張利，郭泉，戴超，許宜賀

（1.海軍航空工程學(xué)院七系，山東煙臺264001；2.91515部隊(duì)，海南三亞572016）

零電壓型混合式限流裝置換流后介質(zhì)恢復(fù)過程研究

張利1，郭泉2，戴超2，許宜賀1

（1.海軍航空工程學(xué)院七系，山東煙臺264001；2.91515部隊(duì)，海南三亞572016）

通過設(shè)計(jì)的試驗(yàn)電路，研究了零電壓型混合式限流裝置換流過程中的燃弧能量及開距長度對于介質(zhì)恢復(fù)時(shí)間的影響，對臨界擊穿電壓值函數(shù)內(nèi)的參數(shù)進(jìn)行了擬合，得到了一些規(guī)律性結(jié)論。

零電壓；混合式限流；介質(zhì)恢復(fù)

零電壓型（ZVS）混合式限流裝置通常由高速開斷裝置和與之并聯(lián)的關(guān)斷吸能電路組成（如圖1所示）。其工作原理如下：正常工作時(shí)由高速開斷裝置承擔(dān)額定電流，短路發(fā)生后，高速開斷裝置在100~200μs分?jǐn)?，所產(chǎn)生的電弧電壓迫使短路電流轉(zhuǎn)移至與之并聯(lián)的關(guān)斷吸能電路，關(guān)斷吸能電路在開斷裝置介質(zhì)強(qiáng)度恢復(fù)后產(chǎn)生高于系統(tǒng)電壓的過壓，從而限制短路電流并分?jǐn)嚯娐贰?/p>

圖1 零電壓型混合式限流裝置原理圖Fig.1 Schematic diagram of ZVS hybrid current-limiter

高速開斷裝置上電流在換流結(jié)束后過零，高電導(dǎo)的電弧轉(zhuǎn)變?yōu)榈入x子體柱，等離子體柱迅速冷卻，電導(dǎo)率隨之下降至絕緣狀態(tài)，這一過程稱作介質(zhì)恢復(fù)過程。如高速開斷裝置在過壓產(chǎn)生時(shí)還未達(dá)到足夠的介質(zhì)強(qiáng)度，則會被過電壓擊穿，導(dǎo)致分?jǐn)嗍1-3]。因此，有必要對高速開斷裝置在換流結(jié)束后的介質(zhì)恢復(fù)過程進(jìn)行研究。

關(guān)于觸頭間隙在電流過零后的介質(zhì)恢復(fù)過程，已有大量學(xué)者進(jìn)行了研究[5-10]，但大多數(shù)是針對真空或SF6氣體環(huán)境，對于混合型限流裝置的主開關(guān)在換流結(jié)束后的介質(zhì)恢復(fù)過程還沒有深入的研究。文獻(xiàn)[11]提出：對于空氣中的平行短間隙而言，存在所謂的電弧時(shí)間常數(shù)，通常為200~400μs。當(dāng)電流過零后的時(shí)間大于這個(gè)時(shí)間，間隙所能承受的電壓趨近于其固有擊穿電壓值，這個(gè)值大約為3.3 kV/mm。從試驗(yàn)結(jié)果還可以看出，介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度還與換流時(shí)間長度有關(guān)，換流時(shí)間越長，介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度越低，但文中沒有對這一現(xiàn)象進(jìn)行更深入的研究。

文獻(xiàn)[12-13]分別研究了不同的滅弧室內(nèi)壁材料和滅弧室氣孔直徑對于空氣斷路器介質(zhì)恢復(fù)特性的影響，對2種擊穿機(jī)理——熱擊穿和電擊穿進(jìn)行了試驗(yàn)觀察，得到了其波形特征。利用熱擊穿理論模型對不同的滅弧室內(nèi)壁材料和滅弧室氣孔直徑下的介質(zhì)恢復(fù)特性進(jìn)行了研究，得到了對應(yīng)的等離子體時(shí)間常數(shù)和初始維持電壓值，但沒有對電流過零前的燃弧過程對介質(zhì)恢復(fù)的影響進(jìn)行研究。

本文通過設(shè)計(jì)的等效試驗(yàn)，測量不同斷口開距和燃弧能量下的介質(zhì)恢復(fù)特性數(shù)據(jù)；然后，利用理論模型對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)辨識，以得出開距和燃弧能量值與介質(zhì)恢復(fù)特性之間的關(guān)系。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)

