機械式高壓直流真空斷路器的換流參數研究

基於換流原理的機械式高壓直流真空斷路器，是高壓直流系統短路開斷的有效方式之一，電弧熄滅後斷口間介質恢復強度能否耐受恢復電壓是決定其開斷性能的關鍵，因此換流時間與最小安全開距的配合成為其設計的重要參考依據。

大連理工大學電氣工程學院、國網遼寧省電力有限公司電力科學研究院的研究人員張梓瑩、梁德世、蔡淼中、鄒積巖、劉芮彤，在2020年第12期《電工技術學報》上撰文，利用直流開斷實驗平臺，實驗研究了高壓直流真空開斷系統樣機在不同換流時刻、開斷電流幅值、換流頻率、換流電流與開斷電流的幅值比（換流比）下的換流時間和最小安全開距。

結果表明：換流時刻選擇過早會導致電弧因開距不足而重燃，在實驗條件下，換流頻率3kHz，開斷5kA直流電流，最小安全開距約為0.60mm；隨著開斷電流幅值的增加，最小安全開距近似線性增大；隨著換流頻率或換流比的增大，換流時間均將明顯減小，對最小安全開距的要求也隨著斷口恢復電壓的增加而更高。

高壓直流系統以其經濟性、穩定性和可調節性等優勢，在諸多輸電領域具有良好的發展前景，基於換流原理的高壓直流開斷方法，通過在斷口疊加反向的高頻電流，使電弧電流過零後熄滅，是高壓直流開斷的有效方式之一。

經典研究認為高壓直流真空斷路器開斷電流的極限在於其電流變化率di/dt，有學者通過多種換流支路參數進行實驗並得出結論：基於換流原理的高壓直流真空斷路器的開斷極限由所開斷的電流值和換流時間決定。

有學者利用CMOS高速攝像機觀測了基於換流原理的高壓真空直流開斷過程中電弧的形態及轉移過程，結果表明當注入同等的電弧能量，換流頻率選擇較低時，電流轉移時間變長，電弧形態演化較慢，有利於電弧熄滅後電極間隙介質絕緣強度的恢復。但在開斷數十kA的大電流時，電極急劇加熱，在電極間隙將產生更多的金屬蒸氣和離子，相比電流轉移時間的影響，電流零點時刻的粒子密度更大程度上取決於開斷電流的大小。

目前基於換流原理的高壓直流真空開斷研究較多，但缺少換流投入時刻、換流時間與最小安全開距等換流參數的概念及細節的深究，結論也缺少足夠的論證。

隨著快速操動機構的發展，機械式斷路器已經能夠實現快速開斷，技術更加成熟。基於換流原理的機械式高壓直流真空斷路器，其換流時間與最小安全開距的配合是決定開關能否成功開斷的關鍵，最小安全開距是機械式高壓直流真空斷路器設計的重要參考依據。此外，某種意義上可以認為換流時間和最小安全開距是決定電弧熄滅後兩電極間的介質恢復強度的關鍵因素之一。

換流時間與換流電流幅值及電弧電流過零前電流變化率相關，二階微分方程無法解出含動態真空電弧特徵的開斷過程。大連理工大學電氣工程學院、國網遼寧省電力有限公司電力科學研究院的研究人員，以基於換流原理的機械式高壓直流真空斷路器為研究背景，定義並分析了換流時刻、換流時間、換流比等換流參數以及它們與最小安全開距的關係，通過直流開斷實驗分析不同換流參數對開斷性能的影響。

圖1 基於換流原理的機械式高壓直流真空斷路器的基本結構

圖2 直流開斷實驗迴路

研究人員最後得出以下結論：

• 1）換流時刻選擇過早會導致電弧因觸頭開距不足而重燃，實驗條件下，換流頻率3kHz，開斷5kA直流電流，換流時刻最早約為0.193ms，最小安全開距約為0.60mm。
• 2）當換流頻率和換流比一定時，隨著開斷電流幅值的增大，換流時間不變，斷口恢復電壓增大而介質恢復強度較低，對最小安全開距的要求近似呈線性增長。
• 3）當換流比相同時，隨著換流頻率的增加，換流時間明顯縮短，加重開斷負擔。此時最小安全開距與換流電容預充電壓及斷口恢復電壓相關。
• 4）當換流頻率相同時，隨著換流比的增加，對最小安全開距有更高的要求。

以上研究成果發表在2020年第12期《電工技術學報》，論文標題為「機械式高壓直流真空斷路器換流參數研究」，作者為張梓瑩、梁德世、蔡淼中、鄒積巖、劉芮彤。