基于阳极放电模式的杯状纵磁触头真空灭弧室分闸速度设计

真空断路器短路开断能力与真空电弧的控制技术及断路器分闸速度的控制技术紧密相关。该文的研究目标为基于真空电弧强电弧模式向扩散态模式转变规律对杯状纵磁触头真空灭弧室分闸速度进行设计。通过对杯状纵磁触头在不同分闸速度、不同燃弧时间条件下进行拉弧试验,研究的影响强电弧模式持续时间、强电弧模式转变为扩散态模式时刻的临界纵向磁场及与之对应的临界触头开距与分闸速度的关系。试验结果显示,真空灭弧室分闸速度和燃弧时间对真空电弧阳极放电模式的演变具有显著影响,较高的分闸速度能够使得强电弧模式快速转变为扩散态模式。强电弧模式转变为扩散态模式时刻对应的临界触头开距及其临界纵向磁场强度、强电弧模式持续时间,随电弧电流的增大而增大,且不同的分闸速度条件下强电弧模式转变为扩散态模式的临界触头开距具有峰值效应。在真空断路器分闸速度的设计过程中,宜使得真空灭弧室刚分速度高于该峰值临界触头开距所对应的分闸速度。研究结果可为应用杯状纵磁触头的真空断路器的分闸速度的设计提供理论依据。     

平板触头小开距中频真空电弧特性研究EI北大核心CSCD

为验证小开距平板真空触头在航空变频(360~800Hz)电力系统中作为保护电器应用的可行性,该文选择触头直径为20mm、触头材料为Cu-W-WC合金的真空灭弧室,在3mm开距条件下进行电弧特性实验,并基于磁流体理论,建立中频真空电弧的多物理场耦合仿真模型。研究结果表明:平板触头内的小开距中频真空电弧,燃弧能量低、对触头表面烧蚀轻,开断失败时未形成阳极斑点;大电流模式下,电流的自身磁场可使对称的柱状电弧合并,峰值时形成扩散态中频真空电弧;在360~800Hz范围内,随电流频率增加,小开距平板触头的开断能力略有下降,开断能力大于12.4kA,满足航空变频电力系统的保护需求。     

中频下正弦曲面触头真空电弧特性研究

随着多电/全电飞机技术的发展,交流中频(360～800Hz)供电体制成为航电系统的主要发展方向,对新型小体积、轻重量、大开断容量开关的需求更加迫切。真空开关凭借自身的开断原理和结构特点,具备应用于航空领域的优势。提出一种新型触头结构——正弦曲面触头真空灭弧室,研究新型触头在中频下的真空电弧特性,对比分析了同等触头直径(41mm)和材料的正弦曲面触头和平板触头在小开距下的真空电弧形态的演变过程、电弧电压特性、燃弧能量、开断性能、阳极烧蚀程度及电弧生成物凝结能力,得到燃弧能量与电流幅值和频率的关系,以及燃弧能量对开断能力的影响规律。结果表明,在开断中频真空电弧时,正弦曲面触头的燃弧能量低,电弧电压噪声小、峰值低,阳极触头表面烧蚀程度轻,开断能力和电弧生成物凝结能力更强,具有很强的应用潜力。     

真空开关横磁触头磁场仿真与电弧特性研究

真空开关具有开断能力大、可靠性高、体积小及对周围环境无污染等优点,已经广泛应用于中压领域,文中针对国内真空开关发展的现状和实际需求,对万字型横磁触头真空电弧在电弧跨越触头槽隙过程的特性进行仿真分析和实验研究。首先建立了万字型横磁触头的三维有限元模型,计算了触头间隙磁场的分布以及弧柱所受磁吹力情况,特别分析了越过触头槽隙的过程中磁场和磁吹力的变化规律,并计算了槽隙宽度对磁场以及磁吹力的影响;并且采用高速摄影机通过实验研究了电弧越过触头槽隙过程中电弧形态特点以及不同槽隙宽度对电弧特性的影响。仿真和实验的结果表明,弧柱在运动到触头槽隙时更倾向于沿槽隙运动而非跨槽;同时,槽隙宽度在一定范围内减小可以减小槽隙对电弧运动所带来的不利影响。     

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。     

纳米CuCr50触头材料电弧侵蚀特性

近年来,纳米CuCr触头材料在截流水平、耐压能力等方面的表现优于微晶CuCr触头材料。笔者利用真空触点模拟装置和基于虚拟仪器的电器电寿命测试系统,研究了直流低电压、小电流下的纳米CuCr50触头材料的电弧侵蚀量与分断燃弧时间和触头表面形貌之间的关系,同时采用两种微晶CuCr50触头材料作为对比。利用电光分析天平纳米CuCr50触头材料的侵蚀量,利用电子扫描显微镜测量触头表面形貌。结果表明:纳米CuCr50触头材料的平均分断燃弧时间和侵蚀量均高于两种微晶CuCr50触头材料。纳米CuCr50触头表面Cr颗粒细化及均匀分布,有利于分散电弧。纳米CuCr50阴极触头表面电弧烧蚀比较均匀,而两种微晶CuCr50触头阴极表面电弧局部烧蚀严重,出现明显的凹坑侵蚀。     