對于電弧的熄滅和重燃存在著2種解釋[12]：熱擊穿理論和電擊穿理論。熱擊穿理論認(rèn)為：電弧的熄滅或者重燃取決于弧隙中的能量平衡；當(dāng)電流過零電弧暫時(shí)熄滅時(shí)，弧隙溫度較高，熱游離還未停止，弧隙還是一個(gè)具有一定電導(dǎo)的導(dǎo)電通道，尚未恢復(fù)為真正介質(zhì)，因而在恢復(fù)電壓作用下出現(xiàn)弧后電流，電源繼續(xù)向弧隙輸入能量；當(dāng)弧隙產(chǎn)生的熱能大于散出的熱能時(shí)，弧隙就會因熱擊穿而使電弧重燃。電擊穿理論認(rèn)為：電弧過零后，弧隙已是介質(zhì)，不存在電導(dǎo)，電弧的重燃是加在弧隙上的電場作用下形成電子崩的結(jié)果。熱擊穿通常發(fā)生在電流過零后不久，而電擊穿通常發(fā)生在電流過零后較長時(shí)間之后。因此，本文采用熱擊穿理論對高速開斷器的介質(zhì)恢復(fù)過程進(jìn)行分析。

對于熱擊穿而言[12]，臨界擊穿電壓值Vbd與等離子體溫度Tplasma成反比，即：

等離子體柱可近似為圓柱形，柱體溫度隨時(shí)間呈指數(shù)形式衰減。因此，tbd時(shí)刻的臨界擊穿電壓值Vbd可表示為電流過零時(shí)的維持電壓值V0和等離子體時(shí)間常數(shù)τ的函數(shù)：

如果能夠通過試驗(yàn)獲得不同開距和燃弧能量下的介質(zhì)恢復(fù)數(shù)據(jù)，再利用式（2）對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)辨識，就可以得V0和τ隨開距和燃弧能量的變化規(guī)律。

2 介質(zhì)恢復(fù)試驗(yàn)

介質(zhì)恢復(fù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)電路如圖2所示，包括3個(gè)部分：大電流發(fā)生裝置、換流與關(guān)斷裝置以及試品。大電流發(fā)生裝置用于給試品提供模擬的短路電流，采用大容量脈沖電容器組C1作為電源，試驗(yàn)前預(yù)充一定電壓；F1為放電控制晶閘管，由其控制回路導(dǎo)通放電；R1和L1為外接空心電感以及線路中的電阻和電感，其中空心電感的電感值可根據(jù)試驗(yàn)要求進(jìn)行調(diào)整，以獲得不同周期的電流波形；D1為續(xù)流二極管。

圖2 介質(zhì)恢復(fù)試驗(yàn)電路Fig.2 Test circuit of dielectric recovery

換流與關(guān)斷裝置的功能分為2部分：晶閘管F2構(gòu)成第1部分即換流回路。當(dāng)試品在大電流下分?jǐn)喈a(chǎn)生電弧時(shí)導(dǎo)通F2，電流在弧壓作用下開始轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)移完畢后試品中電弧熄滅，控制F2的開通時(shí)刻與試品起弧時(shí)刻之差可以改變?nèi)蓟r(shí)間的長短和燃弧能量的大?。籆2、L2和F3構(gòu)成第2部分，即關(guān)斷回路。R2和C3為阻容吸收回路，用于保護(hù)F3。C2上預(yù)充一定電壓，當(dāng)電流轉(zhuǎn)移至換流支路F2上后，控制F3導(dǎo)通，C2向 F2施加一個(gè)峰值大于主回路電流的反向電流，當(dāng)反向電流值超過主回路電流一定時(shí)間后F2關(guān)斷，此時(shí)在F2的2端會產(chǎn)生一個(gè)過電壓，電壓值由C2上電壓和線路參數(shù)決定。利用該電壓可以檢測試品間隙的介質(zhì)強(qiáng)度恢復(fù)情況。通過調(diào)整F3導(dǎo)通時(shí)刻可以改變過電壓施加的時(shí)間。

試品包括銅端子和銀帶，銅端子之間的間隙用于模擬高速開斷器的開距，調(diào)整間隙寬度可以模擬不同開距下的介質(zhì)恢復(fù)過程。銀帶跨接在銅端子之間，當(dāng)大電流發(fā)生裝置對試品施加電流時(shí)，銀帶會熔斷產(chǎn)生電弧，由此來模擬高速開斷器在換流過程中的燃弧。由于銀帶的截面為固定值，因而起弧時(shí)刻是固定的，從而可以和換流支路進(jìn)行配合。

