真空開關動態(tài)介質(zhì)恢復性研究

梁俊飛

摘要真空開關在電力系統(tǒng)中起著頗為重要的作用。通過使用真空作為主觸頭的絕緣介質(zhì)和滅弧介質(zhì)來工作。正是由于其重要作用，文章分析了雙斷口真空開關的動態(tài)介質(zhì)恢復過程，并在此基礎上對真空開關的擊穿統(tǒng)計特性進行了分析。結論表明，只有當電場的場強達到一定值時，才能使得微粒獲得足夠的動能，激發(fā)出來的金屬蒸汽擊穿真空間隙。

關鍵詞真空開關；動態(tài)介質(zhì)；恢復性；擊穿

中圖分類號：TM56 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）11-0044-01

真空開關在電力系統(tǒng)中起著重要作用。真空開關利用真空作為主觸頭間的絕緣物質(zhì)和滅弧機制從而發(fā)揮其特殊作用。而正是由于真空具有極為優(yōu)異的絕緣能力和滅弧能力等優(yōu)點，因而在真空開關在配電領域得到了極為廣泛的應用。至今為止，許多國家爭相研究多斷口真空開關，以促進本國電力事業(yè)的發(fā)展。本鑒于此，文以雙斷口真空開關的動態(tài)介質(zhì)恢復過程為研究出發(fā)點，推導出多斷口開關的最大可能增長倍數(shù)。并在此基礎上，研究了真空開關的擊穿統(tǒng)計特性，具有一定的參考價值。

1真空開關的動態(tài)介質(zhì)恢復過程

1.1 雙斷口真空開關的模型建立

雙斷口真空開關試驗回路中電流值取25 kA，電流源恢復電壓峰值為100 kV。對于該回路而言，一旦將該回路的恢復電壓加上之后，會使得其真空間隙兩端的恢復電壓變化率非常高，這樣直接導致的后果可能是兩個真空滅弧室的電壓分配受到間隙的電容影響甚大。為了更清楚的對其物理性能進行分析，需要對該回路進行化簡，從而最終得到其電路等效圖。

根據(jù)等效電路圖可以得到雙斷口真空開關的電壓分配關系式如下。

（1）

（2）

1.2 雙斷口真空開關的動態(tài)介質(zhì)恢復過程

電力系統(tǒng)受到真空開關的影像很大。而真空開關又分為雙端口真空開關和單斷口真空開關兩種。在實踐過程中，由多年以來的經(jīng)驗可以發(fā)現(xiàn)，前者的動態(tài)介質(zhì)恢復過程與簡單的后者的動態(tài)介質(zhì)恢復過程有所不同。當雙斷口真空開關在工作時，由于具有其上下兩個真空滅弧室，而滅弧室的分壓不均會導致所受恢復電壓較高的滅弧室易先發(fā)生擊穿現(xiàn)象。而電壓分布不均則是由于受到對地電容的影響。而在此時為了保證整個雙斷口開關并不會因為一個滅弧室發(fā)生事故而導致開端的失敗，就需要恢復電壓的峰值和上升速度低于某一極限值。這也是本文研究的目的所在。由于在這個開斷過程中存在另外一個真空滅弧室的介質(zhì)強度問題。由此，如果其中的一個滅弧室發(fā)生了電弧重擊穿的問題，那么另外一個滅弧室將不能承受全部的恢復電壓。真空電弧在電流過零熄滅后，剩余的等離子體在恢復電壓的作用下繼續(xù)運動。正離子朝著新陰極運動，而電子則朝著正陽極運動。最終形成正離子層，這個層區(qū)隨著時間發(fā)展而漸漸變寬，直至充滿整個間隙。研究實測固有恢復與實際恢復特性的曲線可以發(fā)現(xiàn)，其最終恢復特性曲線趨于一個常量值。

1.3 雙斷口弧后介質(zhì)恢復過程

當真空電弧熄滅以后，由于突然的降溫會導致弧隙間還存有大量的金屬蒸汽和帶電粒子，甚至還會有金屬殘留液滴。我們知道，恢復過程中真空間隙同恢復結束后的真空間隙的最大區(qū)別地方就在于殘余物的存在。因此，此時最為關鍵的就是對于殘余物的處理。也就是說，如何才能夠識別金屬殘留的擴散過程將是研究恢復過程面臨的重要問題。由于真空開關的弧后實際介質(zhì)的強度恢復過程中有眾多因素需要考慮。為了能夠更加準確的考慮各個時間段內(nèi)介質(zhì)恢復因素的影響，本文將其分成三個作用階段。即以介質(zhì)恢復和暫態(tài)恢復電壓相互作用為主的恢復前期階段；以金屬蒸汽密度為主導的恢復中期階段；真空間隙達到全恢復靜態(tài)耐壓特性的后期階段。針對三個不同階段，采取不同的措施來對雙斷口弧后介質(zhì)進行恢復。

