不同灭弧室串联的真空断路器动态电压分布特性研究

卢刚，张豪，符一凡，宋心哲，马汇，廖敏夫

(大连理工大学 电气工程学院，辽宁 大连 116024)

多断口真空断路器较单断口真空断路器介质恢复强度高，恢复速率快，而且弥补了真空长间隙的饱和效应，因此多断口串联的方式更适用于提高真空断路器的应用电压等级[1-5]。近年来，真空断路器逐渐应用于直流系统中开断短路电流、开断容性电流等场合。同时，节能减排的提出加速了真空断路器在高电压场合的应用。

在实际工程应用中，由于各个断口空间布置的差异，断口间会存在杂散电容，在开断短路电流过程中各个断口上承受的电压不均衡。一般而言，高压侧断口承受的电压可高达恢复电压的60%～70%[6-11]。在开断短路电流过程中高压侧断口承受较高的电压，严重影响了多断口真空断路器的整体开断性能。

针对多断口真空断路器各个断口之间承受电压不均衡的问题，国内外学者展开了相关研究。文献[12]分别对三断口真空断路器静态电压分布和动态电压分布进行仿真研究与试验研究：静态电压分布采用有限元分析法，仿真得到每个断口承担的电压以及等效电容参数，并采用静态电压分布实验进行了验证，结果表明两者误差仅有2.11%；动态电压分布考虑了短路电流过零后间隙注入弧后电荷的影响，建立了真空断路器仿真模型和弧后电流仿真模型。文献[13]指出并联均压电容可以明显减少高压侧断口电压分布，改善分布特性。文献[14]指出并联均压电容虽然可以改善电压分布特性，但是在实际运行会影响换流变压器的励磁涌流。文献[15]对运行中均压电容的爆炸问题进行仿真研究，指出并联电容爆炸的主要原因是绝缘出现问题。文献[16]分析了均压电容的大小对静态电压分布特性的影响。

为了解决均压措施带来的不利影响，有关学者在自均压方面展开研究。文献[17]通过磁场调控实现在无并联均压电容条件下改善高、低压断口电压分布，其研究表明在触头分离时刻施加纵向磁场效果最佳。文献[18]研究了操动机构的分闸动作速度对动态电压分布的影响，通过控制高、低压断口的分闸速度来优化2个断口间的电压分布特性。文献[19]提出一种自均压方式，通过改变开断方式、灭弧室布置方式等减少均压电容的使用。

改变开关外部使用条件的方式虽然可以在无均压措施的条件下优化电压分布特性，但外加设备受制于开关的应用场合。本文提出一种高、低压侧采用不同尺寸参数灭弧室的方式构成真空断路器，配合高、低压断口的不同燃弧时间，在无外加措施条件下改善动态电压分布特性。

1 电压分布机理

根据真空间隙的状态，电压分布有静态和动态2种，在电压分布原理上有本质区别。静态情况下，断口间无电弧产生，断口阻抗可以等效为电容的容抗。动态情况下，断口之间产生电弧，断口阻抗由燃弧阶段结束后的残余等离子决定，断口阻抗包括弧后电阻和断口电容容抗。

根据电压分布原理不同，动态电压分布有2个阶段。在电流过零后的最初几微秒内，电弧尚未熄灭，此时断口可以等效为电阻元件，各个断口的电压按照电阻的串联原则分配，这一阶段称为电弧控制阶段。随后，断口间注入弧后电荷，各断口之间的电压分配关系是由注入的弧后电荷与断口间形成的等效电容参数共同决定的。当足够长时间后，弧后电荷的影响作用完全消失，加在断口两端的电压相当于系统的工频电压，这时的电压分布特性与静态电压分布特性一致，按断口等效自电容与杂散电容的串并联关系分配，称为介质控制阶段。

