真空斷路器觸頭間隙電弧運(yùn)動相關(guān)研究

李夢如 林仁杰 國網(wǎng)江蘇省電力有限公司蘇州供電分公司

斷路器是變電站中重要的一次設(shè)備，與刀閘都可以起到連接和切斷供電的作用，但區(qū)別于刀閘，斷路器具有滅弧功能，可以有效地完成帶負(fù)荷停送電操作。氣體介質(zhì)的絕緣性能及滅弧性能對于斷路器開斷性能、使用壽命、尺寸大小具有直接的影響，根據(jù)氣體介質(zhì)的不同，可以將斷路器分為真空斷路器、SF6 斷路器等。早在1923 年相關(guān)學(xué)者就驗證了真空的金屬蒸汽特性，提出將真空作為斷路器滅弧介質(zhì)，在1997 年SF6 氣體被指會在一定程度上引發(fā)溫室效應(yīng)，真空斷路器得到了更為廣泛的應(yīng)用。目前變電站中在使用SF6 斷路器時，往往會配套搭設(shè)氣體檢測裝置、通風(fēng)裝置、壓力告警儀表等監(jiān)測裝置，保障變電站運(yùn)行維護(hù)人員的人身安全。除了氣體介質(zhì)會顯著影響斷路器開斷性能外，斷路器動靜觸頭的材料、結(jié)構(gòu)都會在一定程度上影響熄滅電弧的能力，進(jìn)而直接影響斷路器開斷大電流的性能。

一、真空擊穿原理及觸頭結(jié)構(gòu)分類

當(dāng)斷路器分?jǐn)喽搪冯娏鲿r，其內(nèi)部會出現(xiàn)真空擊穿的現(xiàn)象，在動觸頭與靜觸頭分離瞬間，即電極距離在1-2mm 之間時，真空擊穿往往由場致發(fā)射引起，隨著觸頭間距的增大，團(tuán)粒成為真空擊穿的主要原因，而這將會產(chǎn)生肉眼可見的電弧。電弧的產(chǎn)生往往會燒蝕觸頭表面，陽極觸頭通過電離金屬蒸汽釋放氣體、熔化及蒸發(fā)，而陰極觸頭通過發(fā)射電子引起真空擊穿，這也就是一般情況下陽極觸頭的融化程度更為明顯的原因。

電弧的產(chǎn)生會熔化觸頭表面，以開槽的觸頭為例，會出現(xiàn)槽隙間的搭接，降低觸頭間隙磁場分布強(qiáng)度，影響電弧在觸頭間隙的運(yùn)動情況，最終導(dǎo)致觸頭使用壽命的縮短。利用觸頭結(jié)構(gòu)改善觸頭間隙磁場分布成為廠家提高觸頭使用性能的主要思路，針對觸頭間隙的磁場特性，目前廣泛使用的觸頭可以分為橫向磁場觸頭及縱向磁場觸頭兩大類。

（一）橫向磁場觸頭

橫向磁場觸頭一般在靜觸頭及動觸頭的表面開槽，使得流過動靜觸頭的電流方向相反，在觸頭間隙形成平行于觸頭表面的橫向磁場，驅(qū)動電弧弧柱在觸頭表面做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，緩解觸頭表面燒蝕情況。橫向磁場觸頭可以分為螺旋型觸頭、萬字型觸頭、杯狀觸頭等。

橫向磁場觸頭被廣泛應(yīng)用在低壓、中壓電網(wǎng)中，在小于10mm 的小觸頭開距時性能優(yōu)于縱向磁場觸頭，但開斷性能會趨于飽和。

（二）縱向磁場觸頭

縱向磁場觸頭可以通過在觸頭壁上開斜槽產(chǎn)生同相電流，在觸頭間隙形成垂直于觸頭表面的縱向磁場。在縱向磁場的作用下，觸頭間隙的電弧將會無法聚集，呈現(xiàn)擴(kuò)散的電弧形態(tài)，進(jìn)而減少觸頭熔化程度，提高其開斷性能。

縱向磁場觸頭在開斷大電流（50kA）情況下，具有較好的開斷特性，且根據(jù)2015 年學(xué)者相關(guān)研究數(shù)據(jù)表明，縱向磁場觸頭最大可開斷100kA 的開斷電流。

此外也有學(xué)者設(shè)計出橫縱磁場結(jié)合的觸頭，以供實際使用。利用合理的磁場分布及交流電流的過零點可以有效熄滅電弧，而直流電流則要考慮電弧靜伏安特性來設(shè)計合適的熄弧點。

二、電弧實驗原理及裝置

對于觸頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行改善時，往往先通過相關(guān)磁場仿真軟件對改進(jìn)后觸頭間隙的磁場分布進(jìn)行模擬，分析電弧弧柱的切向力，即驅(qū)使電弧弧柱沿觸頭表面做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的電弧力，制作符合實際需求的一對動靜觸頭，之后則需要搭設(shè)實驗環(huán)境，進(jìn)行電弧實驗分析。

實驗采用合成回路進(jìn)行，原理圖可簡化如圖1 所示。

實驗回路包括主斷路器、電抗器、電容器組、可拆卸真空滅弧室、操動機(jī)構(gòu)、時序控制信號發(fā)生器等，形成LC 振蕩回路產(chǎn)生大電流，其頻率計算公式如下：

f為電流頻率（Hz），L為回路電感（H），C為回路電容（f）。

實驗測量裝置包括高壓探頭、羅氏線圈、高速攝像機(jī)、示波器等。將觸頭安裝在可拆卸真空滅弧室中，利用高速攝像機(jī)在可拆卸真空滅弧室的左右兩側(cè)觀察窗拍攝觸頭分?jǐn)噙^程中的電弧運(yùn)動圖像。高壓探頭的一極連接陽極觸頭，另一極與陰極觸頭共地，用來測量電弧電壓，羅氏線圈用來測量電弧電流，時序控制器控制主斷路器合閘至可拆卸真空滅弧器分閘的間隔時間，最終實驗數(shù)據(jù)將在示波器上進(jìn)行顯示，并在計算機(jī)中保存波形數(shù)據(jù)及電弧圖像。