試驗(yàn)中，晶閘管F1、F2和F3采用同一塊控制電路板進(jìn)行觸發(fā)，試驗(yàn)電流波形及晶閘管觸發(fā)脈沖時(shí)序如圖3所示。t1時(shí)刻導(dǎo)通晶閘管F1，大電流發(fā)生裝置放電，試品上電流為i1；t2時(shí)刻給晶閘管F2觸發(fā)信號，直到t3時(shí)刻試品銀帶熔斷起弧，電流開始向F2轉(zhuǎn)移；t4時(shí)刻換流完畢，F(xiàn)2支路電流為i2；t5時(shí)刻導(dǎo)通晶閘管F3，F(xiàn)2支路電流開始下降；t6時(shí)刻F2上電流過零，晶閘管關(guān)斷并產(chǎn)生過電壓。需要說明的是，如果在銀帶熔斷之前給F2觸發(fā)信號，那么銀帶起弧后電流直接轉(zhuǎn)移至F2支路，燃弧時(shí)間最短。如果觸發(fā)信號在起弧之后給出，則燃弧時(shí)間要等于觸發(fā)信號延時(shí)加上其固有的換流時(shí)間。

圖3 晶閘管觸發(fā)時(shí)序及仿真試驗(yàn)波形Fig.3 Triggering sequence of SCR and waveforms

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

圖4是為2組典型的試驗(yàn)波形，其中：圖4 a）為關(guān)斷成功波形，換流結(jié)束后介質(zhì)恢復(fù)時(shí)間為1.1 ms，關(guān)斷時(shí)過電壓為1.62 kV，試品未擊穿；圖4 b）為關(guān)斷失敗波形，換流結(jié)束后介質(zhì)恢復(fù)時(shí)間約為100μs，試品被擊穿，擊穿電壓為140 V。圖5為不同開距和燃弧能量下的介質(zhì)恢復(fù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)及擬合曲線。

所得出的對應(yīng)不同開距和燃弧能量下的V0和τ值如表1所示。

表1 不同開距和燃弧能量下的V0和τ值Tab.1V0andτin different gap and qarc

從表1中可以總結(jié)出如下規(guī)律。

1）在相同的燃弧能量下，τ值基本一致，而V0與開距大小成正比，可由下式求得：

V0=kd。（3）

式（3）中：k為30 V/mm；d為開距，單位為mm。

2）在相同的開距下，V0值不變，τ值隨燃弧能量的增大而增大，τ的取值大致為燃弧能量值的10倍。

由此，可以得出臨界擊穿電壓值Vbd與開距和燃弧能量的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算表達(dá)式如下：

從式（4）可以看出，高速開斷裝置在換流結(jié)束后的某一時(shí)刻的介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度隨著開距的增大而增大，而隨著燃弧能量的增大而減小。

4 結(jié)論

本文為獲得零電壓型混合式限流裝置在不同開距和燃弧能量下高速開斷器斷口的介質(zhì)恢復(fù)特性，設(shè)計(jì)了模擬試驗(yàn)電路進(jìn)行研究，通過對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合得出如下結(jié)論：

1）在相同的燃弧能量下，τ值基本一致，而V0與開距大小成正比，可由式V0=kd求得。

2）在相同的開距下，V0值不變，τ值隨燃弧能量的增大而增大，τ值大致為燃弧能量值的10倍。

3）在零電壓型混合式限流裝置的設(shè)計(jì)中，根據(jù)高速開斷器的機(jī)械特性可以得到換流結(jié)束后開距和時(shí)間的關(guān)系，根據(jù)換流支路的電氣參數(shù)和線路電流值可以計(jì)算出換流過程的燃弧能量，從而由式（4）可以校驗(yàn)裝置是否能夠可靠關(guān)斷。

[1]廖敏夫，段雄英，鄒積巖.單斷口和三斷口串聯(lián)真空滅弧室絕緣擊穿統(tǒng)計(jì)特性[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2007，27（12）：97-102．LIAO MINFU，DUAN XIONGYING，ZOU JIYAN.Dielectric strength and statistical property of single and triple breaks vacuum interrupters in series[J].Proceedings of the CSEE，2007，27（12）：97-102.（in Chinese）

