真空断路器触头间隙电弧运动相关研究

2021-05-18李梦如林仁杰国网江苏省电力有限公司苏州供电分公司

环球市场 2021年13期

李梦如林仁杰国网江苏省电力有限公司苏州供电分公司

断路器是变电站中重要的一次设备，与刀闸都可以起到连接和切断供电的作用，但区别于刀闸，断路器具有灭弧功能，可以有效地完成带负荷停送电操作。气体介质的绝缘性能及灭弧性能对于断路器开断性能、使用寿命、尺寸大小具有直接的影响，根据气体介质的不同，可以将断路器分为真空断路器、SF6 断路器等。早在1923 年相关学者就验证了真空的金属蒸汽特性，提出将真空作为断路器灭弧介质，在1997 年SF6 气体被指会在一定程度上引发温室效应，真空断路器得到了更为广泛的应用。目前变电站中在使用SF6 断路器时，往往会配套搭设气体检测装置、通风装置、压力告警仪表等监测装置，保障变电站运行维护人员的人身安全。除了气体介质会显著影响断路器开断性能外，断路器动静触头的材料、结构都会在一定程度上影响熄灭电弧的能力，进而直接影响断路器开断大电流的性能。

一、真空击穿原理及触头结构分类

当断路器分断短路电流时，其内部会出现真空击穿的现象，在动触头与静触头分离瞬间，即电极距离在1-2mm 之间时，真空击穿往往由场致发射引起，随着触头间距的增大，团粒成为真空击穿的主要原因，而这将会产生肉眼可见的电弧。电弧的产生往往会烧蚀触头表面，阳极触头通过电离金属蒸汽释放气体、熔化及蒸发，而阴极触头通过发射电子引起真空击穿，这也就是一般情况下阳极触头的融化程度更为明显的原因。

电弧的产生会熔化触头表面，以开槽的触头为例，会出现槽隙间的搭接，降低触头间隙磁场分布强度，影响电弧在触头间隙的运动情况，最终导致触头使用寿命的缩短。利用触头结构改善触头间隙磁场分布成为厂家提高触头使用性能的主要思路，针对触头间隙的磁场特性，目前广泛使用的触头可以分为横向磁场触头及纵向磁场触头两大类。

（一）横向磁场触头

横向磁场触头一般在静触头及动触头的表面开槽，使得流过动静触头的电流方向相反，在触头间隙形成平行于触头表面的横向磁场，驱动电弧弧柱在触头表面做旋转运动，缓解触头表面烧蚀情况。横向磁场触头可以分为螺旋型触头、万字型触头、杯状触头等。

横向磁场触头被广泛应用在低压、中压电网中，在小于10mm 的小触头开距时性能优于纵向磁场触头，但开断性能会趋于饱和。

（二）纵向磁场触头

纵向磁场触头可以通过在触头壁上开斜槽产生同相电流，在触头间隙形成垂直于触头表面的纵向磁场。在纵向磁场的作用下，触头间隙的电弧将会无法聚集，呈现扩散的电弧形态，进而减少触头熔化程度，提高其开断性能。

纵向磁场触头在开断大电流（50kA）情况下，具有较好的开断特性，且根据2015 年学者相关研究数据表明，纵向磁场触头最大可开断100kA 的开断电流。

此外也有学者设计出横纵磁场结合的触头，以供实际使用。利用合理的磁场分布及交流电流的过零点可以有效熄灭电弧，而直流电流则要考虑电弧静伏安特性来设计合适的熄弧点。

二、电弧实验原理及装置

对于触头结构进行改善时，往往先通过相关磁场仿真软件对改进后触头间隙的磁场分布进行模拟，分析电弧弧柱的切向力，即驱使电弧弧柱沿触头表面做旋转运动的电弧力，制作符合实际需求的一对动静触头，之后则需要搭设实验环境，进行电弧实验分析。

实验采用合成回路进行，原理图可简化如图1 所示。

实验回路包括主断路器、电抗器、电容器组、可拆卸真空灭弧室、操动机构、时序控制信号发生器等，形成LC 振荡回路产生大电流，其频率计算公式如下：

f为电流频率（Hz），L为回路电感（H），C为回路电容（f）。

实验测量装置包括高压探头、罗氏线圈、高速摄像机、示波器等。将触头安装在可拆卸真空灭弧室中，利用高速摄像机在可拆卸真空灭弧室的左右两侧观察窗拍摄触头分断过程中的电弧运动图像。高压探头的一极连接阳极触头，另一极与阴极触头共地，用来测量电弧电压，罗氏线圈用来测量电弧电流，时序控制器控制主断路器合闸至可拆卸真空灭弧器分闸的间隔时间，最终实验数据将在示波器上进行显示，并在计算机中保存波形数据及电弧图像。

图1 电弧实验原理图

三、弧压波形及电弧运动对比分析

根据实验所得的波形数据及电弧运动情况，对照分析可以发现，电弧电压波形在一定程度上可以反映电弧的运行情况，同时由于横向磁场触头与纵向磁场触头的作用原理有些不同，其对应的电弧形态也不尽相同，下面对横向磁场触头及纵向磁场触头在触头分断过程中各电弧运动阶段的电弧形态、电弧电压波形进行分析，并总结电弧形态与弧压波形的对应关系。

（一）横向磁场触头的电弧电压及电弧运动

图2 所示为开断电流峰值为12kA 的一组电弧电流及电弧电压波形图，静触头与动触头在4.45ms 时刻分离，这个时间可以由时序控制器中的程序调节。根据多组实验数据，横向磁场触头间隙的电弧运动可以分为起弧阶段、扩展阶段、运动阶段及扩散阶段，下面分别对各阶段的电弧形态进行分析。

在4.45ms 至t1 时刻为电弧的起弧阶段。这个阶段中动触头和静触头间隙可以观察到电弧，而电弧的起弧位置较为随机，可以在触头中心位置或触头两侧位置，存在单点起弧、多点起弧等多种状态。同时这一阶段电弧电压的增长速度是最快的，随着触头间距的增大电弧电压迅速升高。

在t1 至t2 时间段为电弧的扩展阶段。电弧电压同样呈增长趋势，但其增长速率明显低于电弧起弧阶段。单支电弧情况下，电弧将发生由触头中心位置向触头边缘运动、电弧弧柱直径增大等扩展现象；两支电弧情况下，由于弧柱数量增多，电流通路增加，降低了触头间隙的电流密度，从而使电弧受力减小，但弧柱的受力方向会相互影响，当两支电弧距离较近时会发生两支电弧扩展为一支弧柱的现象，当两支电弧距离较大时，往往会出现两只电弧同时产生扩展运动或一支电弧熄灭的现象。

在t2 至t3 时间段为电弧的运动阶段。电弧电压出现波动，这是由于电弧的运动造成的，在这个阶段中电弧呈现集聚状态，电弧受力分为径向力及切向力，径向力使得电弧向触头边缘侧运动，切向力使得电弧沿触头表面做旋转运动，可以有效减少触头表面的烧蚀。

在t3 时刻至电弧熄灭为电弧的扩散阶段，这一阶段随着电弧电流的逐渐减小，电弧受力无法使弧柱维持集聚状态，从而出现扩散的电弧形态，这一阶段往往会出现电弧的抖动、喷溅，并会伴随着阴极斑点形成等现象，这是造成这一阶段电弧电压曲线波动的一个原因。电弧扩散阶段的电压波形呈现下降趋势。