零电压型混合式限流装置换流后介质恢复过程研究

张利，郭泉，戴超，许宜贺

（1.海军航空工程学院七系，山东烟台264001；2.91515部队，海南三亚572016）

零电压型混合式限流装置换流后介质恢复过程研究

张利1，郭泉2，戴超2，许宜贺1

（1.海军航空工程学院七系，山东烟台264001；2.91515部队，海南三亚572016）

通过设计的试验电路，研究了零电压型混合式限流装置换流过程中的燃弧能量及开距长度对于介质恢复时间的影响，对临界击穿电压值函数内的参数进行了拟合，得到了一些规律性结论。

零电压；混合式限流；介质恢复

零电压型（ZVS）混合式限流装置通常由高速开断装置和与之并联的关断吸能电路组成（如图1所示）。其工作原理如下：正常工作时由高速开断装置承担额定电流，短路发生后，高速开断装置在100~200µs分断，所产生的电弧电压迫使短路电流转移至与之并联的关断吸能电路，关断吸能电路在开断装置介质强度恢复后产生高于系统电压的过压，从而限制短路电流并分断电路。

图1 零电压型混合式限流装置原理图Fig.1 Schematic diagram of ZVS hybrid current-limiter

高速开断装置上电流在换流结束后过零，高电导的电弧转变为等离子体柱，等离子体柱迅速冷却，电导率随之下降至绝缘状态，这一过程称作介质恢复过程。如高速开断装置在过压产生时还未达到足够的介质强度，则会被过电压击穿，导致分断失败[1-3]。因此，有必要对高速开断装置在换流结束后的介质恢复过程进行研究。

关于触头间隙在电流过零后的介质恢复过程，已有大量学者进行了研究[5-10]，但大多数是针对真空或SF6气体环境，对于混合型限流装置的主开关在换流结束后的介质恢复过程还没有深入的研究。文献[11]提出：对于空气中的平行短间隙而言，存在所谓的电弧时间常数，通常为200~400µs。当电流过零后的时间大于这个时间，间隙所能承受的电压趋近于其固有击穿电压值，这个值大约为3.3 kV/mm。从试验结果还可以看出，介质恢复强度还与换流时间长度有关，换流时间越长，介质恢复强度越低，但文中没有对这一现象进行更深入的研究。

文献[12-13]分别研究了不同的灭弧室内壁材料和灭弧室气孔直径对于空气断路器介质恢复特性的影响，对2种击穿机理——热击穿和电击穿进行了试验观察，得到了其波形特征。利用热击穿理论模型对不同的灭弧室内壁材料和灭弧室气孔直径下的介质恢复特性进行了研究，得到了对应的等离子体时间常数和初始维持电压值，但没有对电流过零前的燃弧过程对介质恢复的影响进行研究。

本文通过设计的等效试验，测量不同断口开距和燃弧能量下的介质恢复特性数据；然后，利用理论模型对试验数据进行参数辨识，以得出开距和燃弧能量值与介质恢复特性之间的关系。

1 试验设计理论基础

对于电弧的熄灭和重燃存在着2种解释[12]：热击穿理论和电击穿理论。热击穿理论认为：电弧的熄灭或者重燃取决于弧隙中的能量平衡；当电流过零电弧暂时熄灭时，弧隙温度较高，热游离还未停止，弧隙还是一个具有一定电导的导电通道，尚未恢复为真正介质，因而在恢复电压作用下出现弧后电流，电源继续向弧隙输入能量；当弧隙产生的热能大于散出的热能时，弧隙就会因热击穿而使电弧重燃。电击穿理论认为：电弧过零后，弧隙已是介质，不存在电导，电弧的重燃是加在弧隙上的电场作用下形成电子崩的结果。热击穿通常发生在电流过零后不久，而电击穿通常发生在电流过零后较长时间之后。因此，本文采用热击穿理论对高速开断器的介质恢复过程进行分析。

对于热击穿而言[12]，临界击穿电压值Vbd与等离子体温度Tplasma成反比，即：

等离子体柱可近似为圆柱形，柱体温度随时间呈指数形式衰减。因此，tbd时刻的临界击穿电压值Vbd可表示为电流过零时的维持电压值V0和等离子体时间常数τ的函数：

如果能够通过试验获得不同开距和燃弧能量下的介质恢复数据，再利用式（2）对试验数据进行参数辨识，就可以得V0和τ随开距和燃弧能量的变化规律。

2 介质恢复试验

介质恢复试验设计电路如图2所示，包括3个部分：大电流发生装置、换流与关断装置以及试品。大电流发生装置用于给试品提供模拟的短路电流，采用大容量脉冲电容器组C1作为电源，试验前预充一定电压；F1为放电控制晶闸管，由其控制回路导通放电；R1和L1为外接空心电感以及线路中的电阻和电感，其中空心电感的电感值可根据试验要求进行调整，以获得不同周期的电流波形；D1为续流二极管。

