不同滅弧室串聯的真空斷路器動態(tài)電壓分布特性研究

盧剛，張豪，符一凡，宋心哲，馬匯，廖敏夫

(大連理工大學 電氣工程學院，遼寧 大連 116024)

多斷口真空斷路器較單斷口真空斷路器介質恢復強度高，恢復速率快，而且彌補了真空長間隙的飽和效應，因此多斷口串聯的方式更適用于提高真空斷路器的應用電壓等級[1-5]。近年來，真空斷路器逐漸應用于直流系統中開斷短路電流、開斷容性電流等場合。同時，節(jié)能減排的提出加速了真空斷路器在高電壓場合的應用。

在實際工程應用中，由于各個斷口空間布置的差異，斷口間會存在雜散電容，在開斷短路電流過程中各個斷口上承受的電壓不均衡。一般而言，高壓側斷口承受的電壓可高達恢復電壓的60%～70%[6-11]。在開斷短路電流過程中高壓側斷口承受較高的電壓，嚴重影響了多斷口真空斷路器的整體開斷性能。

針對多斷口真空斷路器各個斷口之間承受電壓不均衡的問題，國內外學者展開了相關研究。文獻[12]分別對三斷口真空斷路器靜態(tài)電壓分布和動態(tài)電壓分布進行仿真研究與試驗研究：靜態(tài)電壓分布采用有限元分析法，仿真得到每個斷口承擔的電壓以及等效電容參數，并采用靜態(tài)電壓分布實驗進行了驗證，結果表明兩者誤差僅有2.11%；動態(tài)電壓分布考慮了短路電流過零后間隙注入弧后電荷的影響，建立了真空斷路器仿真模型和弧后電流仿真模型。文獻[13]指出并聯均壓電容可以明顯減少高壓側斷口電壓分布，改善分布特性。文獻[14]指出并聯均壓電容雖然可以改善電壓分布特性，但是在實際運行會影響換流變壓器的勵磁涌流。文獻[15]對運行中均壓電容的爆炸問題進行仿真研究，指出并聯電容爆炸的主要原因是絕緣出現問題。文獻[16]分析了均壓電容的大小對靜態(tài)電壓分布特性的影響。

為了解決均壓措施帶來的不利影響，有關學者在自均壓方面展開研究。文獻[17]通過磁場調控實現在無并聯均壓電容條件下改善高、低壓斷口電壓分布，其研究表明在觸頭分離時刻施加縱向磁場效果最佳。文獻[18]研究了操動機構的分閘動作速度對動態(tài)電壓分布的影響，通過控制高、低壓斷口的分閘速度來優(yōu)化2個斷口間的電壓分布特性。文獻[19]提出一種自均壓方式，通過改變開斷方式、滅弧室布置方式等減少均壓電容的使用。

改變開關外部使用條件的方式雖然可以在無均壓措施的條件下優(yōu)化電壓分布特性，但外加設備受制于開關的應用場合。本文提出一種高、低壓側采用不同尺寸參數滅弧室的方式構成真空斷路器，配合高、低壓斷口的不同燃弧時間，在無外加措施條件下改善動態(tài)電壓分布特性。

1 電壓分布機理

根據真空間隙的狀態(tài)，電壓分布有靜態(tài)和動態(tài)2種，在電壓分布原理上有本質區(qū)別。靜態(tài)情況下，斷口間無電弧產生，斷口阻抗可以等效為電容的容抗。動態(tài)情況下，斷口之間產生電弧，斷口阻抗由燃弧階段結束后的殘余等離子決定，斷口阻抗包括弧后電阻和斷口電容容抗。

根據電壓分布原理不同，動態(tài)電壓分布有2個階段。在電流過零后的最初幾微秒內，電弧尚未熄滅，此時斷口可以等效為電阻元件，各個斷口的電壓按照電阻的串聯原則分配，這一階段稱為電弧控制階段。隨后，斷口間注入弧后電荷，各斷口之間的電壓分配關系是由注入的弧后電荷與斷口間形成的等效電容參數共同決定的。當足夠長時間后，弧后電荷的影響作用完全消失，加在斷口兩端的電壓相當于系統的工頻電壓，這時的電壓分布特性與靜態(tài)電壓分布特性一致，按斷口等效自電容與雜散電容的串并聯關系分配，稱為介質控制階段。

