燃弧时间对混合型直流真空断路器分断特性的影响

刘路辉　庄劲武　王　晨　江壮贤

（1. 海军工程大学舰船缩电力技术国防科技重点实验室　武汉　430033

2. 海军工程大学电气工程学院　武汉　430033）

燃弧时间对混合型直流真空断路器分断特性的影响

刘路辉1庄劲武2王晨2江壮贤2

（1. 海军工程大学舰船缩电力技术国防科技重点实验室武汉430033

2. 海军工程大学电气工程学院武汉430033）

利用可拆卸真空灭弧室，研究了直径45mm的CuCr50平板触头，在不同的燃弧时间下采用强迫换流法分断2～5kA直流的特性，通过高速摄像机对分断过程进行了拍摄。实验结果表明，分断引燃电弧的过程存在单弧柱和双弧柱两种情况。燃弧时间小于2ms，换流电流投入时，电弧有一定程度扩散但依旧为桥柱形状态。单弧柱情况燃弧面积小于电极表面，过电压作用下的重燃点多为原电弧引燃处；双弧柱情况电弧分布占据电极的面积增加，分断性能提高。燃弧时间大于2.5ms，换流电流投入时触头间隙中电弧已完全扩散且相对均匀，重燃点随机分布。结合前人对不同触头结构下电弧形态演化规律的认识，讨论得出横磁型触头结构适于直流分断的结论。

燃弧时间混合型直流真空断路器电弧形态分断性能重燃

0　引言

基于强迫换流原理的混合型直流真空断路器的通流能力强、限流效果好且分断能力高，成为了直流开断技术的重要发展方向[1-3]。混合型直流真空断路器通常由高速真空开关并联换流电路及限压吸能组件组成，通过在真空开关上制造电流过零点迫使电弧熄灭，达到开断电路的目的[4,5]。直流真空断路器能否成功开断，取决于真空开关的高频电流开断能力[6-8]。换流参数确定的情况下，主要决定于真空开关分断时刻与反向电流的投入点的时间配合，机构固有分闸时间一定的情况下，这一延时也代表分断过程触头的燃弧时间。机构运动速度一定的情况下，燃弧时间的长短与触头开距的大小相对应，影响触头间隙中真空电弧的形态演化和断路器的分断能力；对分断具有一定上升率的直流短路电流而言，燃弧时间的长短将极大地影响断路器的限流能力及其经济性。

文献[9]研发的1 500V船用新型直流断路器中真空开关采用永磁机构驱动，分闸触动时间为3.6ms，到达额定开距的时间为6ms，换流电流在额定开距下投入；文中并未提及触头运动速度和额定开距的具体参数，通过机构始动延时与振荡电流投入的时间推算，可得到触头燃弧时间为2.4ms。文献[10]设计了基于人工过零原理的直流分断过程中真空电弧特性的研究实验，实验机构分闸始动时间约0.6ms，换流电流在4ms左右投入，通过高速摄像机对电弧引燃后演化过程和过零关断过程的图像进行了采集，对比了平板型触头和不同纵磁结构触头下的电弧形态特性，并未就燃弧时间的选取进行说明。文献[11]研究了高速真空断路器在直流分断过程中，电弧引燃后的形态变化及其对分断性能的影响，绘制了电极表面电弧亮度分布随燃弧时间的变化关系曲线，发现燃弧2.5ms后电弧在阳极触头表面的分布趋于一致，并通过对大量实验数据进行统计分析，指出换流参数一定时，燃弧时间过短不利于分断。文献[12]设计了额定参数3kA/3.3kV的直流真空断路器，进行了分断性能实验，并通过将短路电流上升率取为恒定值，得到了直流断路器限流能力与燃弧时间的关系式，实验中分断电流设定为6kA，分断时间设定为3ms，成功地将上升率为1.3kA/ms的短路电流峰值限定在10kA的水平。可见，较多关注直流真空强迫过零开断技术的研究将重点放在了拓扑结构和不同的换流参数对真空开关分断能力的改善作用等方面，未见有针对燃弧时间对真空断路器分断性能影响的专题报道。

本文利用可拆卸真空灭弧室研究平台，在分断直流2～5kA时，通过改变反向电流的投入时间，研究了触头燃弧时间长短对直流真空断路器分断特性的影响。通过高速摄像机采集的电弧图像，对电弧演化过程和分断能力之间的关系进行了分析。最后结合已报道的关于不同触头结构电弧形态演化规律的讨论，对直流真空灭弧室的结构选择和设计进行了判断。