流过短路电流时，动静触头分离过程中会产生电弧，电弧的特性随着动触头的运动不断变化，断口间的等效电容也随着间隙的变化而变化。在电弧控制阶段，断口阻抗可以等效为随时间t变化的电阻R1(t)和R2(t)；在介质控制阶段，断口阻抗可以等效为随时间t变化的电容C1(t)和C2(t)。在2个断口两端并联均压电容器(量符号分别为CG1和CG2)时，电压分布等效电路如图1所示[20]，其中，Cg为对地杂散电容，U10为总电压，U12为高压侧断口电压，U20为低压侧断口电压。

图1 电压分布等效电路

在双断口真空断路器中，各个断口中每个阶段电子的运动特性影响其动态电压分布。如图2所示，其中i(t)为开断电流，uarc(t)为电弧电压。在开断短路电流过程中，根据电子运动特性可将开断过程分为3个阶段：电子加速运动阶段、电子减速运动阶段、电子反向至消失阶段。

图2 开断电流的3个阶段

t0—t1阶段：电子加速运动阶段。动静触头分离，间隙中间形成电弧等离子体，在燃弧过程中触头和断口间的金属小块向断口中蒸发出金属蒸气。受到电场力影响，电子和离子都向阳极运动，等离子体呈电中性。在此过程中，注入断口的电荷、能量分别为：

(1)

(2)

式(1)、(2)中：Q为转移电荷；t0为触头分离时刻；t1为电弧熄灭时刻；W为燃弧期间注入能量。

通过式(1)、(2)可知，若断口的燃弧时间不同，注入断口的电荷和能量不同，其等效电容上的作用即表现为每个断口承担不同的电压。

研究导轨架结构，主要对标准节结构进行分析[1]。标准节由主弦管、斜腹杆、齿条、角钢框架、螺栓、螺母和销等组成，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等类型，同时，不同的类型的施工升降机，具有不同规格的标准节。因此，其结构十分复杂，参数又多，如果每设计一种导轨架都用三维软件重新建模，需要人工输入的数据很多，工作量大，很容易出错。而各种标准节主要组成部分基本相同，设计过程中的大部分工作都是重复的。

t1—t2阶段：电子减速运动阶段。在t1时刻电流、电压经过零点，过零后电极极性改变，电子和离子在电场作用下开始减速运动。由于离子质量较大，离子减速加速度小于电子减速加速度。电子减速较快，速度很快降到0。断口间仍有电流流过，介质尚未恢复绝缘能力，没有电压承受能力，此阶段电压为0。

燃弧阶段的不同会造成过零后残余等离子体状态存在很大差别，其密度、温度、运动速度不同，导致弧后电导不同，残余等离子体电阻不同，电子从过零点减速到0的过程不同，这些特性均对动态电压分布特性产生影响。

t2时刻之后：电子反向运动。电子减速到0后，开始反向加速运动，离子运动方向不变，导致在新阴极附近形成离子鞘层。离子鞘层向新阳极发展，等离子区域逐渐消失，恢复电压在断口两端建立起来。剩余电阻影响暂态恢复电压(transient recovery voltage，TRV)，两断口剩余电阻不同，断口上承担的恢复电压不同。

Rres=uTRV/ipos.

(3)

式中：Rres为剩余电阻；uTRV为暂态恢复电压；ipos为弧后电流。

通过上述分析可知，动态电压分布特性受等效电容参数和电弧参数的影响，这2个参数与灭弧室的结构尺寸都有密切关系。灭弧室中触头的面积大小以及电流过零时动静触头之间的间距直接影响断口的等效电容参数。而灭弧室的结构尺寸影响断口间的空间体积，进而影响电压分布。燃弧时间会对弧后初始状态造成影响，尤其在峰值时刻，若TRV进入到电容控制阶段较早，即断口等效阻抗较大，有利于暂态恢复上升阶段的电压均衡分布。TRV衰减振荡主要是由于弧后电荷注入均压电容造成的不平衡，由弧后电荷和电容参数决定；在TRV稳定阶段，这种不平衡主要是由电容参数决定的，接近静态电压分布。