中频供电系统真空电弧开断过程与液滴喷射分析

为研究真空开关在航空交流中频(360～800Hz)供电系统中的开断性能,该文选择触头直径为41mm、触头材料为CuCr50合金的真空灭弧室,进行短路开断实验;研究开断过程,拟合得到电弧电压与频率和电流、极限开断能力与频率的关系式;分析弧后液滴喷射现象,计算液滴的受力和运动轨迹。结果表明:中频真空电弧的电压峰值和电压上升率随电流频率和峰值的增加而增大;而电流开断能力随频率增加而下降,但与等值的工频电流相比,由于燃弧时间缩短,触头烧蚀减弱;电弧重燃时,有金属液滴从弧隙向外喷射,喷射速度范围为10～20m/s,驱动力为从燃弧区域内部向外的压力,压力梯度约为7.9×10~4 Pa/mm。     

126kV真空灭弧室3/4匝线圈型纵磁触头大电流电弧特性研究

文中针对一种126 kV真空灭弧室3/4匝线圈型纵磁触头,采用拉弧试验的方法对其在大电流下的真空电弧扩散态模式持续时间、强电弧模式持续时间以及真空电弧形态等电弧特性进行试验研究。选取3种不同线圈结构的触头进行试验,触头结构1、2、3的线圈宽度分别为12、14、16 mm。试验电流为36 kA(rms)和40 kA(rms),第1个电流半波内的燃弧时间分别为3.5、9 ms。试验结果表明,触头结构2的真空电弧扩散态模式持续时间最长,强电弧模式持续时间最短。随着电弧电流的增加,3种触头结构在电流过零前的扩散态模式持续时间随之减小。通过对2种触头结构大电流真空电弧特性进行分析比较,126 kV真空灭弧室3/4匝线圈型触头选择触头结构2,线圈宽度为14 mm。     

横磁触头真空灭弧室中收缩型电弧的运动与形态转变

本文论述了横磁触头真空灭弧室开断实际短路电流时的零前过程,开断电弧的一般特性,着重介绍了起始金属桥爆炸引燃的收缩型电弧的停滞现象,收缩型电弧的运动特性及其转变成扩散型电弧的条件等问题。     

直流接触器触头电弧侵蚀特性

触头开断过程中会产生电弧,从而导致触头表面被侵蚀,影响其电接触性能。由于直流供电系统不存在自然过零点,致使直流接触器触头受电弧侵蚀影响比交流接触器更加严重。为了研究电弧对触头的侵蚀作用,基于磁流体动力学理论,考虑电弧与触头之间的能量耦合,建立电弧-触头动态耦合模型,研究了电流等级和分断速度对触头电弧侵蚀特性的影响。仿真结果表明：近阳极区电弧温度高于近阴极区电弧温度;电流等级由20 A提高到30 A时,电弧温度和燃弧时间显著提高,燃弧能量增加75.93%,使得触头侵蚀更加严重;触头分断速度由0.1 m/s增加到0.2 m/s时,电压电流的变化率提高,燃弧时间和熔池体积减小,燃弧能量减少47.83%,电弧对触头的侵蚀作用降低。实验结果与仿真相吻合,验证了仿真模型的正确性。     

Capacitance switching with vacuum circuit breakers-a comparativeevaluation

A statistical approach for determining the probability of reignition during capacitance switching by vacuum circuit breakers is described, wherein the dielectric recovery following current interruption is probed by overstressing the contact gap. It is found that the breakdown data can be quite well described by the Weibull distribution. The method is used to compare the capacitance switching performance of vacuum interrupters having copper/chromium and copper/bismuth contacts. Results imply a reignition rate for copper/bismuth almost two orders of magnitude higher than that for copper/chromium. Reignitions tend to occur when the arc angle (the period of arcing before current zero) is short, regardless of the contact material. The gap between CuCr contacts recovers more quickly than that between CuBi contacts. Very few reignitions after 2.5 ms were observed with CuCr contacts, whereas for CuBi reignitions persisted from 6 to 7 ms. This increases the likelihood of an overvoltage accompanying a reignition     

Better interpretation of vacuum interruptor tests

In this article, we step through the development process, from fundamental investigations of the arc-contact interaction to performance and precertification testing of manufactured vacuum interrupters (VI). We also describe how VI models are tested above their arc-contact interaction to performance and rated current to monitor the quality of their materials and processing. The present work began with movies of arcs between spiral-type VI contacts, which generate a radial magnetic field to drive the high-current arc column along the spiral arms. The end-of-life condition of identical contacts and shields from manufactured VIs tested repeatedly under the corresponding conditions, was also systematically studied, along with the arc voltage traces. From the integration of these experimental results, guidelines have been developed for using the arc voltage waveforms of spiral-contact VIs to determine when in a high power arcing cycle the arc is stationary, moving, breaking up, diffuse or causing melting of the arc-contacts. In particular, anchoring of a high-current arc, and the resultant intense localized heating of the contacts, can increase the probability of long VI arcing times. Inspection of arc voltage traces is thus a method to monitor for contact damage and reduced internal performance during testing. The results are applicable to analysis of arc voltages and contact travel records from breaker certification tests     