1　实验系统

可拆卸灭弧室研究平台主要由电气回路、真空系统、摄像系统和测控装置四部分组成，如图1所示。

图1　实验平台Fig.1　Scheme of experimental platform

实验电流采用C1-L1-VD1组成的电气回路产生，电容组容量为150mF，最高充电电压450V，电感为205μH，S1为闭合开关。通过改变电容组C1的充电电压产生符合要求的电流。换流电流由振荡电路C2-L2产生，真空触发开关TVS为脉冲导通开关。真空灭弧室VI分闸信号发出后延时一定的时间导通TVS释放换流电流iC2，强迫灭弧室支路电流iVI过零。换流参数为50μF、28μH，通过改变换流电容C2的充电电压改变灭弧室触头电流过零时di/dt与dv/dt等参数，C2最高充电电压10kV。MOA为避雷器，用来限制过电压的幅值。C3-R1支路用来调节触头电流过零后恢复过电压的上升速率，实验中选用参数为3nF、100Ω。

可拆卸灭弧室VI由不锈钢做成，设计有玻璃窗便于观察真空电弧。不锈钢筒与电极绝缘，处于悬浮电位，兼做屏蔽罩；静触头经陶瓷过渡，通过刀口法兰与钢筒连接；动触头经波纹管引出，使用时通过高速斥力机构驱动[13]，始动延时500μs左右，刚分速度约2.5m/s。为了达到要求的真空度，采用机械泵和分子泵组成真空系统。实验前，将真空度抽至10-4Pa数量级，实验时关闭阀门进行保压。采用无感分流器、罗氏线圈和电压探头分别测量流过灭弧室的触头电流iVI、换流电流iC2、电弧电压和恢复过电压等电气参数，利用线性位移传感器测量动触头的运动特性，得到触头开距的实时信息，各参数根据采样时长的不同分别输入两台数字示波器进行存储；高速摄像机及附属光学系统由主控制器控制，保证同步采集真空电弧的图像。所有数据均传入计算机进行存储和分析处理。

当前船电和地铁直流系统均属于中低压等级，过电压一般不超过10kV，从静态耐压能力考虑，2mm以上的开距可满足要求。因此，本文对2～5kA范围的电流，分别进行了延时（从驱动机构信号发出到换流电流投入的时间）1ms、1.5ms、2ms、2.5ms和3.5ms的分断实验。每一组延时实验，通过逐步提高换流电容的充电电压，使真空开关分断过程换流参数逐渐变得苛刻，测试得到真空开关可靠分断能力和击穿重燃的特性，结合高速摄像机拍摄的电弧图像，分析燃弧时间对其分断性能的影响。

实验采用平板式触头结构，触头直径45mm，触头材料为CuCr50。采用Photron SA4高速相机拍摄电弧图像，相机的拍摄速度为200 000帧/s，拍摄分辨率为128×64，曝光时间为1μs。

图2为典型的分断波形。可见，零时刻主回路导通，10.2ms时真空开关触头间生成电弧、建立弧压，分离电流3 000A左右。触头电流在13ms时快速下降过零，并成功分断，对应的触头开距为7mm。真空开关触头电流过零时刻的电流与电压具体参数如图3所示。从图中可计算得到：真空开关触头电流以约90A/μs的速度下降过零，断口成功耐受住dv/dt约6kV/μs、峰值3.9kV的反向恢复过电压。

图2　典型的分断波形Fig.2　Typical interruption waveforms

图3　电流过零点电流与电压波形Fig.3　Current and voltage waveforms at current zero

2　实验结果

实验发现真空灭弧室触头分离、电弧生成后，在引燃处停滞一定的时间，然后缓慢地向周边扩散。燃弧过程存在单柱燃弧和双柱燃弧两种现象（电弧引燃后，电弧相对集中在引燃处并燃烧一段时间，本文将这种相对集中燃烧的一簇电弧称为一个弧柱）。对于单柱燃弧的情况，延时时间约小于2ms的情况下，电弧一般不能扩散到整个触头表面，换流电流投入进行关断时，电弧存在相对较亮的区域，具有桥柱形电弧特征。换流参数升高到一定值，分断失败时击穿通道多为触头间隙原电弧集中区域。燃弧时间相同的情况下，出现双柱燃弧时，电弧扩散效果和灭弧室分断性能明显优于单柱燃弧的情况。燃弧时间超过约2.5ms后，不论单柱燃弧还是双柱燃弧，电弧基本扩散至整个触头面上，电弧光强分布相对均匀，分断性能得到提升；改变换流参数增加分断难度，击穿重燃的位置具有随机性。实验结果如下。

2.1延时1.5ms，单弧柱燃弧的分断过程

换流电流投入延时1.5ms，分断过程触头间隙只生成一个弧柱，分断失败的工况下采集的电气参数特性及所拍摄的电弧图像如图4所示。图像下侧为阴极，上侧为阳极；选取了换流电流投入时刻（1号）、电流过零点前后（2～5号，帧间隔5μs，电流过零点在4号图像的采集点附近）共6张电弧图像；波形处理时将过电压开始建立点选定为0时刻，波形主要展示电流过零点di/dt、dv/dt和过电压峰值等参数，下文相同。