圖1 電弧實驗原理圖

三、弧壓波形及電弧運(yùn)動對比分析

根據(jù)實驗所得的波形數(shù)據(jù)及電弧運(yùn)動情況，對照分析可以發(fā)現(xiàn)，電弧電壓波形在一定程度上可以反映電弧的運(yùn)行情況，同時由于橫向磁場觸頭與縱向磁場觸頭的作用原理有些不同，其對應(yīng)的電弧形態(tài)也不盡相同，下面對橫向磁場觸頭及縱向磁場觸頭在觸頭分?jǐn)噙^程中各電弧運(yùn)動階段的電弧形態(tài)、電弧電壓波形進(jìn)行分析，并總結(jié)電弧形態(tài)與弧壓波形的對應(yīng)關(guān)系。

（一）橫向磁場觸頭的電弧電壓及電弧運(yùn)動

圖2 所示為開斷電流峰值為12kA 的一組電弧電流及電弧電壓波形圖，靜觸頭與動觸頭在4.45ms 時刻分離，這個時間可以由時序控制器中的程序調(diào)節(jié)。根據(jù)多組實驗數(shù)據(jù)，橫向磁場觸頭間隙的電弧運(yùn)動可以分為起弧階段、擴(kuò)展階段、運(yùn)動階段及擴(kuò)散階段，下面分別對各階段的電弧形態(tài)進(jìn)行分析。

在4.45ms 至t1 時刻為電弧的起弧階段。這個階段中動觸頭和靜觸頭間隙可以觀察到電弧，而電弧的起弧位置較為隨機(jī)，可以在觸頭中心位置或觸頭兩側(cè)位置，存在單點起弧、多點起弧等多種狀態(tài)。同時這一階段電弧電壓的增長速度是最快的，隨著觸頭間距的增大電弧電壓迅速升高。

在t1 至t2 時間段為電弧的擴(kuò)展階段。電弧電壓同樣呈增長趨勢，但其增長速率明顯低于電弧起弧階段。單支電弧情況下，電弧將發(fā)生由觸頭中心位置向觸頭邊緣運(yùn)動、電弧弧柱直徑增大等擴(kuò)展現(xiàn)象；兩支電弧情況下，由于弧柱數(shù)量增多，電流通路增加，降低了觸頭間隙的電流密度，從而使電弧受力減小，但弧柱的受力方向會相互影響，當(dāng)兩支電弧距離較近時會發(fā)生兩支電弧擴(kuò)展為一支弧柱的現(xiàn)象，當(dāng)兩支電弧距離較大時，往往會出現(xiàn)兩只電弧同時產(chǎn)生擴(kuò)展運(yùn)動或一支電弧熄滅的現(xiàn)象。

在t2 至t3 時間段為電弧的運(yùn)動階段。電弧電壓出現(xiàn)波動，這是由于電弧的運(yùn)動造成的，在這個階段中電弧呈現(xiàn)集聚狀態(tài)，電弧受力分為徑向力及切向力，徑向力使得電弧向觸頭邊緣側(cè)運(yùn)動，切向力使得電弧沿觸頭表面做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，可以有效減少觸頭表面的燒蝕。

在t3 時刻至電弧熄滅為電弧的擴(kuò)散階段，這一階段隨著電弧電流的逐漸減小，電弧受力無法使弧柱維持集聚狀態(tài)，從而出現(xiàn)擴(kuò)散的電弧形態(tài)，這一階段往往會出現(xiàn)電弧的抖動、噴濺，并會伴隨著陰極斑點形成等現(xiàn)象，這是造成這一階段電弧電壓曲線波動的一個原因。電弧擴(kuò)散階段的電壓波形呈現(xiàn)下降趨勢。

圖2 橫向磁場觸頭電弧電壓波形曲線

圖3 縱向磁場觸頭電弧電壓波形曲線

（二）縱向磁場觸頭的電弧電壓及電弧運(yùn)動

圖3所示為開斷電流峰值為10.80kA 的電弧電流及電弧電壓波形圖。對比橫向磁場觸頭的電弧電壓波形圖，可以看出有所差別。

第一階段為多支電弧聚集為一支中心電弧或側(cè)邊起弧的單弧柱向中心移動的過程，這一階段往往會出現(xiàn)單個或多個波峰，一般是由于單點起弧引起的；第二階段為電弧聚集后擴(kuò)散到電弧熄滅的過程；第三階段為陰極斑點消退的過程。

四、總結(jié)

橫向磁場觸頭及縱向磁場觸頭為常見的兩類觸頭結(jié)構(gòu)，其作用原理有所區(qū)別，但都是通過增強(qiáng)觸頭間隙電弧的運(yùn)動特性，增大電弧弧柱的擴(kuò)散程度來減少觸頭表面的燒蝕，提高斷路器開斷性能。同時，兩類觸頭的電弧電壓波形有所區(qū)別，通過電弧電壓波形可以定性分析電弧的運(yùn)動形態(tài)，為觸頭間隙的電弧受力提供分析依據(jù)。