流過短路電流時，動靜觸頭分離過程中會產生電弧，電弧的特性隨著動觸頭的運動不斷變化，斷口間的等效電容也隨著間隙的變化而變化。在電弧控制階段，斷口阻抗可以等效為隨時間t變化的電阻R1(t)和R2(t)；在介質控制階段，斷口阻抗可以等效為隨時間t變化的電容C1(t)和C2(t)。在2個斷口兩端并聯均壓電容器(量符號分別為CG1和CG2)時，電壓分布等效電路如圖1所示[20]，其中，Cg為對地雜散電容，U10為總電壓，U12為高壓側斷口電壓，U20為低壓側斷口電壓。

圖1 電壓分布等效電路

在雙斷口真空斷路器中，各個斷口中每個階段電子的運動特性影響其動態(tài)電壓分布。如圖2所示，其中i(t)為開斷電流，uarc(t)為電弧電壓。在開斷短路電流過程中，根據電子運動特性可將開斷過程分為3個階段：電子加速運動階段、電子減速運動階段、電子反向至消失階段。

圖2 開斷電流的3個階段

t0—t1階段：電子加速運動階段。動靜觸頭分離，間隙中間形成電弧等離子體，在燃弧過程中觸頭和斷口間的金屬小塊向斷口中蒸發(fā)出金屬蒸氣。受到電場力影響，電子和離子都向陽極運動，等離子體呈電中性。在此過程中，注入斷口的電荷、能量分別為：

(1)

(2)

式(1)、(2)中：Q為轉移電荷；t0為觸頭分離時刻；t1為電弧熄滅時刻；W為燃弧期間注入能量。

通過式(1)、(2)可知，若斷口的燃弧時間不同，注入斷口的電荷和能量不同，其等效電容上的作用即表現為每個斷口承擔不同的電壓。

研究導軌架結構，主要對標準節(jié)結構進行分析[1]。標準節(jié)由主弦管、斜腹桿、齒條、角鋼框架、螺栓、螺母和銷等組成，其端面尺寸有180 mm×180 mm、500 mm×500mm、650 mm×200mm、650 mm×650 mm、700 mm×700 mm、900 mm×650 mm等類型，同時，不同的類型的施工升降機，具有不同規(guī)格的標準節(jié)。因此，其結構十分復雜，參數又多，如果每設計一種導軌架都用三維軟件重新建模，需要人工輸入的數據很多，工作量大，很容易出錯。而各種標準節(jié)主要組成部分基本相同，設計過程中的大部分工作都是重復的。

t1—t2階段：電子減速運動階段。在t1時刻電流、電壓經過零點，過零后電極極性改變，電子和離子在電場作用下開始減速運動。由于離子質量較大，離子減速加速度小于電子減速加速度。電子減速較快，速度很快降到0。斷口間仍有電流流過，介質尚未恢復絕緣能力，沒有電壓承受能力，此階段電壓為0。

燃弧階段的不同會造成過零后殘余等離子體狀態(tài)存在很大差別，其密度、溫度、運動速度不同，導致弧后電導不同，殘余等離子體電阻不同，電子從過零點減速到0的過程不同，這些特性均對動態(tài)電壓分布特性產生影響。

t2時刻之后：電子反向運動。電子減速到0后，開始反向加速運動，離子運動方向不變，導致在新陰極附近形成離子鞘層。離子鞘層向新陽極發(fā)展，等離子區(qū)域逐漸消失，恢復電壓在斷口兩端建立起來。剩余電阻影響暫態(tài)恢復電壓(transient recovery voltage，TRV)，兩斷口剩余電阻不同，斷口上承擔的恢復電壓不同。

Rres=uTRV/ipos.

(3)

式中：Rres為剩余電阻；uTRV為暫態(tài)恢復電壓；ipos為弧后電流。

通過上述分析可知，動態(tài)電壓分布特性受等效電容參數和電弧參數的影響，這2個參數與滅弧室的結構尺寸都有密切關系。滅弧室中觸頭的面積大小以及電流過零時動靜觸頭之間的間距直接影響斷口的等效電容參數。而滅弧室的結構尺寸影響斷口間的空間體積，進而影響電壓分布。燃弧時間會對弧后初始狀態(tài)造成影響，尤其在峰值時刻，若TRV進入到電容控制階段較早，即斷口等效阻抗較大，有利于暫態(tài)恢復上升階段的電壓均衡分布。TRV衰減振蕩主要是由于弧后電荷注入均壓電容造成的不平衡，由弧后電荷和電容參數決定；在TRV穩(wěn)定階段，這種不平衡主要是由電容參數決定的，接近靜態(tài)電壓分布。