2真空開關的擊穿統(tǒng)計特性分析

我們知道，真空開關間隙的絕緣擊穿過程發(fā)生的原因多種多樣，不能以一個單一的因素作為判斷標準。例如，在擊穿過程中，很可能由于電機表面存在有場發(fā)射粒子或者在電機附近有松散粘附現(xiàn)象出現(xiàn)。而在真空開關的擊穿過程中，其擊穿的引發(fā)因素主要來源于電極。對于雙斷口真空開關而言，它的兩個斷口都存在服從一定分布特點的擊穿弱點。為此，可以針對其建立擊穿電壓最大可能增長倍數(shù)以及擊穿統(tǒng)計分布模型。而真空開關的性能也和觸頭的材料密切相關。為了能夠有效提高真空開關的開斷能力，通常會將高熔點的材料鉭加入其中。

雙斷口真空開關設計思想采用小間隙的高真空絕緣特性，其真空開關的電壓與間隙距離的關系如式（3）所示。

（3）

而單斷口真空開關擊穿電壓和電極距離的關系為：

（4）

將式（3）和式（4）做除法運算可以獲得雙斷口真空開關擊穿電壓的最大可能增長倍數(shù)K2：

（5）

通過分析可知，雙斷口真空開關的擊穿的統(tǒng)計概率都要比單斷口擊穿統(tǒng)計概率小，與其串并聯(lián)的多少無關。而通過仿真和實驗可以得出結論：由于雙斷口開關真空滅弧斷口的恢復電壓不同，導致滅弧后的電荷鞘層的發(fā)展不同，從而影響了各自實際的介質(zhì)恢復特性。

3結論

綜上所述，雙斷口真空開關的動態(tài)介質(zhì)恢復特性對電力系統(tǒng)有著重要影響。為了使得整個雙斷口開關不會因為一個滅弧室發(fā)生重擊穿而導致開斷失敗，就需要想方設法使得恢復電壓的峰值和上升速度低于某一極限值。為此，在分析雙斷口真空開關的動態(tài)介質(zhì)恢復過程的基礎上，又對真空開關的擊穿統(tǒng)計特性進行了分析，具有一定的實用意義。

參考文獻

[1]程顯，廖敏夫，段雄英，等.雙斷口真空開關瞬態(tài)恢復電壓分布特性的仿真與實驗研究[J].中國電機工程學報，2012（01）.

[2]江壯賢，莊勁武，王晨，等.新型強迫換流型限流斷路器真空介質(zhì)強度的恢復特性[J].中國電機工程學報，2012（05）.

endprint

摘要真空開關在電力系統(tǒng)中起著頗為重要的作用。通過使用真空作為主觸頭的絕緣介質(zhì)和滅弧介質(zhì)來工作。正是由于其重要作用，文章分析了雙斷口真空開關的動態(tài)介質(zhì)恢復過程，并在此基礎上對真空開關的擊穿統(tǒng)計特性進行了分析。結論表明，只有當電場的場強達到一定值時，才能使得微粒獲得足夠的動能，激發(fā)出來的金屬蒸汽擊穿真空間隙。

關鍵詞真空開關；動態(tài)介質(zhì)；恢復性；擊穿

中圖分類號：TM56 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）11-0044-01

真空開關在電力系統(tǒng)中起著重要作用。真空開關利用真空作為主觸頭間的絕緣物質(zhì)和滅弧機制從而發(fā)揮其特殊作用。而正是由于真空具有極為優(yōu)異的絕緣能力和滅弧能力等優(yōu)點，因而在真空開關在配電領域得到了極為廣泛的應用。至今為止，許多國家爭相研究多斷口真空開關，以促進本國電力事業(yè)的發(fā)展。本鑒于此，文以雙斷口真空開關的動態(tài)介質(zhì)恢復過程為研究出發(fā)點，推導出多斷口開關的最大可能增長倍數(shù)。并在此基礎上，研究了真空開關的擊穿統(tǒng)計特性，具有一定的參考價值。