由此可以推断出，布置不同结构参数的灭弧室，配合不同的燃弧时间，可以优化高、低压侧断口的电压分布，以减少甚至取消均压电容的使用。

2 确定双断口真空断路器组合方式

本文选取3种典型的真空灭弧室，型号分别为TD-12/1600-31.5U1(记为VI31.5)、TD-12/2000-40A (记为VI40)、TD-12/5000-50B(记为VI50)，尺寸参数见表1。

表1 真空灭弧室内部尺寸参数

表2 灭弧室的布置方式

由前文分析可知，双断口真空断路器的动态电压分布特性与断口的等效电容参数密切相关。在ANSYS软件中进行静电场仿真，2个断口采用平行布置方式，计算得到的等效电容参数见表3。

表3 等效电容参数

3 动态电压分布特性试验

3.1 相同燃弧时间动态电压分布试验结果及分析

同期开断的试验条件为：主电流峰值8 kA/50 Hz，TRV峰值30 kV，2个断口的燃弧时间设置为5 ms。试验中真空断路器的操动机构为永磁机构。受限于永磁机构自身特性，断口的每次分闸时间有一定差异，影响断口的燃弧时间。为保证试验的准确性，重复5次成功的动态电压分布试验，高、低压侧电压分配占比取5次的平均值。试验电路原理如图3所示，其中：电流源电容器Ci和电抗器Li振荡产生峰值8 kA/50 Hz电流，通过开关CB引入被试断路器，AB为辅助开关；电压源电容器Cv和电抗器Lv振荡产生峰值30 kV的TRV，通过点火球隙SG将TRV引入被试断路器；D为点火球隙控制电路；R0和C0为调频电阻器和调频电容器；CT为罗氏线圈；PT1和PT2为泰克P6015高压探头。

图3 试验电路原理

典型的动态电压分布波形如图4所示。

图4 典型电压分布波形

将试验采集到的数据导入MATLAB中，选取TRV峰值时刻的总电压、高压侧断口电压及低压侧断口电压数值，计算得到高、低压侧承受的总电压峰值占比如图5所示，并以该数据衡量动态电压分布特性的优劣，其值越接近50%表示动态电压分布特性越好。

图5 4种断路器电压分布占比

对比组合Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的动态电压分布特性，可以明显看出，低压侧使用相同的真空灭弧室VI31.5，并且在相同的燃弧时间条件下，增大高压侧真空灭弧室的尺寸参数(触头半径、屏蔽罩长度等)，可以明显改变电压分布特性，其中：高压侧使用VI50、低压侧使用VI31.5串联构成的组合Ⅳ动态电压分布特性最佳，高压侧断口分压占比48.44%，接近50%;传统的使用相同灭弧室串联构成的组合Ⅱ在无并联均压电容的条件下，高压侧断口承担了较高(64.08%)的TRV，与已有文献的研究结果基本相近。此外，组合Ⅳ中高压侧断口承受的电压小于低压侧，这也证明了灭弧室的尺寸参数对电压分布特性有很大影响。

若TRV峰值以30 kV计，电压分布特性最差的组合Ⅰ中高压侧断口分压23.784 kV，在电压分布特性最优的组合Ⅳ中高压侧断口分压14.532 kV，两者之间相差9.252 kV。在开断电力系统中的短路电流时，组合Ⅰ中高压侧断口由于承担了更高的TRV，其击穿概率较高。在高压侧断口击穿之后，全部的TRV将施加在低压侧断口上，若此时低压侧断口的绝缘强度恢复不足，会直接导致开断失败，将对电力系统造成二次冲击。

3.2 不同燃弧时间动态电压分布试验结果及分析

由式(1)、(2)可知，开断相同的短路电流条件下，不同燃弧时间会使电流过零时刻断口燃弧期间产生的电荷数量、注入的能量及动静触头的间距不同，影响动态电压分布特性。

为了研究不同燃弧时间对电压分布特性的影响，对组合Ⅲ和组合Ⅳ进行了不同燃弧时间的动态电压分布特性研究。试验条件为：主电流峰值8 kA/50 Hz，TRV峰值30 kV，高压侧断口燃弧时间3 ms，低压侧断口燃弧时间7 ms，采用罗氏线圈测量电流，采用泰克P6015高压探头采集电压。

