开断速度对电磁斥力高速开断器介质恢复特性的影响

2015-09-20袁志方庄劲武江壮贤

电力自动化设备 2015年7期

袁志方，庄劲武，陈倩，江壮贤，陈搏

（1.海军工程大学电气工程学院，湖北武汉 430033；2.海军驻大连426厂军事代表室，辽宁大连 116005）

0 引言

电磁斥力高速开断器是一种适用于混合型限流熔断器的线路开断装置[1-3]，主要功能是实现线路由通流状态向燃弧状态的快速转换。它的基本工作原理是在斥力线圈中通以脉冲电流，在斥力盘中感应出涡流；在2种电流的相互作用下，产生电磁斥力，进而推动斥力盘撞击开断器动子，实现通流金属桥体的快速开断[4]。与爆炸辅助开断器[5-7]相比，电磁斥力高速开断器最大的优势在于避免了炸药的存在导致的对于温升的苛刻限制，同时具有安全性更好、经济性更强等优点[8-10]。

介质恢复特性是电磁斥力高速开断器的关键性能指标之一，良好的介质恢复特性是成功分断故障短路电流的基本保障。介质恢复强度不足将使得开断器无法承受灭弧熔断器起弧后产生的过电压，进而导致分断失败[11-14]。由于介质恢复特性的重要性，国内外许多学者针对开断器介质恢复特性开展了大量的研究工作，这些工作的热点主要集中在空气环境、真空环境以及SF6下开关电弧介质恢复特性的研究。

空气环境中的介质恢复特性研究热点主要集中在对于电弧、气流以及电磁场三者之间相互作用的讨论上，耦合计算电弧流场与电磁场，研究剩余弧柱等离子体衰减过程中的电场畸变与热场变化。在满足工程误差允许的前提下，该类研究通常建立在电弧轴对称以及局部热力学平衡的前提假设之下，而在更为复杂的工程背景下，也有关于引入紊流效应的介质恢复特性的研究[15-17]。

真空环境中的介质恢复特性研究热点主要集中在恢复电压峰值与介质恢复强度上升速度的讨论上，研究对象主要是双断口及多断口的动态介质恢复过程，重点考察弧后电荷鞘层的发展规律，主要解决的工程难题是多断口恢复电压分布不均匀的问题，现阶段已完成针对双断口及多断口真空开关的静态击穿统计分布模型和弧后重击穿统计分布模型[18-20]的建立。

SF6环境中的介质恢复特性研究热点主要集中在对于气体流动的讨论上，湍流发展越充分，越有利于介质强度的恢复。由于喷口的机械形状结构对于湍流的形成以及发展有着直接的影响，因此对于SF6环境中介质恢复特性的数值模拟的工程落脚点都在于如何优化喷口的设计，计算方法耦合了气流场、电磁场以及动力场，不仅关注开关触头分闸运动特性对于介质恢复特性的影响，而且重点分析了气流密度、气流压力等参数对于介质恢复特性的规律性影响[21-22]。

上述对于不同环境下的开关电弧介质恢复的研究极大地提高了开关承受弧后介质恢复能力，进而使得开关的极限分断能力得到了极大的提升[23]。目前，就开断速度对于开关电弧介质恢复特性影响的研究还未见报道，关于开断速度对于开关特性影响的研究主要还集中在如何更好地实现机械结构工程一致性的讨论上[4]。

为了优化电磁斥力高速开断器的介质恢复特性，本文在建立的电磁斥力高速开断器斥力仿真模型的基础上，优化了外部驱动电路的电气参数，获取了可以将开断速度提升至37.2 m／s的参数方案，达到了与爆炸辅助开断相当的速度水平[6]。设计了包含电流回路、强迫换流回路以及高压回路的强迫换流型介质恢复试验电路，完成了2种不同开断速度条件下的介质恢复性能对比试验，试验示波图和高速摄像照片不仅说明了电磁斥力高速开断器斥力仿真模型的正确性，同时也佐证了提升开断速度对于优化电磁斥力高速开断器介质恢复特性的有效性。通过高速摄像得到的开断器运动轨迹测量结果以及试验获取的开断速度对于介质恢复特性的影响规律，可用于指导电磁斥力高速开断器的优化设计。

