基于強(qiáng)迫換流原理的混合型直流真空斷路器是直流開斷技術(shù)的有效方式之一，其參數(shù)設(shè)計(jì)及開斷能力與電弧形態(tài)演化密切相關(guān)。利用可拆卸真空滅弧室，對(duì)直徑為45mm的CuCr50 平板觸頭，在1~8kA 的近似恒定直流條件下分離過程中真空電弧的形態(tài)演化規(guī)律和電弧電壓特性進(jìn)行了研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：觸頭分離初期，電弧集聚在電弧引燃處；隨著開距的增加，電弧逐漸擴(kuò)散。當(dāng)電流小于5kA 時(shí)，電弧始終呈擴(kuò)散型，電弧電壓噪聲較小；當(dāng)電流大于5kA，電弧能擴(kuò)散到整個(gè)觸頭表面，但電弧初始引燃處多發(fā)展成陽極亮斑，且燃弧時(shí)間大于1.5ms 后，電弧電壓噪聲分量急劇增加。實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以用于指導(dǎo)混合型直流真空負(fù)荷開關(guān)的設(shè)計(jì)。

　　引言

　　直流電力系統(tǒng)主要應(yīng)用于艦船直流電力系統(tǒng)、電信設(shè)備配電系統(tǒng)、地鐵等軌道交通牽引配電系統(tǒng)、遠(yuǎn)距離直流高壓輸電系統(tǒng)和可再生能源構(gòu)成的直流微電網(wǎng)等，具有顯著的優(yōu)勢。直流斷路器是直流電網(wǎng)安全運(yùn)行和保護(hù)的關(guān)鍵設(shè)備，對(duì)系統(tǒng)保護(hù)策略的制定和工程實(shí)現(xiàn)有著重大的意義。直流斷路器的缺乏成為制約直流電力系統(tǒng)廣泛應(yīng)用的一個(gè)主要因素�；�于強(qiáng)迫換流法的混合型直流真空斷路器是目前直流開斷技術(shù)的重要發(fā)展方向之一。

　　開關(guān)電器中的電弧總是由觸頭分離產(chǎn)生，觸頭分離過程中電弧形態(tài)的演化規(guī)律，及由此引起的電、熱過程的變化及其相互作用，將對(duì)電流過零后能否順利承受恢復(fù)電壓有很大影響。真空斷路器的開斷能力與觸頭間隙中的電弧形態(tài)和介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度綜合效應(yīng)有關(guān)，在高密度電弧狀態(tài)及陽極斑點(diǎn)狀態(tài)下均不利于分?jǐn)�。與交流電流具有自然過零點(diǎn)不同，直流電弧電流強(qiáng)迫過零，電流下降率數(shù)十乃至百倍于同幅值的交流電流，下降時(shí)間極短(一般僅幾十s)，這極大地壓縮了電弧形態(tài)轉(zhuǎn)變和觸頭局部熱點(diǎn)的冷卻時(shí)間，要求分?jǐn)嗪蠼橘|(zhì)恢復(fù)能力具有極高的可靠性，分?jǐn)嗄芰�極大地依賴換流前電弧形態(tài)及觸頭狀態(tài)，某種程度上也決定了混合型直流真空斷路器換流參數(shù)的設(shè)計(jì)。在傳統(tǒng)交流商用滅弧室

　　中，如果開斷電流在6kA 以下，多采用簡單的無磁對(duì)接式平板觸頭。這類觸頭結(jié)構(gòu)的電弧形態(tài)轉(zhuǎn)變不必用磁場來控制，可應(yīng)用于混合型直流真空負(fù)荷開關(guān)的開發(fā)。因此，有必要深入研究一定時(shí)間內(nèi)，平板觸頭分?jǐn)嗪愣ㄖ绷鬟^程中電弧形態(tài)演化規(guī)律。

　　針對(duì)電弧形態(tài)演化的研究成果主要對(duì)象為工頻交流真空電弧。文獻(xiàn)研究了平板觸頭分?jǐn)?~16kA 系列交流電流過程中電弧形態(tài)的變化，并總結(jié)了分離時(shí)電流對(duì)橋柱型電弧持續(xù)時(shí)間的影響，討論了弧柱壓力與電弧形態(tài)演變的關(guān)系。文獻(xiàn)中有部分內(nèi)容對(duì)平板觸頭無磁條件下大電流電弧形態(tài)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，與本文關(guān)注的電流范圍交叉內(nèi)容較少。文獻(xiàn)研究了平板觸頭與兩種不同結(jié)構(gòu)的縱磁觸頭在1kA 左右分離，電流上升到不超過4kA，燃弧小于4ms 條件下，電弧引燃后形態(tài)發(fā)展變化，發(fā)現(xiàn)平板觸頭中電弧擴(kuò)散最快；文中還對(duì)人工過零電弧熄滅過程進(jìn)行了對(duì)比，平板觸頭在實(shí)驗(yàn)條件下表現(xiàn)出了良好的熄弧特性。