1真空開關的動態(tài)介質(zhì)恢復過程

1.1 雙斷口真空開關的模型建立

雙斷口真空開關試驗回路中電流值取25 kA，電流源恢復電壓峰值為100 kV。對于該回路而言，一旦將該回路的恢復電壓加上之后，會使得其真空間隙兩端的恢復電壓變化率非常高，這樣直接導致的后果可能是兩個真空滅弧室的電壓分配受到間隙的電容影響甚大。為了更清楚的對其物理性能進行分析，需要對該回路進行化簡，從而最終得到其電路等效圖。

根據(jù)等效電路圖可以得到雙斷口真空開關的電壓分配關系式如下。

（1）

（2）

1.2 雙斷口真空開關的動態(tài)介質(zhì)恢復過程

電力系統(tǒng)受到真空開關的影像很大。而真空開關又分為雙端口真空開關和單斷口真空開關兩種。在實踐過程中，由多年以來的經(jīng)驗可以發(fā)現(xiàn)，前者的動態(tài)介質(zhì)恢復過程與簡單的后者的動態(tài)介質(zhì)恢復過程有所不同。當雙斷口真空開關在工作時，由于具有其上下兩個真空滅弧室，而滅弧室的分壓不均會導致所受恢復電壓較高的滅弧室易先發(fā)生擊穿現(xiàn)象。而電壓分布不均則是由于受到對地電容的影響。而在此時為了保證整個雙斷口開關并不會因為一個滅弧室發(fā)生事故而導致開端的失敗，就需要恢復電壓的峰值和上升速度低于某一極限值。這也是本文研究的目的所在。由于在這個開斷過程中存在另外一個真空滅弧室的介質(zhì)強度問題。由此，如果其中的一個滅弧室發(fā)生了電弧重擊穿的問題，那么另外一個滅弧室將不能承受全部的恢復電壓。真空電弧在電流過零熄滅后，剩余的等離子體在恢復電壓的作用下繼續(xù)運動。正離子朝著新陰極運動，而電子則朝著正陽極運動。最終形成正離子層，這個層區(qū)隨著時間發(fā)展而漸漸變寬，直至充滿整個間隙。研究實測固有恢復與實際恢復特性的曲線可以發(fā)現(xiàn)，其最終恢復特性曲線趨于一個常量值。

1.3 雙斷口弧后介質(zhì)恢復過程

當真空電弧熄滅以后，由于突然的降溫會導致弧隙間還存有大量的金屬蒸汽和帶電粒子，甚至還會有金屬殘留液滴。我們知道，恢復過程中真空間隙同恢復結束后的真空間隙的最大區(qū)別地方就在于殘余物的存在。因此，此時最為關鍵的就是對于殘余物的處理。也就是說，如何才能夠識別金屬殘留的擴散過程將是研究恢復過程面臨的重要問題。由于真空開關的弧后實際介質(zhì)的強度恢復過程中有眾多因素需要考慮。為了能夠更加準確的考慮各個時間段內(nèi)介質(zhì)恢復因素的影響，本文將其分成三個作用階段。即以介質(zhì)恢復和暫態(tài)恢復電壓相互作用為主的恢復前期階段；以金屬蒸汽密度為主導的恢復中期階段；真空間隙達到全恢復靜態(tài)耐壓特性的后期階段。針對三個不同階段，采取不同的措施來對雙斷口弧后介質(zhì)進行恢復。

2真空開關的擊穿統(tǒng)計特性分析

我們知道，真空開關間隙的絕緣擊穿過程發(fā)生的原因多種多樣，不能以一個單一的因素作為判斷標準。例如，在擊穿過程中，很可能由于電機表面存在有場發(fā)射粒子或者在電機附近有松散粘附現(xiàn)象出現(xiàn)。而在真空開關的擊穿過程中，其擊穿的引發(fā)因素主要來源于電極。對于雙斷口真空開關而言，它的兩個斷口都存在服從一定分布特點的擊穿弱點。為此，可以針對其建立擊穿電壓最大可能增長倍數(shù)以及擊穿統(tǒng)計分布模型。而真空開關的性能也和觸頭的材料密切相關。為了能夠有效提高真空開關的開斷能力，通常會將高熔點的材料鉭加入其中。

