu-Cr50。如图3(a)所示，触头边缘与真空灭弧室屏蔽罩之间的空间定义为触头侧部燃弧空间,将触头边缘与灭弧室屏蔽罩之间的距离定义为触头侧部燃弧空间的宽度。实验中触头侧部燃弧空间宽度设置为4档,分别为11、2 1、31、41mm，所对应的真空灭弧室内径分别为6 0、8 0、10 0、12 0 mm，实验过程中触头开距均选取为8 mm。屏蔽罩导杆触头侧部燃弧空间一瓷壳(a)触头侧部燃弧空间示意图图3实验真空灭弧室试品图3.0U12.5B2.01.00.50触头分离磁场投人-0.5-8-6-4-20246t/ms(a)直流真空开断全过程波形图4触头侧部燃弧空间宽度11mm外施峰值2 36 mT横向磁场开断6 8 0 V/680A真空电弧波形0.14ms之后电弧电压产生了剧烈振荡,在0.45ms时电压达到3kV以上，电流减小直至过零，整个电压振荡失稳阶段持续0.46 ms。在0.6 ms时刻，直流真空电弧完成开断，对应的瞬时横向磁场强度为120 mT。图5为触头侧部燃弧空间宽度41mm条件下直流真空电弧的开断波形。如图5（a)所示，真空电弧燃弧8.37 ms之后，开始施加横向磁场，经过0.40ms真空直流开断成功。图5(b)为磁场投人后到电流开断过程的细节波形。在横向磁场投入前真空电子技术2实验结果及讨论2.1触头侧部燃弧空间对横磁作用下的直流真空开断特性的影响本节对比了触头侧部燃弧空间宽度增加对于真空直流开断特性的影响。实验中外施横向磁场峰值为2 36 mT，开断时刻直流电压和电流值是6 8 0 V/680A。图4为触头侧部燃弧空间宽度为11mm条件下直流真空电弧的开断波形。如图4(a)所示，在真空电弧燃弧8.0 5ms之后，横向磁场开始施加，电弧电压出现剧烈振荡，振幅峰值为3kV,磁场投人0.60 ms之后，电弧电流降低为零，真空直流开断成功。图4(b)为磁场投人后电流开断过程的细节波形。在横向磁场投人前期电弧稳定燃烧，电弧电压缓慢稳定地从2 2 V近似线性地上升到47 V，之后电弧电压迅速上升并产生振荡进入失稳阶段。失稳阶段判别特征是电弧电压剧烈振荡，电压幅值大幅(b)实物图上升，受到电弧电压的影响电流产生波动和衰减，以此判断直流电弧进入失稳阶段。如图4（b)所示，3.0300236mT2.52.01.5VX/I01.0680V0.50.60ms电流开断8.05ms3.02002.52.01001.5AVn1.0-1000.5-2000-0.5-300U1B稳定阶段0:0.14ms:-0.5-0.10.19ms电弧稳定燃烧，电弧电压从2 3上升到45V。从0.19ms开始，电弧电压迅速上升并产生振荡进人失稳阶段，电弧电压最大振荡电压可达3kV,电弧电流迅速减小过零，整个失稳阶段持续时间为0.2 1 ms。在0.4ms时刻,直流真空电弧完成开断,对应的瞬时横向磁场强度为 9 0 mT。图6 为外施横向磁场峰值为2 36 mT条件下开断6 8 0 V/680A真空电弧时触头侧部燃弧空间宽度与开断时间的关系。如图6 所示，触头侧部燃弧空间宽度从11增加到41mm时，开断时间总体呈2023-05213.02.52.01.5VX/IL01.0-1000.5失稳阶联00.46ms-0.500.10.2 0.30.40.50.60.7t/ms(b)磁场投人后开断时刻波形300200100Lu/-200-300真空电子技术VACUUM ELECTRONICS现减小趋势。对于开断过程的两个阶段，稳定阶段燃弧时间主要分布在0.10.2 ms范围内。失稳阶段的燃弧时间主要呈现减小趋势，触头侧部燃弧空3.07300U236.mT2.5B2.01.51.00.50融头分离磁场投网-0.5-8-6-4-20246t/ms(a)直流真空开断全过程波形图5触头侧部燃弧空间宽度41mm外施峰值2 36 mT横向磁场开断6 8 0 V/680A真空电弧波形1.00.8H0.6Suu/10.40.20112.2触头侧部燃弧空间对真空直流开断电弧电流的影响本节研究了触头侧部燃弧空间对真空直流开断电弧电流的影响规律。实验中外施横向磁场峰值为236mT,触头侧部燃弧空间宽度从11增加为41mm，实验电流从40 0 V/400A逐渐增加到110 0 V/1100A。图7 展示了在外施横向磁场峰值为2 36 mT条件下，触头侧部燃弧空间宽度对真空直流开断电流的影响。当真空灭弧室的触头侧部燃弧空间宽度为11和2 1mm时，开断成功的极限直流电流为6 8 0V/680A。当宽度增加到31和41mm时，开断成功的极限直流电流增加为90 0 V/900A。图8 展示在外施横向磁场峰值2 36 mT条件222023-05间宽度为11和2 1 mm时,失稳阶段燃弧时间为0.5ms左右。当空间宽度增加为31和41mm时,失稳阶段燃弧时间减小为0.3ms左右。