真空开关动态介质恢复性研究

梁俊飞

摘要真空开关在电力系统中起着颇为重要的作用。通过使用真空作为主触头的绝缘介质和灭弧介质来工作。正是由于其重要作用，文章分析了双断口真空开关的动态介质恢复过程，并在此基础上对真空开关的击穿统计特性进行了分析。结论表明，只有当电场的场强达到一定值时，才能使得微粒获得足够的动能，激发出来的金属蒸汽击穿真空间隙。

关键词真空开关；动态介质；恢复性；击穿

中图分类号：TM56 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）11-0044-01

真空开关在电力系统中起着重要作用。真空开关利用真空作为主触头间的绝缘物质和灭弧机制从而发挥其特殊作用。而正是由于真空具有极为优异的绝缘能力和灭弧能力等优点，因而在真空开关在配电领域得到了极为广泛的应用。至今为止，许多国家争相研究多断口真空开关，以促进本国电力事业的发展。本鉴于此，文以双断口真空开关的动态介质恢复过程为研究出发点，推导出多断口开关的最大可能增长倍数。并在此基础上，研究了真空开关的击穿统计特性，具有一定的参考价值。

1真空开关的动态介质恢复过程

1.1 双断口真空开关的模型建立

双断口真空开关试验回路中电流值取25 kA，电流源恢复电压峰值为100 kV。对于该回路而言，一旦将该回路的恢复电压加上之后，会使得其真空间隙两端的恢复电压变化率非常高，这样直接导致的后果可能是两个真空灭弧室的电压分配受到间隙的电容影响甚大。为了更清楚的对其物理性能进行分析，需要对该回路进行化简，从而最终得到其电路等效图。

根据等效电路图可以得到双断口真空开关的电压分配关系式如下。

（1）

（2）

1.2 双断口真空开关的动态介质恢复过程

电力系统受到真空开关的影像很大。而真空开关又分为双端口真空开关和单断口真空开关两种。在实践过程中，由多年以来的经验可以发现，前者的动态介质恢复过程与简单的后者的动态介质恢复过程有所不同。当双断口真空开关在工作时，由于具有其上下两个真空灭弧室，而灭弧室的分压不均会导致所受恢复电压较高的灭弧室易先发生击穿现象。而电压分布不均则是由于受到对地电容的影响。而在此时为了保证整个双断口开关并不会因为一个灭弧室发生事故而导致开端的失败，就需要恢复电压的峰值和上升速度低于某一极限值。这也是本文研究的目的所在。由于在这个开断过程中存在另外一个真空灭弧室的介质强度问题。由此，如果其中的一个灭弧室发生了电弧重击穿的问题，那么另外一个灭弧室将不能承受全部的恢复电压。真空电弧在电流过零熄灭后，剩余的等离子体在恢复电压的作用下继续运动。正离子朝着新阴极运动，而电子则朝着正阳极运动。最终形成正离子层，这个层区随着时间发展而渐渐变宽，直至充满整个间隙。研究实测固有恢复与实际恢复特性的曲线可以发现，其最终恢复特性曲线趋于一个常量值。

1.3 双断口弧后介质恢复过程

当真空电弧熄灭以后，由于突然的降温会导致弧隙间还存有大量的金属蒸汽和带电粒子，甚至还会有金属残留液滴。我们知道，恢复过程中真空间隙同恢复结束后的真空间隙的最大区别地方就在于残余物的存在。因此，此时最为关键的就是对于残余物的处理。也就是说，如何才能够识别金属残留的扩散过程将是研究恢复过程面临的重要问题。由于真空开关的弧后实际介质的强度恢复过程中有众多因素需要考虑。为了能够更加准确的考虑各个时间段内介质恢复因素的影响，本文将其分成三个作用阶段。即以介质恢复和暂态恢复电压相互作用为主的恢复前期阶段；以金属蒸汽密度为主导的恢复中期阶段；真空间隙达到全恢复静态耐压特性的后期阶段。针对三个不同阶段，采取不同的措施来对双断口弧后介质进行恢复。

2真空开关的击穿统计特性分析

我们知道，真空开关间隙的绝缘击穿过程发生的原因多种多样，不能以一个单一的因素作为判断标准。例如，在击穿过程中，很可能由于电机表面存在有场发射粒子或者在电机附近有松散粘附现象出现。而在真空开关的击穿过程中，其击穿的引发因素主要来源于电极。对于双断口真空开关而言，它的两个断口都存在服从一定分布特点的击穿弱点。为此，可以针对其建立击穿电压最大可能增长倍数以及击穿统计分布模型。而真空开关的性能也和触头的材料密切相关。为了能够有效提高真空开关的开断能力，通常会将高熔点的材料钽加入其中。