雙斷口真空開關設計思想采用小間隙的高真空絕緣特性，其真空開關的電壓與間隙距離的關系如式（3）所示。

（3）

而單斷口真空開關擊穿電壓和電極距離的關系為：

（4）

將式（3）和式（4）做除法運算可以獲得雙斷口真空開關擊穿電壓的最大可能增長倍數(shù)K2：

（5）

通過分析可知，雙斷口真空開關的擊穿的統(tǒng)計概率都要比單斷口擊穿統(tǒng)計概率小，與其串并聯(lián)的多少無關。而通過仿真和實驗可以得出結論：由于雙斷口開關真空滅弧斷口的恢復電壓不同，導致滅弧后的電荷鞘層的發(fā)展不同，從而影響了各自實際的介質(zhì)恢復特性。

3結論

綜上所述，雙斷口真空開關的動態(tài)介質(zhì)恢復特性對電力系統(tǒng)有著重要影響。為了使得整個雙斷口開關不會因為一個滅弧室發(fā)生重擊穿而導致開斷失敗，就需要想方設法使得恢復電壓的峰值和上升速度低于某一極限值。為此，在分析雙斷口真空開關的動態(tài)介質(zhì)恢復過程的基礎上，又對真空開關的擊穿統(tǒng)計特性進行了分析，具有一定的實用意義。

參考文獻

[1]程顯，廖敏夫，段雄英，等.雙斷口真空開關瞬態(tài)恢復電壓分布特性的仿真與實驗研究[J].中國電機工程學報，2012（01）.

[2]江壯賢，莊勁武，王晨，等.新型強迫換流型限流斷路器真空介質(zhì)強度的恢復特性[J].中國電機工程學報，2012（05）.

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摘要真空開關在電力系統(tǒng)中起著頗為重要的作用。通過使用真空作為主觸頭的絕緣介質(zhì)和滅弧介質(zhì)來工作。正是由于其重要作用，文章分析了雙斷口真空開關的動態(tài)介質(zhì)恢復過程，并在此基礎上對真空開關的擊穿統(tǒng)計特性進行了分析。結論表明，只有當電場的場強達到一定值時，才能使得微粒獲得足夠的動能，激發(fā)出來的金屬蒸汽擊穿真空間隙。

關鍵詞真空開關；動態(tài)介質(zhì)；恢復性；擊穿

中圖分類號：TM56 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）11-0044-01

真空開關在電力系統(tǒng)中起著重要作用。真空開關利用真空作為主觸頭間的絕緣物質(zhì)和滅弧機制從而發(fā)揮其特殊作用。而正是由于真空具有極為優(yōu)異的絕緣能力和滅弧能力等優(yōu)點，因而在真空開關在配電領域得到了極為廣泛的應用。至今為止，許多國家爭相研究多斷口真空開關，以促進本國電力事業(yè)的發(fā)展。本鑒于此，文以雙斷口真空開關的動態(tài)介質(zhì)恢復過程為研究出發(fā)點，推導出多斷口開關的最大可能增長倍數(shù)。并在此基礎上，研究了真空開關的擊穿統(tǒng)計特性，具有一定的參考價值。

1真空開關的動態(tài)介質(zhì)恢復過程

1.1 雙斷口真空開關的模型建立

雙斷口真空開關試驗回路中電流值取25 kA，電流源恢復電壓峰值為100 kV。對于該回路而言，一旦將該回路的恢復電壓加上之后，會使得其真空間隙兩端的恢復電壓變化率非常高，這樣直接導致的后果可能是兩個真空滅弧室的電壓分配受到間隙的電容影響甚大。為了更清楚的對其物理性能進行分析，需要對該回路進行化簡，從而最終得到其電路等效圖。