由此可以推斷出，布置不同結構參數的滅弧室，配合不同的燃弧時間，可以優(yōu)化高、低壓側斷口的電壓分布，以減少甚至取消均壓電容的使用。

2 確定雙斷口真空斷路器組合方式

本文選取3種典型的真空滅弧室，型號分別為TD-12/1600-31.5U1(記為VI31.5)、TD-12/2000-40A (記為VI40)、TD-12/5000-50B(記為VI50)，尺寸參數見表1。

表1 真空滅弧室內部尺寸參數

表2 滅弧室的布置方式

由前文分析可知，雙斷口真空斷路器的動態(tài)電壓分布特性與斷口的等效電容參數密切相關。在ANSYS軟件中進行靜電場仿真，2個斷口采用平行布置方式，計算得到的等效電容參數見表3。

表3 等效電容參數

3 動態(tài)電壓分布特性試驗

3.1 相同燃弧時間動態(tài)電壓分布試驗結果及分析

同期開斷的試驗條件為：主電流峰值8 kA/50 Hz，TRV峰值30 kV，2個斷口的燃弧時間設置為5 ms。試驗中真空斷路器的操動機構為永磁機構。受限于永磁機構自身特性，斷口的每次分閘時間有一定差異，影響斷口的燃弧時間。為保證試驗的準確性，重復5次成功的動態(tài)電壓分布試驗，高、低壓側電壓分配占比取5次的平均值。試驗電路原理如圖3所示，其中：電流源電容器Ci和電抗器Li振蕩產生峰值8 kA/50 Hz電流，通過開關CB引入被試斷路器，AB為輔助開關；電壓源電容器Cv和電抗器Lv振蕩產生峰值30 kV的TRV，通過點火球隙SG將TRV引入被試斷路器；D為點火球隙控制電路；R0和C0為調頻電阻器和調頻電容器；CT為羅氏線圈；PT1和PT2為泰克P6015高壓探頭。

圖3 試驗電路原理

典型的動態(tài)電壓分布波形如圖4所示。

圖4 典型電壓分布波形

將試驗采集到的數據導入MATLAB中，選取TRV峰值時刻的總電壓、高壓側斷口電壓及低壓側斷口電壓數值，計算得到高、低壓側承受的總電壓峰值占比如圖5所示，并以該數據衡量動態(tài)電壓分布特性的優(yōu)劣，其值越接近50%表示動態(tài)電壓分布特性越好。

圖5 4種斷路器電壓分布占比

對比組合Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的動態(tài)電壓分布特性，可以明顯看出，低壓側使用相同的真空滅弧室VI31.5，并且在相同的燃弧時間條件下，增大高壓側真空滅弧室的尺寸參數(觸頭半徑、屏蔽罩長度等)，可以明顯改變電壓分布特性，其中：高壓側使用VI50、低壓側使用VI31.5串聯構成的組合Ⅳ動態(tài)電壓分布特性最佳，高壓側斷口分壓占比48.44%，接近50%;傳統的使用相同滅弧室串聯構成的組合Ⅱ在無并聯均壓電容的條件下，高壓側斷口承擔了較高(64.08%)的TRV，與已有文獻的研究結果基本相近。此外，組合Ⅳ中高壓側斷口承受的電壓小于低壓側，這也證明了滅弧室的尺寸參數對電壓分布特性有很大影響。

若TRV峰值以30 kV計，電壓分布特性最差的組合Ⅰ中高壓側斷口分壓23.784 kV，在電壓分布特性最優(yōu)的組合Ⅳ中高壓側斷口分壓14.532 kV，兩者之間相差9.252 kV。在開斷電力系統中的短路電流時，組合Ⅰ中高壓側斷口由于承擔了更高的TRV，其擊穿概率較高。在高壓側斷口擊穿之后，全部的TRV將施加在低壓側斷口上，若此時低壓側斷口的絕緣強度恢復不足，會直接導致開斷失敗，將對電力系統造成二次沖擊。

3.2 不同燃弧時間動態(tài)電壓分布試驗結果及分析

由式(1)、(2)可知，開斷相同的短路電流條件下，不同燃弧時間會使電流過零時刻斷口燃弧期間產生的電荷數量、注入的能量及動靜觸頭的間距不同，影響動態(tài)電壓分布特性。

為了研究不同燃弧時間對電壓分布特性的影響，對組合Ⅲ和組合Ⅳ進行了不同燃弧時間的動態(tài)電壓分布特性研究。試驗條件為：主電流峰值8 kA/50 Hz，TRV峰值30 kV，高壓側斷口燃弧時間3 ms，低壓側斷口燃弧時間7 ms，采用羅氏線圈測量電流，采用泰克P6015高壓探頭采集電壓。

