平板触头分离过程直流真空电弧形态与电压特性

基于强迫换流原理的混合型直流真空断路器是直流开断技术的有效方式之一,其参数设计及开断能力与电弧形态演化密切相关。利用可拆卸真空灭弧室,对直径为45?mm的CuCr50平板触头,在1~8?kA的近似恒定直流条件下分离过程中真空电弧的形态演化规律和电弧电压特性进行了研究。实验结果表明:触头分离初期,电弧集聚在电弧引燃处;随着开距的增加,电弧逐渐扩散。当电流小于5?kA时,电弧始终呈扩散型,电弧电压噪声较小;当电流大于5?kA,电弧能扩散到整个触头表面,但电弧初始引燃处多发展成阳极亮斑,且燃弧时间大于1.5?ms后,电弧电压噪声分量急剧增加。实验结果可以用于指导混合型直流真空负荷开关的设计。     

混合型直流真空断路器小间隙下的分断特性

混合型直流真空断路器技术是舰船电力系统短路保护的有效方式,其换流参数的优化设计取决于真空灭弧室的分断特性。利用可拆卸真空灭弧室,研究了直径为45 mm 的CuCr50平板触头在直流3~5 kA,燃弧时间约为50μs,触头开距约0.5 mm 的分断过程中,灭弧室电流下降过零变化率di/dt对电弧性能的影响。实验结果表明：di/dt>90 A/μs时,灭弧室电流过零后继续流通;di/dt<60 A/μs 时,灭弧室电流过零截止,电弧熄灭,可以为介质恢复过程创造近似零电压的恢复条件。实验条件下,经过约50μs的近似零电压恢复过程,真空间隙介电强度恢复到静态耐压水平,击穿电压幅值主要受触头表面状态的影响。实验结果可以用于指导低压混合型直流真空限流断路器的研发。     

新型强迫换流型限流断路器真空介质强度的恢复特性

为了保证新型强迫换流型真空直流限流断路器关断短路电流的可靠性,对该型断路器分断过程的真空介质恢复特性进行研究。设计了与断路器关断过程等效的介质恢复试验方案,通过等效试验结果和理论推演公式的拟合,得到了新型强迫换流型限流断路器真空灭弧室触头打开过程的动态介质强度恢复规律。研究结果表明:减小燃弧能量、提高触头运动速度可提高真空灭弧室介质的临界击穿电压;综合考虑燃弧时间与燃弧能量及触头开距的关系,随着燃弧时间的增加,真空灭弧室临界击穿电压先减小后增大。所得介质恢复规律可以作为新型断路器优化设计的参考依据。     

直流真空电弧强迫开断电弧形态

随着航空270V直流系统的应用,直流开关的需求逐渐增加。现阶段直流开关大多为空气开关,其开断容量较小,使用真空开关将对于提高开断容量具有一定优势。针对航空270V直流用短间隙真空灭弧室进行高频开断实验,研究了直流强迫开断的电弧电压、电流特性,分析了回路参数对直流强迫开断中平均电流变化率di/dt和弧后过电压dv/dt的影响。通过相同开断实验电流、相同电流变化率、不同触头结构情况下开断实验,分析了电弧直径动态特性。强迫熄弧过程中,平板触头电弧直径逐渐减小,纵磁触头电弧直径变化较小并在熄弧前迅速变化。针对不同电流实验,随电流升高电弧直径略有增加。起弧阶段,平板触头电弧直径随燃弧时间呈对数函数增加,而纵磁触头电弧直径基本保持不变。拟合得到平板电弧起弧时直径变化函数,随燃弧时间延长,平板触头电弧直径逐渐增大至大于纵磁触头电弧直径。     

新型直流真空断路器强迫换流分断特性

基于强迫换流原理的新型混合型直流真空断路器是解决高上升率直流短路电流分断难题的有效方式。获知短燃弧、短间隙条件下真空开关大电流分断特性是快速直流真空断路器的研制基础。利用合成实验平台,研究了采用Cu Cr50平板型触头的真空开关,燃弧时间数百微秒,触头开距不足2 mm的条件下,分断20 kA左右电流的介质强度恢复特性。实验结果表明:真空开关分断电流17 kA时,以110 A/μs的速率换流过零后,经过41μs的近似零电压阶段的恢复,可以成功抗受10 kV/mm的电场应力,但延迟击穿重燃现象时有发生;分断电流21 k A时,电场应力不足5 kV/mm时,便会发生击穿重燃。通过触头结构设计,使开关分离拉燃电弧时形成双柱乃至多柱电弧成为改善真空开关分断特性的可行方法。     