1 电磁斥力高速开断器电磁斥力数学模型

1.1 电磁斥力高速开断器工作原理

电磁斥力高速开断器剖面如图1所示。在斥力回路晶闸管接收到触发导通信号后，斥力线圈中流过脉冲电流在斥力盘中感应出方向相反的涡流，2种电流的相互作用将产生幅值巨大电磁斥力。经过固有机械延时之后，斥力盘推动活塞，在斥力的作用下迅速向上撞击，撞断桥体中间的柱体，推动其进入上部空腔，实现通流金属桥体的快速开断[1]。

1.2 电磁斥力高速开断器电磁斥力计算数学模型

文献[25]详细分析了某电磁斥力机构的数学模型：斥力机构动作时，根据能量守恒定律，电源提供的能量dAs应等于机构所做的功dA、磁场中能量的变化dw和热损耗dQ之和，即：

如果斥力线圈与斥力金属盘之间有磁耦合，可以写出它们的能量平衡关系式为：

其中，e1和 e2、i1和 i2、R1和 R2分别为斥力线圈和斥力金属盘的电压、电流和电阻。

斥力线圈与斥力金属盘总的磁能w决定于式（3）：

其中，L1为斥力线圈的电感；L2为斥力金属盘的电感；M为斥力线圈和斥力金属盘之间的互感。

联立式（1）—（3）可得该电磁斥力机构所做的功为：

由于L1、L2都为常数，则该电磁斥力机构的电磁斥力的大小为：

由式（5）知电磁斥力与斥力线圈中的放电电流和斥力盘感应电流的乘积成正比，与斥力线圈回路等值电感对位移z的导数成正比。电磁斥力垂直斥力盘向上。电磁斥力高速开断器斥力机构的斥力计算涉及到外部驱动电路脉冲电流、斥力盘感应涡流以及斥力线圈回路等值电感对位移的时变导数，是一个复杂的动态过程[25]。

1.3 外部驱动电路对开断速度的影响

电磁斥力高速开断器斥力机构如图2所示，图中B为磁感应强度。文献[4]对电磁斥力机构的机械部件组成、受力分析以及动作特性均进行了详细的阐述。斥力线圈由通流截面积相同、半径不同的同轴圆环线圈串联而成，脉冲电流由斥力线圈外接线路中的电容放电产生；为了延长力的作用时间，斥力线圈两端并联一个二极管，构成续流回路[4]。

图2 斥力机构的工作示意图Fig.2 Schematic diagram of repulsion agency

本文基于大型商用软件ansoft，建立了电磁斥力高速开断器斥力仿真模型。通过对比由仿真模型计算得到的与试验实测的斥力电流波形，对仿真模型进行校准。

在驱动电容为300 μF和600 μF（驱动电容的预充电压均为1500 V）时，分别由仿真模型计算得到和试验实测得到一组斥力电流 isrp，300、itrp，300和 isrp，600、itrp，600，如图3所示。表1为2组电流具体参数的对比，由表1可见：仿真模型与试验实测得到的斥力电流峰值间误差em最大为2.0%，对应的续流电流最小值的误差efw最大为8.6%。误差满足工程需求，说明了电磁斥力高速开断器斥力仿真模型的正确性。

图4、5分别对应外部驱动电容C=300 μF与C=600 μF（预充电压均为1500 V）时，通过已校准的仿真模型获取的斥力盘受力F、斥力电流irp与开断速度v。从图4中可知，在300 μF的外部驱动电容预充电压1500 V的条件下，斥力电流在45 μs时达到峰值6200 A，此时斥力盘受力38 kN，这个过程中开断速度一直在增加，达到了21.6 m／s。从图5中可知，在600 μF的外部驱动电容预充电压1500 V的条件下，斥力电流在63 μs时达到峰值8400 A，此时斥力盘受力58 kN，这个过程中开断速度一直在增加，达到了37.2 m／s。

图3 斥力电流的仿真和实测结果对比Fig.3 Comparison of repulsion current waveform between simulation and experiment

表1 不同驱动电容条件下仿真与试验斥力电流对比Table 1 Comparison of repulsion current between simulation and experiment for different drive capacitors

图4 驱动电容为300 μF时，驱动机构电气参数Fig.4 Electrical parameters of drive circuit with 300 μF drive capacitor

图5 驱动电容为600 μF时，驱动机构电气参数Fig.5 Electrical parameters of drive circuit with 600 μF drive capacitor

图6是在预充电压均为1500 V的前提下，随着电容容量的增加，开断速度峰值的变化曲线。

图6 开断速度峰值与驱动电容容量的关系曲线Fig.6 Relation between peak value of breaking speed and drive capacitor capacity