双断口真空开关设计思想采用小间隙的高真空绝缘特性，其真空开关的电压与间隙距离的关系如式（3）所示。

（3）

而单断口真空开关击穿电压和电极距离的关系为：

（4）

将式（3）和式（4）做除法运算可以获得双断口真空开关击穿电压的最大可能增长倍数K2：

（5）

通过分析可知，双断口真空开关的击穿的统计概率都要比单断口击穿统计概率小，与其串并联的多少无关。而通过仿真和实验可以得出结论：由于双断口开关真空灭弧断口的恢复电压不同，导致灭弧后的电荷鞘层的发展不同，从而影响了各自实际的介质恢复特性。

3结论

综上所述，双断口真空开关的动态介质恢复特性对电力系统有着重要影响。为了使得整个双断口开关不会因为一个灭弧室发生重击穿而导致开断失败，就需要想方设法使得恢复电压的峰值和上升速度低于某一极限值。为此，在分析双断口真空开关的动态介质恢复过程的基础上，又对真空开关的击穿统计特性进行了分析，具有一定的实用意义。

参考文献

[1]程显，廖敏夫，段雄英，等.双断口真空开关瞬态恢复电压分布特性的仿真与实验研究[J].中国电机工程学报，2012（01）.

[2]江壮贤，庄劲武，王晨，等.新型强迫换流型限流断路器真空介质强度的恢复特性[J].中国电机工程学报，2012（05）.

endprint

摘要真空开关在电力系统中起着颇为重要的作用。通过使用真空作为主触头的绝缘介质和灭弧介质来工作。正是由于其重要作用，文章分析了双断口真空开关的动态介质恢复过程，并在此基础上对真空开关的击穿统计特性进行了分析。结论表明，只有当电场的场强达到一定值时，才能使得微粒获得足够的动能，激发出来的金属蒸汽击穿真空间隙。

关键词真空开关；动态介质；恢复性；击穿

中图分类号：TM56 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）11-0044-01

真空开关在电力系统中起着重要作用。真空开关利用真空作为主触头间的绝缘物质和灭弧机制从而发挥其特殊作用。而正是由于真空具有极为优异的绝缘能力和灭弧能力等优点，因而在真空开关在配电领域得到了极为广泛的应用。至今为止，许多国家争相研究多断口真空开关，以促进本国电力事业的发展。本鉴于此，文以双断口真空开关的动态介质恢复过程为研究出发点，推导出多断口开关的最大可能增长倍数。并在此基础上，研究了真空开关的击穿统计特性，具有一定的参考价值。

1真空开关的动态介质恢复过程

1.1 双断口真空开关的模型建立

双断口真空开关试验回路中电流值取25 kA，电流源恢复电压峰值为100 kV。对于该回路而言，一旦将该回路的恢复电压加上之后，会使得其真空间隙两端的恢复电压变化率非常高，这样直接导致的后果可能是两个真空灭弧室的电压分配受到间隙的电容影响甚大。为了更清楚的对其物理性能进行分析，需要对该回路进行化简，从而最终得到其电路等效图。

根据等效电路图可以得到双断口真空开关的电压分配关系式如下。

（1）

（2）

1.2 双断口真空开关的动态介质恢复过程

电力系统受到真空开关的影像很大。而真空开关又分为双端口真空开关和单断口真空开关两种。在实践过程中，由多年以来的经验可以发现，前者的动态介质恢复过程与简单的后者的动态介质恢复过程有所不同。当双断口真空开关在工作时，由于具有其上下两个真空灭弧室，而灭弧室的分压不均会导致所受恢复电压较高的灭弧室易先发生击穿现象。而电压分布不均则是由于受到对地电容的影响。而在此时为了保证整个双断口开关并不会因为一个灭弧室发生事故而导致开端的失败，就需要恢复电压的峰值和上升速度低于某一极限值。这也是本文研究的目的所在。由于在这个开断过程中存在另外一个真空灭弧室的介质强度问题。由此，如果其中的一个灭弧室发生了电弧重击穿的问题，那么另外一个灭弧室将不能承受全部的恢复电压。真空电弧在电流过零熄灭后，剩余的等离子体在恢复电压的作用下继续运动。正离子朝着新阴极运动，而电子则朝着正阳极运动。最终形成正离子层，这个层区随着时间发展而渐渐变宽，直至充满整个间隙。研究实测固有恢复与实际恢复特性的曲线可以发现，其最终恢复特性曲线趋于一个常量值。