73.03.02.52002.01001.5VV/I1.0680V0.50.40 ms电流开断8.37 ms21w/mm(a)总开断过程持续时间图6 触头侧部燃弧空间宽度对开断时间影响3.0U12.5B2.001.0-1000.5-2000工-0.5313002.52002.01001.5VX/I01.0-1000.5-2000稳定阶段0.19ms-300-0.5-0.10.80.70.60.5工0.30.20.1041120011001000900800700600500400300图7不同触头侧部燃弧空间宽度和不同电流条件下开断结果天稳阶段00.21ms-0.5一00.1t/ms(b)磁场投人后开断波形一稳定阶段一失稳阶段，1121w/mm(b)稳定阶段和失稳阶段持续时间O开断成功开断失败XXXXXXXXOO11-3000.20.33121w/mm0.4310.54141VACUUM ELECTRONICS下，触头侧部燃弧空间宽度和开断电流对真空直流400A和48 0 V/480A条件下，触头侧部燃弧空间开断时间的影响规律。图8（a)为触头侧部燃弧空宽度11mm的开断时间最短，当开断电流大于58 0间宽度和电流对开断总时间的影响。首先，开断时V/580A条件下，触头侧部燃弧空间宽度31mm的间随着开断电流的增加而显著增加,在40 0 V/400开断时间最短。图8(b)展示了开断电流对真空直A条件下开断时间范围为0.0 8 0.32 ms，在6 8 0流开断中稳定阶段和失稳阶段持续时间的影响规V/680A条件下开断时间范围为0.31 0.7 9ms。律。在不同触头侧部燃弧空间宽度和不同开断电流其次，触头侧部燃弧空间宽度的增加总体上有助于下，稳定阶段燃弧时间主要分布在0.10.2 ms范真空直流开断时间的减小，当开断电流为40 0 V/围内。0.811 mm1.0-11 mm一2 1 mm-31 mm0.8F-V-41 mm0.6su/10.40.20研究表明，燃弧空间对开断时间的影响主要是由于失稳阶段的持续时间随着燃弧空间的增加而减少，而稳定阶段的持续时间没有明显的变化。其原因是随着触头侧部燃弧空间宽度的增大，真空电弧等离子体的扩散空间增加，等离子密度衰减速度加快，更加有利于直流真空电弧的开断，所以失稳阶段的持续时间减少。此外，燃弧空间的增加对于稳定阶段的触头间隙的真空电弧影响较小，所以稳定阶段的持续时间变化不大。本文的实验结果表明在真空直流开断过程中，横向磁场施加后根据电弧电压的振荡特性和幅值可以划分为稳定阶段和失稳阶段。稳定阶段持续时间为0.10.2 ms，电弧电压平稳变化，幅值为2 0 50V;失稳阶段持续时间为0.10.8 ms，电弧电压剧烈振荡，幅值可以达到3kV。此外，触头侧部燃弧空间宽度11和2 1mm的变化趋势与触头侧部燃弧空间宽度31和41mm的变化趋势相同。在触头侧部燃弧空间宽度增大到可以满足开断需求以后，继续增大触头侧部燃弧空间宽度对于开断时间没有积极的影响，因此在真空直流开断中，真空灭弧室燃弧真空电子技术21 mm31 mm0.70.60.5suu/10.40.30.2土0.10400500(a)开断电流对开断总时间的影响图8 不同触头侧部燃弧空间宽度下开断电流对开断时间的影响41 mmT+稳定阶段一失稳阶段600700/A800900I/A(b)开断电流对两个阶段持续时间的影响空间无需无限制地增大，选用可以满足该条件下的能够稳定开断的最小尺寸灭弧室即可。但是如果需要增大开断电压和电流，那么增大真空灭弧室触头侧部燃弧空间可以有效减小开断时间，提升真空灭弧室的开断能力。3结论本文通过实验获得横向磁场作用下不同触头侧部燃弧空间和开断电流条件下的真空直流开断特性及其影响规律。本文结论如下：(1)在真空直流开断过程中，横向磁场施加后根据电弧电压的振荡特性和幅值可以划分为稳定阶段和失稳阶段。稳定阶段持续时间为0.10.2 ms，电弧电压平稳变化，幅值为2 0 50 V，失稳阶段持续时间为0.10.8 ms，电弧电压剧烈振荡，幅值可以达到 3 kV。(2)研究获得了触头侧部燃弧空间对直流真空开断的影响。在开断直流6 8 0 V/680A条件下，触头侧部燃弧空间宽度从11增加到41mm时，开断时间总体呈现减小趋势。对于开断过程的两个阶段，稳定阶段燃弧时间主要分布在0.10.2 ms范2023-0523真空电子技术VACUUM ELECTRONICS围内，失稳阶段的燃弧时间随着触头侧部燃弧空间的增加从0.5减小为0.3ms。(3)研究获得了在横向磁场为2 36 mT条件下，触头侧部燃弧空间宽度的增加可以增加真空直流开断电流。当真空灭弧室的触头侧部燃弧空间宽度从11增加到41mm时，开断成功的极限直流电流从680V/680A增加为9 0 0 V/900A。参考文献1余占清，曾嵘，屈鲁，等混合式直流断路器的发展现状及展望J.高电压技术，2 0 2 0，46（0 8）：2 6 17-2 6 2 6.2吴翊，荣命哲，钟建英，等中高压直流开断技术J.高电压技术，2 0 18，44（0 2）：337-346.3廖敏夫，黄金强，葛国伟，等，国内外混合式断路器发展与研究现状JI.高电压技术，2 0 16，42（0 6）：16 8 8-16 94.4贾申利，史宗谦，王立军，真空断路器用于直流开断研究综述J.高压电器，2 0 17，53（0 3）：12-16.5 Shi Z Q,Zhang Y K,Jia S L,et al.Design and Numeri-cal Investigation of A HVDC Vacuum Switch Based onArtificial 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年进人西安交通大学博士后工作站工作，副教授，研究方向主要为大电流真空开断技术和高压真空绝缘领域，E-mail：。