[2]何俊佳，鄒積巖，張漢明，等.真空滅弧室沖擊電壓作用下的擊穿統(tǒng)計(jì)特性研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，1996，16（5）：312-317．HE JUNJIA，ZOU JIYAN，ZHANG HANMING，et al. Statistical property of electric breakdown in vacuum interrupters under impulse stress[J].Proceedings of the CSEE，1996，16（5）：312-317.（in Chinese）

[3]SCHADE E，DULLNI E.The characteristic features of recovery of the breakdown strength of vacuum switching devices after interruption of high currents[C]//XIXth International Symposium on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum.Xi'an，China：IEEE，2000：367-374．

[4]NIWA Y，F(xiàn)UNAHASHI T，YOKOKURA K，et al.Basic investigation of a high-speed vacuum circuit breaker and its vacuum arc characteristics[J].IEEE Proceedings Generation，Transmission and Distribution，2006，1（153）：11-15．

[5]RICH J，F(xiàn)ARRALL G.Vacuum arc recovery phenomena [J].Proceedings of the IEEE，1964，11（52）：1293-1301．

[6]曹云東.高壓SF6斷路器介質(zhì)恢復(fù)特性的計(jì)算與分析[D].沈陽：沈陽工業(yè)大學(xué)，2001：7-15．CAO YUNDONG.Calculation and analysis of dielectric recovery property of SF6 circuit breaker[D].Shenyang：Shenyang University of Technology，2001：7-15.（in Chinese）

[7]SLADE P G，VOSHALL R E，WAYLAND P O，et al. The development of a vacuum interrupter retrofit for the upgrading and life ex-tension of 121 kV～145 kV oil circuit breakers[J].IEEE Transactions on Power Delivery，1991，6（3）：1124-1130.

[8]ZHANG JUNMIN，XU GUOZHENG.Simulation of small capacity ivecurrent interruption in an SF6 auto-expansion circuit breaker[C]//Proceedings of 14th International Conference on Gas Discharges&Their Applications.2002：59-62.

[9]關(guān)盛楠，王爾智，劉海峰，等.噴口型面及尺寸對SF6高壓斷路器介質(zhì)強(qiáng)度恢復(fù)特性的影響[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2008，28（3）：6-11. GUAN SHENGNAN，WANG ERZHI，LIU HAIFENG，et al.The influence on dielectric strength recovery property in SF6 circuit breaker by altering the dimension and profile of the nozzle in arc quenching chamber[J].Proceedings of the CSEE，2008，28（3）：6-11.（in Chinese）

[10]楊涌，王其平.SF6斷路器噴口電弧熄滅過程的數(shù)值模擬[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2000，20（5）：9-13. YANG YONG，WANG QIPING.Computer aided numerical analysis of arcing process in SF6 circuit breaker nozzle[J].Proceedings of the CSEE，2000，20（5）：9-13.（in Chinese）

[11]MORI T，WADA Y，MIYAMOTO TOSHIO，et al.Limit of commutation of DC high current from main to parallel circuit[J].IEEE Transations on Components，Hybrids，and Manufacturing Technology，1978，29（1）：69-74.

[12]JOHN J SHEA.Dielectric recovery characteristics of a high current arcing gap[J].IEEE Transations on Components and Packaging Technologies，002，25（3）：402-408.

[13]JOHN J SHEA.The influence of arc chamber wall material on arc gap dielectric recovery voltage[J].IEEE Transations on Components and Packaging Technologies，2001，24（3）：342-348.

Research on the Dielectric Recovery
ooff ZVS Hybrid Current-Limiting Device After Commutation

ZHANG Li1,GUO Quan2,DAI Chao2,XU Yi-he1
（1.No.7 Department,NAAU,Yantai Shangdong 264001,China; 2.The 91515thUnit of PLA,Sanya Hainan 572016,China）

The relationship between the arcing energy,the open distance and the dielectric recovery characteristics was researched by the equivalent experiment.The critical breakdown voltage value function parameters were fitted and some regularity conclusion was obtained on the dielectric recovery of ZVS hybrid current-limiting device.

ZVS;hybrid current-limiting;dielectric recovery

TM862

A

1673-1522（2014）01-0072-05

10.7682/j.issn.1673-1522.2014.01.016

2013-08-20；

2013-12-15

張利（1963-），男，副教授，碩士。