1.3 双断口弧后介质恢复过程

当真空电弧熄灭以后，由于突然的降温会导致弧隙间还存有大量的金属蒸汽和带电粒子，甚至还会有金属残留液滴。我们知道，恢复过程中真空间隙同恢复结束后的真空间隙的最大区别地方就在于残余物的存在。因此，此时最为关键的就是对于残余物的处理。也就是说，如何才能够识别金属残留的扩散过程将是研究恢复过程面临的重要问题。由于真空开关的弧后实际介质的强度恢复过程中有众多因素需要考虑。为了能够更加准确的考虑各个时间段内介质恢复因素的影响，本文将其分成三个作用阶段。即以介质恢复和暂态恢复电压相互作用为主的恢复前期阶段；以金属蒸汽密度为主导的恢复中期阶段；真空间隙达到全恢复静态耐压特性的后期阶段。针对三个不同阶段，采取不同的措施来对双断口弧后介质进行恢复。

2真空开关的击穿统计特性分析

我们知道，真空开关间隙的绝缘击穿过程发生的原因多种多样，不能以一个单一的因素作为判断标准。例如，在击穿过程中，很可能由于电机表面存在有场发射粒子或者在电机附近有松散粘附现象出现。而在真空开关的击穿过程中，其击穿的引发因素主要来源于电极。对于双断口真空开关而言，它的两个断口都存在服从一定分布特点的击穿弱点。为此，可以针对其建立击穿电压最大可能增长倍数以及击穿统计分布模型。而真空开关的性能也和触头的材料密切相关。为了能够有效提高真空开关的开断能力，通常会将高熔点的材料钽加入其中。

双断口真空开关设计思想采用小间隙的高真空绝缘特性，其真空开关的电压与间隙距离的关系如式（3）所示。

（3）

而单断口真空开关击穿电压和电极距离的关系为：

（4）

将式（3）和式（4）做除法运算可以获得双断口真空开关击穿电压的最大可能增长倍数K2：

（5）

通过分析可知，双断口真空开关的击穿的统计概率都要比单断口击穿统计概率小，与其串并联的多少无关。而通过仿真和实验可以得出结论：由于双断口开关真空灭弧断口的恢复电压不同，导致灭弧后的电荷鞘层的发展不同，从而影响了各自实际的介质恢复特性。

3结论

综上所述，双断口真空开关的动态介质恢复特性对电力系统有着重要影响。为了使得整个双断口开关不会因为一个灭弧室发生重击穿而导致开断失败，就需要想方设法使得恢复电压的峰值和上升速度低于某一极限值。为此，在分析双断口真空开关的动态介质恢复过程的基础上，又对真空开关的击穿统计特性进行了分析，具有一定的实用意义。

参考文献

[1]程显，廖敏夫，段雄英，等.双断口真空开关瞬态恢复电压分布特性的仿真与实验研究[J].中国电机工程学报，2012（01）.

[2]江壮贤，庄劲武，王晨，等.新型强迫换流型限流断路器真空介质强度的恢复特性[J].中国电机工程学报，2012（05）.

endprint

摘要真空开关在电力系统中起着颇为重要的作用。通过使用真空作为主触头的绝缘介质和灭弧介质来工作。正是由于其重要作用，文章分析了双断口真空开关的动态介质恢复过程，并在此基础上对真空开关的击穿统计特性进行了分析。结论表明，只有当电场的场强达到一定值时，才能使得微粒获得足够的动能，激发出来的金属蒸汽击穿真空间隙。

关键词真空开关；动态介质；恢复性；击穿

中图分类号：TM56 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）11-0044-01

真空开关在电力系统中起着重要作用。真空开关利用真空作为主触头间的绝缘物质和灭弧机制从而发挥其特殊作用。而正是由于真空具有极为优异的绝缘能力和灭弧能力等优点，因而在真空开关在配电领域得到了极为广泛的应用。至今为止，许多国家争相研究多断口真空开关，以促进本国电力事业的发展。本鉴于此，文以双断口真空开关的动态介质恢复过程为研究出发点，推导出多断口开关的最大可能增长倍数。并在此基础上，研究了真空开关的击穿统计特性，具有一定的参考价值。

1真空开关的动态介质恢复过程

1.1 双断口真空开关的模型建立

双断口真空开关试验回路中电流值取25 kA，电流源恢复电压峰值为100 kV。对于该回路而言，一旦将该回路的恢复电压加上之后，会使得其真空间隙两端的恢复电压变化率非常高，这样直接导致的后果可能是两个真空灭弧室的电压分配受到间隙的电容影响甚大。为了更清楚的对其物理性能进行分析，需要对该回路进行化简，从而最终得到其电路等效图。