不同燃弧時間下2種組合方式的動態(tài)電壓分布特性對比見表4，以高壓側斷口分壓來衡量動態(tài)電壓分布特性的優(yōu)劣。

表4 2種試驗下電壓分布特性對比

表4中，組合Ⅲ在相同燃弧時間與不同燃弧時間的高壓側斷口分壓占比出現了3.83%的差異。這主要是由于高壓側斷口的燃弧時間由5 ms縮短至3 ms，燃弧時間的減小使注入斷口的電荷數量減少，導致電流過零之后，殘存在間隙中的等離子體數目減少，其在電容上的作用即表現為承受的電壓降低。

在低壓側使用相同的滅弧室串聯時，即使將組合Ⅲ中高壓側斷口的燃弧時間由5 ms減小到3 ms，其承擔的電壓仍高于高壓側燃弧時間5 ms時組合Ⅳ中的高壓側斷口電壓，這可以由靜電場仿真得到的等效電容參數解釋。從表3可以看出，2種組合方式的低壓側斷口等效電容(9.51 pF和9.66 pF)和對地雜散電容(8.41 pF和8.61 pF)近似相等，組合Ⅲ高壓側等效自電容(11.95 pF)小于組合Ⅳ高壓側等效自電容(15.87 pF)。較短的燃弧時間雖然可以降低高壓側斷口承擔的電壓，但在開斷電流較低(8 kA)時其影響程度有限，等效電容參數對動態(tài)電壓分布特性的影響仍舊很大。

雙斷口真空斷路器的動態(tài)電壓分布特性不僅與等效電容參數有關，也與2個間隙中的電弧特性有關。為了直觀證明電弧特性因素的影響，本文進行如下試驗研究。

確保永磁機構外部驅動電路的電壓相同，使其動作特性相同，然后測量前文試驗中永磁機構的平均分閘速度，測量結果為1 mm/ms。由此可以推斷：燃弧時間為3 ms時，永磁機構帶動動觸頭運動3 mm，動靜觸頭間距為3 mm；燃弧時間為7 ms時，對應的動靜觸頭間距為7 mm。

以組合Ⅲ為試驗研究對象，拆掉永磁機構與真空斷路器動觸頭之間的連接桿，通過外加螺桿將高壓側斷口拉開3 mm，低壓側斷口拉開7 mm。在這種條件下施加與前文動態(tài)電壓分布試驗中TRV幅值和頻率相同的電壓，進行高、低壓斷口不同開距下靜態(tài)電壓分布試驗，以模擬在無弧后等離子體的影響下，不同燃弧時間動態(tài)電壓分布試驗中電流過零時刻兩斷口之間的電壓分布。

在不同開距靜態(tài)電壓分布試驗中，組合Ⅲ中高壓側分壓占比52.51%，相比動態(tài)電壓分布試驗中的50.36%增加1.85%，這可以理解為電弧對動態(tài)電壓分布特性的影響。在靜態(tài)電壓分布中，兩斷口的電壓分布是簡單地按電容的串并聯關系分配；而在動態(tài)電壓分布中，高、低壓斷口間的電弧特性也會對電壓分布產生影響。但由于在試驗中開斷的短路電流較小，注入的電荷數量和能量有限，相較于等效電容參數，電弧特性在電壓分布特性中的影響并不十分明顯。

4 結論

本文提出一種高、低壓側采用不同尺寸參數滅弧室的方式構成雙斷口斷路器，對其在相同、不同燃弧時間下的動態(tài)電壓分布特性進行研究，得到以下結論：

a)滅弧室的尺寸參數影響斷口間電壓分布，通過高、低壓側尺寸參數和燃弧時間的配合，可以彌補雜散電容和各斷口間電弧特性對電壓分布的不利影響，優(yōu)化電壓分布特性，提升開斷容量。

b)從動態(tài)電壓分布特性的角度而言，對比組合Ⅳ和組合Ⅱ的電壓分布結果，可知在高、低壓側斷口布置相同的滅弧室并不是最優(yōu)方式。通過高、低壓側斷口在燃弧時間上的配合可進一步優(yōu)化動態(tài)電壓分布特性。

c)開斷短路電流時，電弧特性會對動態(tài)電壓分布特性產生影響。但在小電流條件下，電弧特性的影響效果有限，等效電容參數對動態(tài)電壓分布特性的影響占主導地位。