横向磁场下中频真空电弧形态及电弧电压特性

研究了杯状横向磁场触头中频真空电弧(400~800 Hz)的电弧形态及电压特性。实验在单频回路中进行,采用去掉屏蔽罩的杯状横向磁场真空灭弧室进行实验,触头直径为66 mm,触头开距为4 mm。实验结果表明:只有当电流升高到一定值时,电弧才有运动现象;电弧的运动特性主要受磁场的影响;电弧运动不是产生高频电弧电压噪声的原因,而当阴极斑点占据整个阴极表面时,电弧电压才产生高频噪声。最后根据实验结果得到电弧电压与电流幅值和频率的关系公式。     

三种CuCr触头材料对真空灭弧室投切背靠背电容器组性能的影响

为研究三种不同触头材料(真空熔渗CuCr50、真空熔铸CuCr40Te0.005、电弧熔炼CuCr50)对真空灭弧室投切背靠背电容器组性能的影响,将采用三种不同材料制备的触头各装配在三只相同的12kV等级真空灭弧室中,每只真空灭弧室经过80次背靠背电容器组合分操作,高频涌流设定为幅值8 kA、频率3.8 kHz。结果表明:真空熔渗CuCr50、真空熔铸CuCr40Te0.005以及电弧熔炼CuCr50的平均重击穿概率分别为6.7%、5.8%、8.3%,重击穿现象主要发生于恢复电压持续时间的1/4T与10T之间(T表示恢复电压周期20 ms);复燃现象多次出现,真空熔铸CuCr40Te0.005(1次)电弧熔炼CuCr50(9次)真空熔渗CuCr50(10次)。     

小开距真空间隙放电特性的研究

采用对固定开距的真空灭体室施加电压使其击穿的方法对与多次重燃过程有密切关系的小开距真空间隙放电现象进行了研究,发现该类放电的特征可用冷击穿电压和开距的关系、燃弧后真空间隙热态耐压强度和开距的关系以及放电时高频重燃半波持续数来进行描述。试验发现用铜铬触头材料制成的真空灭弧室具有最高的冷击穿强度、是银碳化钨的三倍、且对线路的参数不敏感。根据能量关系建立的高频重燃半波数模型可对高频重燃持续的时间进行计算。     

Condensed metal vapor on alumina ceramic in vacuum interrupters

Investigations have been carried out on the dielectric performance of the ceramic (high-purity alumina, Al/sub 2/O/sub 3/) surface in vacuum interrupters after switching. In order to examine the influence of the shielding on the protection of the ceramic surface against metal vapor condensation different types of vacuum interrupters (VIs) have been tested: VIs with and without shielding. Additionally, two contact materials CuCr: 75:25 wt% and WCAg: 56:4:40 wt% have been investigated to compare the adhesion of different metal vapors to alumina ceramic surfaces. After having performed a HV conditioning of the VIs, dc arcs with arbitrary arcing times were triggered between the contacts simulating the generation of metal vapor during high current interruption and load break switching. Between the arcing tests the insulation levels of all VIs have been tested by means of HV ac source. Afterwards the VIs were opened and the microstructure of the metallic condensate on the inner ceramic surface was analyzed by means of scanning electron microscopy (SEM) and atomic force microscopy (AFM). The integral chemical composition of the metallic film was investigated by inductive coupled plasma (ICP).     

大电流真空电弧磁流体动力学模型与仿真

为了对大电流真空电弧进行深入研究,以真空电弧双温度磁流体动力学模型为基础,通过计算流体动力学软件FLUENT,采用控制容积法,对大电流真空电弧特性进行了仿真研究。对于大电流真空电弧而言,等离子体的流动处于亚音速状态,因此,在阴极和阳极边界条件的选择上将区别于超音速流动的真空电弧。同时对等离子体密度、轴向电流密度、等离子体速度、马赫数、离子温度、电子温度、离子压力、等离子体压力以及注入阳极的能流密度分布的形成机理进行了分析。从仿真结果可以发现,大电流真空电弧等离子体压力的最大值出现在阴极附近,等离子体将在压力梯度的作用下从阴极到阳极做加速运动,这一点明显区别于超音速流动的真空电弧。另外,仿真结果与高速CCD照片也是吻合的。     

真空灭弧室中屏蔽罩电位动态测试及分析

本文通过测量真空灭弧室中屏蔽罩电位与电弧电压和恢复电压关系的动态变化波形，探讨真空灭弧室在短路电流分断过程中，真空电弧的燃弧规律和弧后介质强度恢复规律。在试验结果的基础上，对真空灭弧室屏蔽罩电位与触头间电压的动态关系进行了数学推导，从理论上分析了屏蔽罩电位的变化规律，证实这是一种研究真空灭弧室性能的可行方法。     

Study on Restrike Phenomena for 40.5-kV Vacuum Circuit Breakers

Introduction Modern vacuum circuit breakers with vacuum interrupters have been used widely to switch and protect distribution cir- cuits[1]. Vacuum circuit breakers, in contrast to other circuit breakers, possess the following features[2].1) They provide …