真空灭弧室中频电弧开断特性研究

摘要

直流断路器用于实现直流系统的故障隔离和清除，是直流构网必不可少的核心装备。机械式直流断路器采用电流注入方式，由LC产生中频振荡电流反向注入主回路，形成电流过零点，借助交流断路器来完成开断。普遍结论认为，在中频工况下真空介质相对其他类型如SF6、空气、油等开断能力强且暂态恢复迅速，因此一般选用真空断路器来完成中频电流的开断。在这种工作条件下，交流断路器需开断的是频率为千赫兹量级、幅值为数十千安量级、燃弧时间为毫秒量级的中频电流，且开断后瞬态恢复电压（transient recovery voltage,TRV）上升率大，因此灭弧室的中频电弧开断能力亟需提高。 本论文针对真空灭弧室中频开断特性开展研究。首先通过搭建单频振荡回路和可拆式灭弧室装置，进行了中频电弧阴极斑点的实验，研究了频率对电弧阴极斑点分布和速度的影响，并分析了阴极斑点的分布与频率的关系，发现在1000～2500Hz的频率范围内，随着频率的增大，阴极斑点分布越集中，表现为阴极斑点的分布面积变小。零区附近的阴极斑点分布是电弧零区弧后物理过程的初始条件，对微观粒子的产生、弧后的粒子迁移运动和扩散衰减产生影响。通过建立考虑燃弧过程影响的连续过渡模型（continuous transition model,CTM），发现随着频率的增加，快速离子和慢速离子在鞘层生长过程中的主导作用会发生转化，当快速离子占主导作用时，鞘层生长较快；当慢速离子占主导时，鞘层生长较慢，不利于电弧的开断。因此，在机械式直流断路器的反向电流频率选择上，要避开慢速离子占主导的频率范围。通过对瞬态电弧的仿真计算，发现在1000-2500Hz的频率范围内，随着频率的增加离子数密度变大，导致鞘层生长变缓。最后研究了中频回路电流开断能力的计算方法以及固定电流幅值和频率下回路元件参数的选择方法，利用考虑燃弧过程影响的CTM模型结合电弧重燃判据来确定电弧开断的极限和选择优化回路的电容和电感参数。通过计算可以确定固定回路参数下的开断电流极限、优化选择固定电流下的回路元件参数以及开断失败情况下的电弧重燃时刻。 本论文研究的成果可以为机械式直流断路器的灭弧室触头结构设计、反向电流频率范围选择、固定回路参数下的电流开断极限计算方法以及回路元件参数的优化选取进行理论指导。

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