低压真空电弧分断性能的研究

低压真空电弧由于开距小，真空金属过零后的金属蒸汽扩散主要以触头吸收为主，其开断性能与高压真空电弧有很大差异，对于低压真空断路器，需要对触头材料和开距进行细致考虑方能发挥真空灭弧室开断电流的优势，同时有效地减少截流值。     

燃弧时间对混合型直流真空断路器分断特性的影响

利用可拆卸真空灭弧室,研究了直径45mm的Cu Cr50平板触头,在不同的燃弧时间下采用强迫换流法分断2~5k A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。     

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《高压断路器技术发展动态》文集通过对SF6断路器开断能力、热气流的模拟、触头材料烧蚀状况、电弧能量、模型等的分析研究，介绍了SF6断路器的最新发展动态；通过对真空灭弧室大电流开断的物理过程、纵向磁场作用下大电流真空电弧的磁场控制、绝缘恢复特性、触头材料以及真空断路器其它性能的基础研究，     

AMF与TMF高频磁场特性仿真对比分析

真空灭弧室的灭弧性能与真空灭弧室触头的磁场特性密切相关,其中纵向磁场(AMF)灭弧技术与横向磁场(TMF)灭弧技术应用最为普遍。基于人工零点的高压直流真空断路器,引入高频震荡电流帮助开断,为了分析真空断路器开断高频电流情况下的磁场特性,文中建立了两种类型的触头结构进行有限元仿真,对比分析真空灭弧室磁场特性以及触头片涡流情况。结果表明:在高频电流开断情况下,横磁结构触头与纵磁结构触头相比有更好的磁场特性分布;触头片涡流是影响纵磁结构触头磁场特性恶劣的关键因素,而对横磁触头间隙磁场特性几乎没有影响。     

一种新型高压真空灭弧室触头及其特性

高压真空开关的核心部件之一是真空灭弧室,由于其触头开距较大,因此多采用纵向磁场触头,希望触头间隙有较强且较均匀的纵向磁场,这样可降低电弧电流密度,降低电弧能量,从而提高开断性能。该文提出了一种适合应用于高电压等级真空灭弧室的新型纵向磁场触头结构,该触头结构结构简单,便于加工,而且结构强度更好。利用有限元方法对这种新型的真空灭弧室磁向磁场触头间隙的磁场分布特性进行了计算与分析, 结果表明其磁场特性优于现有传统纵磁触头结构。利用这种新型触头结构制做了真空灭弧室样机,在单频LC振荡回路上进行了性能测试,结果表明在触头开距为40和60 mm时其同样具有良好的开断短路电流的性能。     

Arc behavior and interruption ability of uniform vacuum arc control technology and its application to vacuum interrupter

The vacuum arc characteristics and high current interruption ability of several different sized electrodes applied in the uniform vacuum arc control method named self arc diffusion by electrode (SADE) are presented. The arc behavior of the test electrode during the arcing period was observed by a high‐speed video camera. At extremely high interruption currents, the arc of the conventional axial magnetic field (AMF) electrode concentrates, causing local heating of the electrode. However, the arc of the SADE diffuses over the whole contact area thus avoiding local heating. The interruption ability of SADE is about twice as much as that of the conventional AMF for the same sized electrode. By applying this arc control method to vacuum circuit breaker (VCB), it can be made more compact and lighter than the conventional type. © 2011 Institute of Electrical Engineers of Japan. Published by John Wiley & Sons, Inc.     

长间隙触发真空开关的实验研究

报导了长间隙触发真空开关的实验研究结果 ,包括导通过程、触发可靠性、触发时延及工作稳定性。实验表明 ,采用高压小电流击穿与低压大电流续流的触发电路 ,可保证触发可靠性 ;长间隙触发真空开关有良好的工作稳定性 ,除得到更高工作电压的触发真空开关外 ,还可用于长间隙真空电弧特性的研究。     

五种纵向磁场真空灭弧室触头磁场特性分析比较

用三维有限元法研究了线圈、杯状,两极和四极及双线圈五种纵磁真空灭弧室触头的纵向磁感应强度分布、触头片上涡流分布和纵向磁场滞后时间.研究表明:(1)电流峰值时纵向磁场由强到弱依次排列为:线圈式触头、两极式结构、双线圈式触头、杯状和四极式触头;(2) 电流过零时剩余磁场由弱到强依次为:四极式触头、两极式触头、杯状触头、双线圈式触头和线圈式触头; (3)纵向磁场较强处滞后时间由小到大依次为:两极式触头、四极式触头、线圈式触头、双线圈式触头和杯状纵磁触头.     

