基于人工過零的直流開斷中真空電弧動態(tài)特性的研究.pdf

1、采用真空開關(guān)的人工過零直流開斷技術(shù)由于其在較高電壓等級直流開斷方面潛在的優(yōu)勢和應(yīng)用價值受到了國內(nèi)外研究者的關(guān)注。其開斷過程主要涉及主斷路器（真空斷路器）和換流開關(guān)（真空觸發(fā)間隙）內(nèi)真空電弧產(chǎn)生、發(fā)展、快速過零和熄滅的過程，這些過程中的電弧特性對開斷性能有重要的影響。與開斷過程中電路動態(tài)特性，如換流過程、過電壓產(chǎn)生和抑制等的研究相比，對于開斷過程中電弧動態(tài)特性的研究較少。本文主要針對基于人工過零的直流開斷中主斷路器內(nèi)真空拉弧的初始擴散過程

2、、真空觸發(fā)間隙內(nèi)觸發(fā)真空電弧的初始擴散過程以及電流快速過零過程中電弧的動態(tài)特性進行研究。
　　本文首先對真空拉弧初始擴散過程中的電弧特性進行了實驗研究。采用平板電極、杯狀電極（產(chǎn)生鐘形縱向磁場）、線圈電極（產(chǎn)生馬鞍形縱向磁場）重點研究了縱向磁場及其分布對拉弧擴散過程和電弧形態(tài)轉(zhuǎn)變的影響規(guī)律。此外還研究了起弧位置和陽極材料對真空拉弧初始擴散過程的影響。研究結(jié)果表明縱向磁場對真空拉弧的初始擴散過程具有兩個相反的作用，即抑制作用和促進作

3、用，這兩種作用共同控制著電弧的擴散過程。研究結(jié)果還表明馬鞍形分布的縱向磁場能更有效的促使真空電弧轉(zhuǎn)變?yōu)閿U散態(tài)，特別是在大電流燃弧中，馬鞍形分布縱向磁場的這一促進作用更加明顯。
　　其次，采用有限元計算軟件ANSYS計算了電流快速過零階段弧隙間的縱向磁場分布，并對真空拉弧和觸發(fā)真空電弧在電流快速過零階段的特性進行了實驗研究。最后研究了渦流引起的縱向磁場滯后對陰極斑點運動和分布特性的影響。實驗研究結(jié)果表明，與電流以工頻過零相比，在電流

4、快速過零階段，電弧的形態(tài)和陰極斑點的整體分布明顯滯后于電弧電流的變化，燃弧歷史對電弧的形態(tài)和陰極斑點的整體分布影響更加顯著。從這一角度來說，在電流快速過零前使電弧完全擴散有利于提高電流開斷能力。
　　此外，采用平板電極外加縱向磁場，通過大量系統(tǒng)的實驗對觸發(fā)真空電弧陰極斑點的初始擴散過程進行了實驗研究。研究了陰極斑點初始擴散過程中的動態(tài)特性及縱向磁場的影響。并著重研究了電弧電流、電極開距和縱向磁場對陰極斑點徑向徑向擴散速度的綜合影響

5、機理。實驗研究表明，電極開距的變化對陰極斑點徑向擴散速度有兩個相反的作用。一方面，開距增大使得電弧等離子體的損失增大，導(dǎo)致新陰極斑點在弧根內(nèi)生成的概率減小，最終導(dǎo)致陰極斑點的擴散增大。另一方面，當開距增大至一定程度，弧柱的收縮變得嚴重，使得弧根中心區(qū)域等離子體密度增大，導(dǎo)致陰極斑點的徑向擴散速度減小?？v向磁場可以削弱開距變化對陰極斑點徑向擴散速度的影響。開距為8mm和10mm時，對于給定的縱向磁場存在一個臨界電流。當電弧電流峰值大于這一

6、臨界電流時，給定的縱向磁場不足以抑制弧柱在大開距下的收縮，在這種情況下，開距為8mm時陰極斑點的徑向擴散速度大于開距為10mm時陰極斑點的徑向擴散速度。臨界電流的大小隨著縱向磁場的增大而增大。且在本文的實驗條件下，縱向磁場強度和臨界電流的比例接近于3~4 mT/k A。
　　最后，建立了大電流真空電弧中多陰極斑點在電弧自生磁場和外加縱向磁場下的運動模型，在模型中考慮了電極系統(tǒng)中的電流分布對磁場的影響，并提出了基于磁場疊加原理和坐標

7、變換的磁場計算方法。利用這一模型就縱向磁場及其分布對陰極斑點擴散過程的影響進行了初步的仿真研究。仿真結(jié)果進一步證實了，與鐘形分布縱向磁場相比，馬鞍形分布縱向磁場能使陰極斑點在電極表面分布更加均勻。此外，還以實驗所拍攝的陰極斑點在擴散階段初期的分布為初始條件，對觸發(fā)真空電弧陰極斑點的初始擴散過程進行了仿真，仿真得到的陰極斑點分布和徑向擴散速度與實驗結(jié)果較為吻合。
　　本文的工作對于深入了解基于人工過零的直流開斷中真空電弧的動態(tài)特性及