　　基于以上研究，本文首先介紹了基于可拆卸滅弧室的真空電弧研究平臺(tái)，利用該平臺(tái)研究了在不同幅值的近似恒定直流條件下，平板觸頭分離過程中真空電弧形態(tài)演化和電弧電壓特性，并就實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了討論。

　　1、實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

　　真空電弧研究平臺(tái)主要由電氣回路、真空系統(tǒng)、攝像系統(tǒng)、測控裝置四部分組成，如圖1 所示。

圖1  實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

　　直接獲得一系列不同幅值的直流試驗(yàn)電流很難，為此采用C-L 組成的振蕩回路，在電流變化率很小的峰值附近可以等效為近似恒定直流。實(shí)驗(yàn)采用的電容器C 容量為100mF，最高充電電壓為1kV，電感L 為205H，電阻R 為5.6m，通過改變電容器C 的充電電壓U0，產(chǎn)生符合要求的電流幅值。F1 為電流導(dǎo)通開關(guān)，二極管D 為續(xù)流支路，起到維持電流的作用；晶閘管F2 為旁路開關(guān)，燃弧一定時(shí)間后通過導(dǎo)通F2，使流過滅弧室的電流轉(zhuǎn)移至F2 支路，電弧因電流過零而熄滅。采用晶閘管等電力電子開關(guān)可以實(shí)現(xiàn)各階段的精確控制�？刹鹦稖缁∈襐I 由不銹鋼做成，設(shè)計(jì)有玻璃窗便于觀察真空電弧形態(tài)。不銹鋼筒與電極絕緣，處于懸浮電位，兼做屏蔽罩；靜觸頭經(jīng)陶瓷過渡，通過刀口法蘭與鋼筒連接；動(dòng)觸頭經(jīng)波紋管引出，使用時(shí)通過高速斥力機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)，觸頭速度近似為線性運(yùn)動(dòng)。為了達(dá)到要求的真空度，采用機(jī)械泵和分子泵組成真空系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)過程前，將真空度抽至10⁴Pa，實(shí)驗(yàn)時(shí)關(guān)閉閥門，進(jìn)行保壓實(shí)驗(yàn)。采用無感分流器Rs 和電壓探頭測量電弧電流、電壓、屏蔽筒電壓等電氣參數(shù)，利用線性位移傳感器測量動(dòng)觸頭運(yùn)動(dòng)特性，各參數(shù)輸入數(shù)字示波器進(jìn)行存儲(chǔ)；高速攝像機(jī)及附屬光學(xué)系統(tǒng)由主控制器控制，保證同步采集真空電弧的圖像。所有數(shù)據(jù)均傳入計(jì)算機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)和分析處理。

　　采用平板對(duì)接式觸頭結(jié)構(gòu)，觸頭直徑為45mm，觸頭材料CuCr50。采用Photron SA4 相機(jī)拍攝電弧圖像，相機(jī)的拍攝速度為50000fps，拍攝分辨率為384*128，曝光時(shí)間為1s。考慮該系列實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的真空電弧可能主要是陰極斑點(diǎn)起作用，拍攝時(shí)通過調(diào)整適當(dāng)?shù)慕嵌�，可以觀察到整個(gè)陰極表面。待開發(fā)的直流負(fù)荷開關(guān)主要應(yīng)用在中低壓領(lǐng)域，滿足開距的要求下，燃弧時(shí)間控制在4ms 以內(nèi)。斥力機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)信號(hào)為0 時(shí)刻，0.5ms 左右機(jī)構(gòu)分離起弧、建立弧壓，觸頭平均速度約2.5m/s，觸頭最大開距為8mm(系列實(shí)驗(yàn)中，觸頭運(yùn)動(dòng)特性基本一致)。

　　3、結(jié)論

　　本文針對(duì)平板觸頭分離過程中近似恒定直流電弧形態(tài)及電弧電壓特性進(jìn)行了系列實(shí)驗(yàn)，得到了以下結(jié)論：

　　1)電流小于5kA 時(shí)，電弧形成后迅速擴(kuò)散，整個(gè)燃弧近4ms 時(shí)間，8mm 開距電弧呈現(xiàn)擴(kuò)散狀態(tài)，未出現(xiàn)穩(wěn)定的陽極現(xiàn)象，電弧電壓平均值不超過60V，噪聲分量不超過15V；

　　2)電流大于5kA 時(shí)，電弧也從引燃處向外擴(kuò)散，但引燃處會(huì)持續(xù)燃弧，并發(fā)展成陽極斑點(diǎn)，電弧電壓平均值約80V，噪聲分離也高達(dá)數(shù)十V；

　　3)電流大于5kA 時(shí)，燃弧1.5ms 左右為一分界時(shí)刻，1.5ms 前，電弧處于橋柱型電弧階段，電弧電壓噪聲較�。�1.5ms 后，電弧形態(tài)開始發(fā)生明顯的變化，電弧電壓有較高振幅的噪聲分量。

　　4)混合型直流真空負(fù)荷開關(guān)設(shè)計(jì)時(shí)，換流電流投入時(shí)延應(yīng)大于橋柱形電弧的持續(xù)時(shí)間，一般應(yīng)超過1.5ms。