纵磁真空灭弧室的弧后电流

测试和研究了纵磁灭弧室中真空电弧弧后电流的变化与开断电流和电极开距之间的规律,得出了使弧后电流快速上升的转折电流,它表征了燃弧期间开始出现阳极斑点.     

真空电弧电压与电弧形态关系的实验研究

在可拆卸式真空灭弧室中对平板式电极进行了试验,通过高速电荷耦合器件(CCD)摄像机拍摄的电弧形态照片及示波器记录的电弧电压波形,研究了真空电弧的电弧电压与电弧形态的关系。作为对比,也对杯状纵磁触头进行了一些试验。     

Relationship between current waveform just before current zero and interruption ability of high‐speed VCB

A high‐speed vacuum circuit breaker which forces the fault current to zero was investigated. The test circuit breaker consisted of a vacuum interrupter and a high‐frequency current source. A vacuum interrupter with an axial magnetic field electrode and a disk‐shaped electrode was tested. The arcing period of the high‐speed vacuum circuit breaker is much shorter than that of a conventional circuit breaker. The arc behavior of the test electrodes immediately after the contact separation was observed by a high‐speed video recorder. The relation between the current waveform just before the current zero point and the interruption ability was investigated experimentally by varying the high‐frequency current source. The results demonstrate the interruption ability and the arc behavior of the high‐speed vacuum circuit breaker. Effective current interruption is made possible by a low current period just before the current zero point, even though the arcing time is short and the arc is concentrated. © 2010 Wiley Periodicals, Inc. Electr Eng Jpn, 172(2): 20–27, 2010; Published online in Wiley InterScience ( www.interscience.wiley.com ). DOI 10.1002/eej.20915     

日本真空断路器的发展与现状

由于真空断路器具有开断大电流、体积小、成本低等许多优点，势必取得越来越广泛的应用。介绍了真空断路器在日本的发展，叙述了其发展的成果以及21世纪工程发展的主题，包括：物资的回收。人类的安全及真空断路器的无火灾等特点。展现了日本真空断路器的发展趋势及目前的应用。     

杯状纵磁真空灭弧室三维涡流场仿真

对杯状纵磁真空灭弧室触头建立了与实际触头结构完全一致的有限元分析模型,模型中把电弧弧柱处理成圆柱形金属导体.对模型用有限元法进行了三维涡流场仿真.仿真结果表明,考虑电弧以及杯和电弧的涡流效应后,在电流峰值时,触头片中电流密度最大值变大;触头片上槽一侧的纵向磁场比另一侧强;磁感应强度B矢量在触头表面上的分布呈"旋涡"形状,其纵向分量在触头中心较大,越靠近触头边缘越小,而横向分量则增大;电流过零时,与未考虑电弧以及杯和电弧的涡流效应时的计算结果相比,触头间隙中心平面上及触头表面上的纵向磁场分布变为"帐篷"形状,纵向磁感应强度最大值也变大.在触头开距中心处纵向磁场较强且纵向磁场滞后时间也相对较长.     

杯状纵磁真空灭弧室磁场特性分析

用三维有限元法研究了7个设计参数对杯状纵磁触头的纵向磁感应强度、纵向磁场滞后时间、杯中和触头片中电流密度最大值以及导体电阻值的影响。研究表明:譹增加触头直径或开距会减弱纵向磁感应强度,增加杯指旋转角或杯指数目可使其增强,而杯指和水平面夹角、触头片上开槽数及触头材料采用CuCr50或CuCr25对其影响不大。譺设计参数在较大范围内变化时,纵向磁场滞后时间的变化很小。譻增加触头直径或触头片开槽数、减小杯指旋转角、合理选择杯指与水平面夹角和杯指数目或采用CuCr50触头材料可减少杯中或触头片中的电流集中。譼增加触头直径或杯指与水平面夹角,或减小杯指旋转角和杯指数目、减小触头片开槽数及采用CuCr25触头材料可减小导体电阻。