基于人工過(guò)零的直流開(kāi)斷中真空電弧動(dòng)態(tài)特性的研究.pdf

1、采用真空開(kāi)關(guān)的人工過(guò)零直流開(kāi)斷技術(shù)由于其在較高電壓等級(jí)直流開(kāi)斷方面潛在的優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用價(jià)值受到了國(guó)內(nèi)外研究者的關(guān)注。其開(kāi)斷過(guò)程主要涉及主斷路器（真空斷路器）和換流開(kāi)關(guān)（真空觸發(fā)間隙）內(nèi)真空電弧產(chǎn)生、發(fā)展、快速過(guò)零和熄滅的過(guò)程，這些過(guò)程中的電弧特性對(duì)開(kāi)斷性能有重要的影響。與開(kāi)斷過(guò)程中電路動(dòng)態(tài)特性，如換流過(guò)程、過(guò)電壓產(chǎn)生和抑制等的研究相比，對(duì)于開(kāi)斷過(guò)程中電弧動(dòng)態(tài)特性的研究較少。本文主要針對(duì)基于人工過(guò)零的直流開(kāi)斷中主斷路器內(nèi)真空拉弧的初始擴(kuò)散過(guò)程

2、、真空觸發(fā)間隙內(nèi)觸發(fā)真空電弧的初始擴(kuò)散過(guò)程以及電流快速過(guò)零過(guò)程中電弧的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行研究。
　　本文首先對(duì)真空拉弧初始擴(kuò)散過(guò)程中的電弧特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。采用平板電極、杯狀電極（產(chǎn)生鐘形縱向磁場(chǎng)）、線(xiàn)圈電極（產(chǎn)生馬鞍形縱向磁場(chǎng)）重點(diǎn)研究了縱向磁場(chǎng)及其分布對(duì)拉弧擴(kuò)散過(guò)程和電弧形態(tài)轉(zhuǎn)變的影響規(guī)律。此外還研究了起弧位置和陽(yáng)極材料對(duì)真空拉弧初始擴(kuò)散過(guò)程的影響。研究結(jié)果表明縱向磁場(chǎng)對(duì)真空拉弧的初始擴(kuò)散過(guò)程具有兩個(gè)相反的作用，即抑制作用和促進(jìn)作

3、用，這兩種作用共同控制著電弧的擴(kuò)散過(guò)程。研究結(jié)果還表明馬鞍形分布的縱向磁場(chǎng)能更有效的促使真空電弧轉(zhuǎn)變?yōu)閿U(kuò)散態(tài)，特別是在大電流燃弧中，馬鞍形分布縱向磁場(chǎng)的這一促進(jìn)作用更加明顯。
　　其次，采用有限元計(jì)算軟件ANSYS計(jì)算了電流快速過(guò)零階段弧隙間的縱向磁場(chǎng)分布，并對(duì)真空拉弧和觸發(fā)真空電弧在電流快速過(guò)零階段的特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。最后研究了渦流引起的縱向磁場(chǎng)滯后對(duì)陰極斑點(diǎn)運(yùn)動(dòng)和分布特性的影響。實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明，與電流以工頻過(guò)零相比，在電流

4、快速過(guò)零階段，電弧的形態(tài)和陰極斑點(diǎn)的整體分布明顯滯后于電弧電流的變化，燃弧歷史對(duì)電弧的形態(tài)和陰極斑點(diǎn)的整體分布影響更加顯著。從這一角度來(lái)說(shuō)，在電流快速過(guò)零前使電弧完全擴(kuò)散有利于提高電流開(kāi)斷能力。
　　此外，采用平板電極外加縱向磁場(chǎng)，通過(guò)大量系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)對(duì)觸發(fā)真空電弧陰極斑點(diǎn)的初始擴(kuò)散過(guò)程進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。研究了陰極斑點(diǎn)初始擴(kuò)散過(guò)程中的動(dòng)態(tài)特性及縱向磁場(chǎng)的影響。并著重研究了電弧電流、電極開(kāi)距和縱向磁場(chǎng)對(duì)陰極斑點(diǎn)徑向徑向擴(kuò)散速度的綜合影響

5、機(jī)理。實(shí)驗(yàn)研究表明，電極開(kāi)距的變化對(duì)陰極斑點(diǎn)徑向擴(kuò)散速度有兩個(gè)相反的作用。一方面，開(kāi)距增大使得電弧等離子體的損失增大，導(dǎo)致新陰極斑點(diǎn)在弧根內(nèi)生成的概率減小，最終導(dǎo)致陰極斑點(diǎn)的擴(kuò)散增大。另一方面，當(dāng)開(kāi)距增大至一定程度，弧柱的收縮變得嚴(yán)重，使得弧根中心區(qū)域等離子體密度增大，導(dǎo)致陰極斑點(diǎn)的徑向擴(kuò)散速度減小?？v向磁場(chǎng)可以削弱開(kāi)距變化對(duì)陰極斑點(diǎn)徑向擴(kuò)散速度的影響。開(kāi)距為8mm和10mm時(shí)，對(duì)于給定的縱向磁場(chǎng)存在一個(gè)臨界電流。當(dāng)電弧電流峰值大于這一

6、臨界電流時(shí)，給定的縱向磁場(chǎng)不足以抑制弧柱在大開(kāi)距下的收縮，在這種情況下，開(kāi)距為8mm時(shí)陰極斑點(diǎn)的徑向擴(kuò)散速度大于開(kāi)距為10mm時(shí)陰極斑點(diǎn)的徑向擴(kuò)散速度。臨界電流的大小隨著縱向磁場(chǎng)的增大而增大。且在本文的實(shí)驗(yàn)條件下，縱向磁場(chǎng)強(qiáng)度和臨界電流的比例接近于3~4 mT/k A。
　　最后，建立了大電流真空電弧中多陰極斑點(diǎn)在電弧自生磁場(chǎng)和外加縱向磁場(chǎng)下的運(yùn)動(dòng)模型，在模型中考慮了電極系統(tǒng)中的電流分布對(duì)磁場(chǎng)的影響，并提出了基于磁場(chǎng)疊加原理和坐標(biāo)

7、變換的磁場(chǎng)計(jì)算方法。利用這一模型就縱向磁場(chǎng)及其分布對(duì)陰極斑點(diǎn)擴(kuò)散過(guò)程的影響進(jìn)行了初步的仿真研究。仿真結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)了，與鐘形分布縱向磁場(chǎng)相比，馬鞍形分布縱向磁場(chǎng)能使陰極斑點(diǎn)在電極表面分布更加均勻。此外，還以實(shí)驗(yàn)所拍攝的陰極斑點(diǎn)在擴(kuò)散階段初期的分布為初始條件，對(duì)觸發(fā)真空電弧陰極斑點(diǎn)的初始擴(kuò)散過(guò)程進(jìn)行了仿真，仿真得到的陰極斑點(diǎn)分布和徑向擴(kuò)散速度與實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為吻合。
　　本文的工作對(duì)于深入了解基于人工過(guò)零的直流開(kāi)斷中真空電弧的動(dòng)態(tài)特性及