从图6中可以观察到，随着驱动电容容量的增加，开断速度峰值也随之线性增大。在驱动电容容量为100 μF时，对应的开断速度峰值为6.9 m／s；在电容容量增大至600 μF时，开断速度峰值增大至37.2 m／s。

本文旨在分析爆炸分断速度[6]幅值之内的开断速度对于电磁斥力高速开断器介质恢复特性的影响，因此没有进行更大电容容量的论述。此外，电容容量的增加会带来刚分时间增长的不利影响，这也是不再考虑进行更大电容容量研究的另一个原因[4]。

2 强迫换流型介质恢复试验系统

高速开断器对于试验系统有3个特殊要求：为试品制造人工电流零点，且在所要求的介质恢复时间内一直维持该电流零点；电压源需要模拟灭弧熔断器的弧压；介质恢复开始后，经过指定的延时后再投入电压源[26]。本文建立满足上述3点要求的电磁斥力高速开断器强迫换流型介质恢复试验系统如图7所示。试验系统主要由电流回路、强迫关断回路、高电压回路及电磁斥力高速开断器（含斥力驱动回路）组成。各回路具体电气参数如下：电流回路电容C1为8 mF，预充电压U1为500 V，回路电感L1为15 μH；强迫关断回路电容C2为8 mF，预充电压U2为350V，电感L2为3μH，电感L3为2μH。斥力电容C0为600 μF，预充电压U0为1 500 V；试品并联电容C4容量3 nF；高压回路电容C3容量10 μF，预充电压U3为1300 V；电阻R（10 Ω）的作用是限制高压回路的最大击穿电流。强迫关断回路中二极管VD5的作用是防止高电压回路的高电压对低压侧的电流回路和强迫关断回路中器件造成击穿损坏。

图7 强迫换流型介质恢复试验电路Fig.7 Forced commutation dielectric recovery circuit

试验中晶闸管的触发是由时序触发集中控制系统完成的，时序控制策略如下。

a.在介质恢复试验系统的零时刻，时序触发集中控制系统将触发信号1发送至电流回路的晶闸管VF1，在晶闸管VF1导通后，电容C1通过电感L1和电磁斥力高速开断器放电。

b.经过指定的延时后，时序触发集中控制系统将触发信号2发送至斥力驱动回路的晶闸管VF0，在电磁斥力高速开断器的固有机械延时结束后，开断器开始分断动作，电弧产生。在强迫关断回路作用前，电流会继续保持上升的趋势。

c.再经过指定的延时后，时序触发集中控制系统将触发信号3发送至强迫关断回路晶闸管VF2，在晶闸管VF2导通后，流经电磁斥力高速开断器的电流开始下降。流经电磁斥力高速开断器的电流降为0后，电流转移至VD3-L3支路，开始续流，此时，电磁斥力开断器开始进入介质恢复阶段。

d.再经过指定的延时后，时序触发集中控制系统将触发信号4发送至高电压回路晶闸管VF3，电容C3上的预充电压通过电阻R加载在电磁斥力高速开断器的断口两端，测试电磁斥力开断器的介质恢复状态。

3 不同开断速度下的介质恢复特性分析

3.1 21.6 m／s的开断速度下介质恢复性能分析

在第1.2节中已阐述了不同外部驱动电路电气参数对应的开断速度。本文在驱动电容容量300 μF、预充电压1500 V的基础上，利用第2节所述试验系统进行了电磁斥力高速开断器的强迫换流型介质恢复试验。图8反映了21.6 m／s开断速度对应的介质恢复结果。

图8 21.6 m／s开断速度下的试验波形Fig.8 Experimental waveforms at 21.6 m／s breaking speed

由图8可见：t=0 ms时刻主回路导通，电流im开始上升。t=0.41 ms时刻斥力驱动回路导通，经过100 μs的固有机械延时后，在t=0.51 ms时刻电磁斥力高速开断器开始分断工作，建立28 V的电弧电压u1；与此同时，强迫换流回路晶闸管导通，流经电磁斥力高速开断器的电流ie开始下降，在110 μs的时间内将峰值为8400 A的电流换流完毕；在t=0.62 ms时刻，电磁斥力高速开断器进入介质恢复阶段，介质恢复持续了 170 μs；在t=0.79 ms时刻，高电压回路晶闸管导通，高电压加载在电磁斥力高速开断器两端。由电压波形u2可见，高电压回路预充的1300 V没有完全加载在试品两端。试品在两端起始阶段仅承受了100 V的电压，随着时间的推移，承受的最大的电压幅值也仅为400 V，这说明了电磁斥力高速开断器没有彻底完成介质恢复，而是处于介质恢复的临界状态。