从波形图计算得到，电流下降过程di/dt值约135A/μs，过电压以dv/dt值约6kV/μs，加载到峰值约6kV，过电压按照回路参数决定的频率发生振荡，3μs时击穿重燃，电流经过高频振荡后反向流通。

图4　延时1.5ms单弧柱时实验波形与电弧形态Fig.4　Waveforms and arc modes for the one arc column test with delay time of 1.5ms

从1号电弧图像可看出，触头分离后在电极右侧形成单柱燃烧的电弧。换流电流投入时，电弧只占据1/3左右的电极表面，电弧光强分布也极为不均，初始起弧处亮度明显高于后续扩散的区域。2～6号图像反映了电弧熄灭和重燃的过程。可见，换流电流投入时刻光强最强的区域最后熄灭，电流过零后处于该区域的原阳极触头右侧形成新的阴极斑点，导致触头间隙击穿重燃。

2.2延时1.5ms，双弧柱燃弧的分断过程

换流投入延时1.5ms，分断过程生成双弧柱，分断成功的工况下采集的电气参数特性及所拍摄的电弧如图5所示。

对电流波形滤波处理后计算得到，电流下降过程di/dt值约220A/μs，过电压dv/dt值约9kV/μs，峰值约5.6kV，触头间隙成功耐受了该过电压。

从1号电弧图像可看出，在电极中间偏左和右侧分别形成两个独立并联燃烧的电弧。换流电流投入时，电弧占据3/5左右的电极表面，电弧光强分布相对均匀。通过数字图像处理发现，双弧柱燃弧情况电弧光强亮度分布在一个区间内，而单弧柱燃弧情况的电弧光强分布梯度较大。对比单弧柱与双弧柱两种燃弧情况电弧熄灭前的3号图像发现，双弧柱的实时电流高于单弧柱电流的情况下，双弧柱燃弧情况的触头间隙电弧亮度明显暗于单弧柱情况，这意味着触头间隙承受过电压时不存在特别薄弱的通道，有利于成功分断。实验结果证明了双弧柱燃弧情况在换流参数提升后依旧表现出优于单弧柱燃弧情况的分断性能。

图5　延时1.5ms双弧柱时实验波形与电弧形态Fig.5　Waveforms and arc modes for the two arc column test with delay time of 1.5ms

2.3延时2.5ms的分断过程

换流投入延时2.5ms，换流参数选定，分断连续失败的工况下采集的电气参数特性及所拍摄的电弧如图6所示。

从波形图计算得到，电流下降过程di/dt值约145A/μs，过电压dv/dt值约8kV/μs，加载到峰值约6.1kV，经过介质恢复的异常过程，触头间隙在4μs时击穿重燃。

从1号电弧图像看出，换流电流投入时电弧基本已扩散到整个触头表面上，且分布较均匀。电流下降过程，电弧整体亮度同步变暗。3号图像中只观测到个别阴极斑点，不存在集中的阴极斑点区。对电流过零后的5号图像进行均衡化处理，发现在原阳极的中间偏左位置形成新的阴极亮斑，如图7所示。

图6　延时2.5ms时实验波形与电弧形态Fig.6　Waveforms and arc modes for the test with delay time of 2.5ms

图7　5号电弧图像均衡化处理结果Fig.7　Processing result of No.5 arc image

3　分析与讨论

实验结果表明，真空电弧引燃后存在一个由桥柱形电弧向外扩散、发展的过程。燃弧时间过短，电弧扩散的程度较差，等离子体和金属蒸气相对集中在一定的区域内，电流过零后该区域为介质恢复的薄弱处，容易构成击穿重燃的通道。实验条件下，燃弧时间增长到一定时间后，电弧在电极表面及间隙轴向分布相对均匀，为成功开断和换流参数优化创造了有力条件。由此可见，燃弧时间通过影响换流电流投入时刻的电弧和电极状态，间接决定了强迫换流型直流真空断路器的核心参数及其分断性能。在预期短路电流上升较快、峰值较高的直流系统故障保护场合，为提高直流断路器限流分断能力，提升断路器整机经济性，断路器动作越快、燃弧时间越短，换流参数越小，整机性能也越好。这就要求触头结构的设计能够促使电弧引燃后快速扩散或者生成多弧柱，为换流电流投入创造有利时机。