根據(jù)等效電路圖可以得到雙斷口真空開關的電壓分配關系式如下。

（1）

（2）

1.2 雙斷口真空開關的動態(tài)介質(zhì)恢復過程

電力系統(tǒng)受到真空開關的影像很大。而真空開關又分為雙端口真空開關和單斷口真空開關兩種。在實踐過程中，由多年以來的經(jīng)驗可以發(fā)現(xiàn)，前者的動態(tài)介質(zhì)恢復過程與簡單的后者的動態(tài)介質(zhì)恢復過程有所不同。當雙斷口真空開關在工作時，由于具有其上下兩個真空滅弧室，而滅弧室的分壓不均會導致所受恢復電壓較高的滅弧室易先發(fā)生擊穿現(xiàn)象。而電壓分布不均則是由于受到對地電容的影響。而在此時為了保證整個雙斷口開關并不會因為一個滅弧室發(fā)生事故而導致開端的失敗，就需要恢復電壓的峰值和上升速度低于某一極限值。這也是本文研究的目的所在。由于在這個開斷過程中存在另外一個真空滅弧室的介質(zhì)強度問題。由此，如果其中的一個滅弧室發(fā)生了電弧重擊穿的問題，那么另外一個滅弧室將不能承受全部的恢復電壓。真空電弧在電流過零熄滅后，剩余的等離子體在恢復電壓的作用下繼續(xù)運動。正離子朝著新陰極運動，而電子則朝著正陽極運動。最終形成正離子層，這個層區(qū)隨著時間發(fā)展而漸漸變寬，直至充滿整個間隙。研究實測固有恢復與實際恢復特性的曲線可以發(fā)現(xiàn)，其最終恢復特性曲線趨于一個常量值。

1.3 雙斷口弧后介質(zhì)恢復過程

當真空電弧熄滅以后，由于突然的降溫會導致弧隙間還存有大量的金屬蒸汽和帶電粒子，甚至還會有金屬殘留液滴。我們知道，恢復過程中真空間隙同恢復結束后的真空間隙的最大區(qū)別地方就在于殘余物的存在。因此，此時最為關鍵的就是對于殘余物的處理。也就是說，如何才能夠識別金屬殘留的擴散過程將是研究恢復過程面臨的重要問題。由于真空開關的弧后實際介質(zhì)的強度恢復過程中有眾多因素需要考慮。為了能夠更加準確的考慮各個時間段內(nèi)介質(zhì)恢復因素的影響，本文將其分成三個作用階段。即以介質(zhì)恢復和暫態(tài)恢復電壓相互作用為主的恢復前期階段；以金屬蒸汽密度為主導的恢復中期階段；真空間隙達到全恢復靜態(tài)耐壓特性的后期階段。針對三個不同階段，采取不同的措施來對雙斷口弧后介質(zhì)進行恢復。

2真空開關的擊穿統(tǒng)計特性分析

我們知道，真空開關間隙的絕緣擊穿過程發(fā)生的原因多種多樣，不能以一個單一的因素作為判斷標準。例如，在擊穿過程中，很可能由于電機表面存在有場發(fā)射粒子或者在電機附近有松散粘附現(xiàn)象出現(xiàn)。而在真空開關的擊穿過程中，其擊穿的引發(fā)因素主要來源于電極。對于雙斷口真空開關而言，它的兩個斷口都存在服從一定分布特點的擊穿弱點。為此，可以針對其建立擊穿電壓最大可能增長倍數(shù)以及擊穿統(tǒng)計分布模型。而真空開關的性能也和觸頭的材料密切相關。為了能夠有效提高真空開關的開斷能力，通常會將高熔點的材料鉭加入其中。

雙斷口真空開關設計思想采用小間隙的高真空絕緣特性，其真空開關的電壓與間隙距離的關系如式（3）所示。

（3）

而單斷口真空開關擊穿電壓和電極距離的關系為：

（4）

將式（3）和式（4）做除法運算可以獲得雙斷口真空開關擊穿電壓的最大可能增長倍數(shù)K2：

（5）

通過分析可知，雙斷口真空開關的擊穿的統(tǒng)計概率都要比單斷口擊穿統(tǒng)計概率小，與其串并聯(lián)的多少無關。而通過仿真和實驗可以得出結論：由于雙斷口開關真空滅弧斷口的恢復電壓不同，導致滅弧后的電荷鞘層的發(fā)展不同，從而影響了各自實際的介質(zhì)恢復特性。

3結論

綜上所述，雙斷口真空開關的動態(tài)介質(zhì)恢復特性對電力系統(tǒng)有著重要影響。為了使得整個雙斷口開關不會因為一個滅弧室發(fā)生重擊穿而導致開斷失敗，就需要想方設法使得恢復電壓的峰值和上升速度低于某一極限值。為此，在分析雙斷口真空開關的動態(tài)介質(zhì)恢復過程的基礎上，又對真空開關的擊穿統(tǒng)計特性進行了分析，具有一定的實用意義。

參考文獻

[1]程顯，廖敏夫，段雄英，等.雙斷口真空開關瞬態(tài)恢復電壓分布特性的仿真與實驗研究[J].中國電機工程學報，2012（01）.

[2]江壯賢，莊勁武，王晨，等.新型強迫換流型限流斷路器真空介質(zhì)強度的恢復特性[J].中國電機工程學報，2012（05）.

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