图2 介质恢复试验电路Fig.2 Test circuit of dielectric recovery

换流与关断装置的功能分为2部分：晶闸管F2构成第1部分即换流回路。当试品在大电流下分断产生电弧时导通F2，电流在弧压作用下开始转移，转移完毕后试品中电弧熄灭，控制F2的开通时刻与试品起弧时刻之差可以改变燃弧时间的长短和燃弧能量的大小；C2、L2和F3构成第2部分，即关断回路。R2和C3为阻容吸收回路，用于保护F3。C2上预充一定电压，当电流转移至换流支路F2上后，控制F3导通，C2向 F2施加一个峰值大于主回路电流的反向电流，当反向电流值超过主回路电流一定时间后F2关断，此时在F2的2端会产生一个过电压，电压值由C2上电压和线路参数决定。利用该电压可以检测试品间隙的介质强度恢复情况。通过调整F3导通时刻可以改变过电压施加的时间。

试品包括铜端子和银带，铜端子之间的间隙用于模拟高速开断器的开距，调整间隙宽度可以模拟不同开距下的介质恢复过程。银带跨接在铜端子之间，当大电流发生装置对试品施加电流时，银带会熔断产生电弧，由此来模拟高速开断器在换流过程中的燃弧。由于银带的截面为固定值，因而起弧时刻是固定的，从而可以和换流支路进行配合。

试验中，晶闸管F1、F2和F3采用同一块控制电路板进行触发，试验电流波形及晶闸管触发脉冲时序如图3所示。t1时刻导通晶闸管F1，大电流发生装置放电，试品上电流为i1；t2时刻给晶闸管F2触发信号，直到t3时刻试品银带熔断起弧，电流开始向F2转移；t4时刻换流完毕，F2支路电流为i2；t5时刻导通晶闸管F3，F2支路电流开始下降；t6时刻F2上电流过零，晶闸管关断并产生过电压。需要说明的是，如果在银带熔断之前给F2触发信号，那么银带起弧后电流直接转移至F2支路，燃弧时间最短。如果触发信号在起弧之后给出，则燃弧时间要等于触发信号延时加上其固有的换流时间。

图3 晶闸管触发时序及仿真试验波形Fig.3 Triggering sequence of SCR and waveforms

3 试验结果及分析

图4是为2组典型的试验波形，其中：图4 a）为关断成功波形，换流结束后介质恢复时间为1.1 ms，关断时过电压为1.62 kV，试品未击穿；图4 b）为关断失败波形，换流结束后介质恢复时间约为100µs，试品被击穿，击穿电压为140 V。图5为不同开距和燃弧能量下的介质恢复试验数据及拟合曲线。

所得出的对应不同开距和燃弧能量下的V0和τ值如表1所示。

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

从表1中可以总结出如下规律。

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

V0=kd。（3）

式（3）中：k为30 V/mm；d为开距，单位为mm。

2）在相同的开距下，V0值不变，τ值随燃弧能量的增大而增大，τ的取值大致为燃弧能量值的10倍。

由此，可以得出临界击穿电压值Vbd与开距和燃弧能量的经验计算表达式如下：

从式（4）可以看出，高速开断装置在换流结束后的某一时刻的介质恢复强度随着开距的增大而增大，而随着燃弧能量的增大而减小。

4 结论

本文为获得零电压型混合式限流装置在不同开距和燃弧能量下高速开断器断口的介质恢复特性，设计了模拟试验电路进行研究，通过对试验数据进行拟合得出如下结论：

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

2）在相同的开距下，V0值不变，τ值随燃弧能量的增大而增大，τ值大致为燃弧能量值的10倍。

3）在零电压型混合式限流装置的设计中，根据高速开断器的机械特性可以得到换流结束后开距和时间的关系，根据换流支路的电气参数和线路电流值可以计算出换流过程的燃弧能量，从而由式（4）可以校验装置是否能够可靠关断。

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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

张利（1963-），男，副教授，硕士。