根据等效电路图可以得到双断口真空开关的电压分配关系式如下。

（1）

（2）

1.2 双断口真空开关的动态介质恢复过程

电力系统受到真空开关的影像很大。而真空开关又分为双端口真空开关和单断口真空开关两种。在实践过程中，由多年以来的经验可以发现，前者的动态介质恢复过程与简单的后者的动态介质恢复过程有所不同。当双断口真空开关在工作时，由于具有其上下两个真空灭弧室，而灭弧室的分压不均会导致所受恢复电压较高的灭弧室易先发生击穿现象。而电压分布不均则是由于受到对地电容的影响。而在此时为了保证整个双断口开关并不会因为一个灭弧室发生事故而导致开端的失败，就需要恢复电压的峰值和上升速度低于某一极限值。这也是本文研究的目的所在。由于在这个开断过程中存在另外一个真空灭弧室的介质强度问题。由此，如果其中的一个灭弧室发生了电弧重击穿的问题，那么另外一个灭弧室将不能承受全部的恢复电压。真空电弧在电流过零熄灭后，剩余的等离子体在恢复电压的作用下继续运动。正离子朝着新阴极运动，而电子则朝着正阳极运动。最终形成正离子层，这个层区随着时间发展而渐渐变宽，直至充满整个间隙。研究实测固有恢复与实际恢复特性的曲线可以发现，其最终恢复特性曲线趋于一个常量值。

1.3 双断口弧后介质恢复过程

当真空电弧熄灭以后，由于突然的降温会导致弧隙间还存有大量的金属蒸汽和带电粒子，甚至还会有金属残留液滴。我们知道，恢复过程中真空间隙同恢复结束后的真空间隙的最大区别地方就在于残余物的存在。因此，此时最为关键的就是对于残余物的处理。也就是说，如何才能够识别金属残留的扩散过程将是研究恢复过程面临的重要问题。由于真空开关的弧后实际介质的强度恢复过程中有众多因素需要考虑。为了能够更加准确的考虑各个时间段内介质恢复因素的影响，本文将其分成三个作用阶段。即以介质恢复和暂态恢复电压相互作用为主的恢复前期阶段；以金属蒸汽密度为主导的恢复中期阶段；真空间隙达到全恢复静态耐压特性的后期阶段。针对三个不同阶段，采取不同的措施来对双断口弧后介质进行恢复。

2真空开关的击穿统计特性分析

我们知道，真空开关间隙的绝缘击穿过程发生的原因多种多样，不能以一个单一的因素作为判断标准。例如，在击穿过程中，很可能由于电机表面存在有场发射粒子或者在电机附近有松散粘附现象出现。而在真空开关的击穿过程中，其击穿的引发因素主要来源于电极。对于双断口真空开关而言，它的两个断口都存在服从一定分布特点的击穿弱点。为此，可以针对其建立击穿电压最大可能增长倍数以及击穿统计分布模型。而真空开关的性能也和触头的材料密切相关。为了能够有效提高真空开关的开断能力，通常会将高熔点的材料钽加入其中。

双断口真空开关设计思想采用小间隙的高真空绝缘特性，其真空开关的电压与间隙距离的关系如式（3）所示。

（3）

而单断口真空开关击穿电压和电极距离的关系为：

（4）

将式（3）和式（4）做除法运算可以获得双断口真空开关击穿电压的最大可能增长倍数K2：

（5）

通过分析可知，双断口真空开关的击穿的统计概率都要比单断口击穿统计概率小，与其串并联的多少无关。而通过仿真和实验可以得出结论：由于双断口开关真空灭弧断口的恢复电压不同，导致灭弧后的电荷鞘层的发展不同，从而影响了各自实际的介质恢复特性。

3结论

综上所述，双断口真空开关的动态介质恢复特性对电力系统有着重要影响。为了使得整个双断口开关不会因为一个灭弧室发生重击穿而导致开断失败，就需要想方设法使得恢复电压的峰值和上升速度低于某一极限值。为此，在分析双断口真空开关的动态介质恢复过程的基础上，又对真空开关的击穿统计特性进行了分析，具有一定的实用意义。

参考文献

[1]程显，廖敏夫，段雄英，等.双断口真空开关瞬态恢复电压分布特性的仿真与实验研究[J].中国电机工程学报，2012（01）.

[2]江壮贤，庄劲武，王晨，等.新型强迫换流型限流断路器真空介质强度的恢复特性[J].中国电机工程学报，2012（05）.

endprint