不同燃弧时间下2种组合方式的动态电压分布特性对比见表4，以高压侧断口分压来衡量动态电压分布特性的优劣。

表4 2种试验下电压分布特性对比

表4中，组合Ⅲ在相同燃弧时间与不同燃弧时间的高压侧断口分压占比出现了3.83%的差异。这主要是由于高压侧断口的燃弧时间由5 ms缩短至3 ms，燃弧时间的减小使注入断口的电荷数量减少，导致电流过零之后，残存在间隙中的等离子体数目减少，其在电容上的作用即表现为承受的电压降低。

在低压侧使用相同的灭弧室串联时，即使将组合Ⅲ中高压侧断口的燃弧时间由5 ms减小到3 ms，其承担的电压仍高于高压侧燃弧时间5 ms时组合Ⅳ中的高压侧断口电压，这可以由静电场仿真得到的等效电容参数解释。从表3可以看出，2种组合方式的低压侧断口等效电容(9.51 pF和9.66 pF)和对地杂散电容(8.41 pF和8.61 pF)近似相等，组合Ⅲ高压侧等效自电容(11.95 pF)小于组合Ⅳ高压侧等效自电容(15.87 pF)。较短的燃弧时间虽然可以降低高压侧断口承担的电压，但在开断电流较低(8 kA)时其影响程度有限，等效电容参数对动态电压分布特性的影响仍旧很大。

双断口真空断路器的动态电压分布特性不仅与等效电容参数有关，也与2个间隙中的电弧特性有关。为了直观证明电弧特性因素的影响，本文进行如下试验研究。

确保永磁机构外部驱动电路的电压相同，使其动作特性相同，然后测量前文试验中永磁机构的平均分闸速度，测量结果为1 mm/ms。由此可以推断：燃弧时间为3 ms时，永磁机构带动动触头运动3 mm，动静触头间距为3 mm；燃弧时间为7 ms时，对应的动静触头间距为7 mm。

以组合Ⅲ为试验研究对象，拆掉永磁机构与真空断路器动触头之间的连接杆，通过外加螺杆将高压侧断口拉开3 mm，低压侧断口拉开7 mm。在这种条件下施加与前文动态电压分布试验中TRV幅值和频率相同的电压，进行高、低压断口不同开距下静态电压分布试验，以模拟在无弧后等离子体的影响下，不同燃弧时间动态电压分布试验中电流过零时刻两断口之间的电压分布。

在不同开距静态电压分布试验中，组合Ⅲ中高压侧分压占比52.51%，相比动态电压分布试验中的50.36%增加1.85%，这可以理解为电弧对动态电压分布特性的影响。在静态电压分布中，两断口的电压分布是简单地按电容的串并联关系分配；而在动态电压分布中，高、低压断口间的电弧特性也会对电压分布产生影响。但由于在试验中开断的短路电流较小，注入的电荷数量和能量有限，相较于等效电容参数，电弧特性在电压分布特性中的影响并不十分明显。

4 结论

本文提出一种高、低压侧采用不同尺寸参数灭弧室的方式构成双断口断路器，对其在相同、不同燃弧时间下的动态电压分布特性进行研究，得到以下结论：

a)灭弧室的尺寸参数影响断口间电压分布，通过高、低压侧尺寸参数和燃弧时间的配合，可以弥补杂散电容和各断口间电弧特性对电压分布的不利影响，优化电压分布特性，提升开断容量。

b)从动态电压分布特性的角度而言，对比组合Ⅳ和组合Ⅱ的电压分布结果，可知在高、低压侧断口布置相同的灭弧室并不是最优方式。通过高、低压侧断口在燃弧时间上的配合可进一步优化动态电压分布特性。

c)开断短路电流时，电弧特性会对动态电压分布特性产生影响。但在小电流条件下，电弧特性的影响效果有限，等效电容参数对动态电压分布特性的影响占主导地位。