众所周知，真空开关分闸过程的电弧无一例外均由触头分离产生。从电接触理论可知，两个闭合的触头分离时将经历液态金属桥阶段，而后金属桥断裂蒸发，间隙击穿形成电弧[14]。真空电弧引燃产生后，不论是哪种触头结构（平板型、横磁型和纵磁型）均存在一个电弧起始、停滞的阶段，而后则因电极结构的不同，呈现出不同的演化规律。文献［15］应用电流线的磁约束效应解释了电弧起始、停滞的原因，表明电弧起始、停滞现象从机理上不可避免。M. Schulman等利用可观测真空灭弧室系统对平板、横磁和纵磁三种类型中各自典型的触头结构，在开断交流电流时，真空电弧形态随分离电流、电流峰值、触头开距和磁场强度等因素的演变规律进行了实验研究[16-18]。通过总结大量实验数据形成了电弧形态的演化规律图，可得到电弧形态与燃弧时间、开距和电流幅值等变量的关系。在平板型触头的系列实验中观测到存在两个电弧弧柱并联燃烧一段时间的现象；在螺旋型触头实验中总结得到双柱电弧并存的一个区域，如图8所示。结合本文双弧柱燃弧的工况下真空开关优异的分断性能，可推测横磁型触头在强迫换流型直流分断领域中具有较好的应用前景，而燃弧时间的选取需要保证将换流电流投入时刻放在双柱燃弧的区间。

图8　螺旋型触头下电弧形态演化[17]Fig.8　Arc appearance diagram under spiral contacts

另一方面，在交流真空断路器中公认分断能力较高的纵磁触头，在预期短路电流上升较快、峰值较高的直流系统故障保护场合并不适用。研究发现对于纵磁型触头分离引燃的电弧，桥柱形阶段长达1.5ms以上，磁场强度越强时，该时长也相应增长。文献[10]分别采用平板型、杯状纵磁型和马鞍型三种不同触头结构的无氧铜触头对人工过零原理下的真空电弧形态在分离初期和人工过零过程中随时间的变化规律进行了实验，研究发现电弧引燃后，平板型触头中的电弧扩散最快，其次是马鞍型纵磁触头，而电弧在商业上应用较广的杯状触头面上扩散最慢；相应的人工过零分断过程中，平板型触头表现出最好的熄弧特性，文中将纵磁型触头电弧扩散较慢的原因归结为轴向磁场对等离子体导电粒子的约束作用。

分断电流大于一定幅值以后，电弧将会发生集聚现象，电弧不可能与本文实验中观测到的那样最终均匀扩散到整个触头面上。大电流、短间隙条件下，电弧与电极之间的相互作用很强烈，燃弧时间对分断性能的影响将不仅通过电弧形态起作用，电极表面的温度状态对分断性能的影响将成为主要因素。本文作者已展开了燃弧时间与电极表面状态的关系及其对真空直流断路器分断性能的研究。本文实验中不同电弧形态下，可靠分断时换流参数取值极限也不是本文的重点，这里不再对其进行分析。

4　结论

（1）混合型直流真空断路器燃弧时间过短，换流电流投入时电弧分布不均匀，过电压建立过程触头间隙容易在电弧集中处击穿重燃。

（2）燃弧过程出现双弧柱工况，有利于真空灭弧室的强迫换流分断。

（3）与纵磁型触头结构相比较，平板型和横磁型触头结构电弧引燃后扩散快、且存在双弧柱现象，具有较好的直流分断性能，可分别应用于直流真空负荷开关和断路器的开发。

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Effect of Arcing Time upon the Interruption Characteristic of the Hybrid DC Vacuum Circuit Breaker

Liu Luhui1Zhuang Jinwu2Wang Chen2Jiang Zhuangxian2
（1. National Key Laboratory of Science and Technology on Vessel Integrated Power System Wuhan430033China
2. Naval University of EngineeringWuhan430033China）

Based on forced commutation principle, the influences of arcing time on the interruption characteristics of DC 2～5kA is studied, using diameter 45mm CuCr50 butt contacts in a demountable vacuum chamber. The interruption process was taken down by high-speed photography. Experiment results show that the arc is initiated with either one arc column or two arc columns burning in parallel at the instant of contact separation. For arcing time＜2ms, the arc expands while retaining its appearance as the counter current was injected. If there is one arc column, the arcing surface is less than the electrode’s surface and the reignition points are always the rupture points. If there are two arc columns, the arcing area increases and the interruption capability improves. For arcing time＞2.5ms, arc spreads fully and coveres the whole contact, and the reignition distribution is random. Prior studies on the development of vacuum arc modes are discussed, and it is concluded the transversal magnetic field electrodes are suitable for DC current interruption.

Arcing time, hybrid DC vacuum breaker, arc mode, interruption characteristic, reignition

TM561

刘路辉男，1986年生，助理研究员，主要研究方向为航船电力系统保护和能量调控与管理。

庄劲武男，1967年生，教授，博士生导师，主要研究方向为电力系统自动化与安全运行。

国家重点基础研究发展计划（973计划）（2012CB215103），国家自然科学基金（51207166、51377166和51307179）资助项目。

2013-09-27改稿日期 2014-07-25