采用Photron型号FASTCAM SA4高速摄像机进行了高速摄像，捕获电磁斥力高速开断器的运动轨迹。摄像机参数设置为：摄像速度100 000 fps（每秒传输 100000 帧），快门速度 1／177000 s，分辨率192×128。通过高速摄像得到的开断器运动轨迹测量结果如图9所示。

图9 21.6 m／s开断速度下介质恢复过程的高速摄像结果Fig.9 High-speed photography of dielectric recovery process at 21.6 m／s breaking speed

图9（a）中，前一帧照片为开断器动作之前的内部照片。高压加载时刻的开断器有效开距为5.6 mm，完成该行程耗时280 μs，对应分断速度为20.0 m／s，与理论分析得到的的分断速度21.6 m／s对比，误差为7.4%，在工程允许误差范围之内。这个结果佐证了第1.2节的理论分析结果，说明了电磁斥力高速开断器斥力仿真模型的有效性。

t=0.51 ms时刻，电磁斥力高速开断器被顶断，产生电弧，此后一帧（间隔10 μs）捕捉到的图像中，可以观察到明显的燃弧现象。t=0.62 ms时刻换流结束。t=0.79 ms时高压加载至电磁斥力高速开断器断口两端，从图像中可以观察到明显的电弧，这说明了1300 V预充电压没有能够完全加载在试品两端的原因：由于介质恢复没有彻底完成，在加载高电压时刻依然存在高温等离子体，试品无法承受较大幅值的恢复电压。

3.2 37.2 m／s的开断速度下介质恢复性能分析

在第1.2节中已阐述了不同外部驱动电路电气参数对应的开断速度。本文在驱动电容容量600 μF、预充电压1500 V的条件下，利用第3节所述试验系统进行了电磁斥力高速开断器的强迫换流型介质恢复试验。图10反映了37.2 m／s的开断速度对应的介质恢复结果。

图10 37.2 m／s开断速度下的试验波形Fig.10 Experiment waveforms at 37.2 m／s breaking speed

由图10可见：t=0 ms时刻主回路导通，电流im开始上升。t=0.41 ms时刻斥力驱动回路导通，经过90 μs的固有机械延时后，在t=0.50 ms时刻电磁斥力高速开断器开始分断工作，建立31 V的电弧电压u1；与此同时，强迫换流回路晶闸管导通，流经电磁斥力高速开断器的电流ie开始下降，在110 μs的时间内将峰值为8400 A的电流换流完毕；在t=0.61 ms时刻，电磁斥力高速开断器进入介质恢复阶段，介质恢复持续了170 μs；在t=0.78 ms时刻，高电压回路晶闸管导通，高电压加载在电磁斥力高速开断器两端。由电压波形u2可见，高电压回路的1 300 V预充电压完全加载到了试品两端，这说明电磁斥力高速开断器彻底完成了介质恢复。

通过高速摄像（摄像机参数同第3.1节）捕获电磁斥力高速开断器运动轨迹如图11所示。图11（a）的前一帧图片为开断器动作之前的内部照片。高压加载时刻的开断器有效开距为10.4 mm，完成该行程耗时 280 μs，对应分断速度为 37.2 m／s，达到了与爆炸辅助开断速度相当的水平，与理论分析的分断速度37.2 m／s间的误差为0.5%，在工程允许误差范围之内。这个结果佐证了第1.2节的理论分析结果，说明了电磁斥力高速开断器斥力仿真模型的有效性。

图11 37.2 m／s开断速度下介质恢复过程的高速摄像结果Fig.11 High-speed photography of dielectric recovery process at 37.2 m／s breaking speed

t=0.50 ms时刻，电磁斥力高速开断器被顶断，产生电弧，此后一帧（间隔10 μs）捕捉到的图像中，可以观察到明显的燃弧现象。t=0.61 ms时刻换流结束。t=0.78 ms时高压加载至电磁斥力高速开断器断口两端，从图像中观察不到电弧，这说明了1300 V预充电压能够完全加载在试品两端的原因：由于介质恢复彻底完成，在加载高电压时刻，高温等离子体已经完成冷却，可以承受较大幅值的恢复电压。