学术简报｜多断口真空开关电弧磁场调控需求与机理

摘要

郑州大学电气工程学院、河南省输配电装备与电气绝缘工程技术研究中心、大连理工大学电气工程学院的研究人员葛国伟、程显等，在2018年第21期《电工技术学报》上撰文，为寻求多断口真空开关有效的磁场调控措施，提出多断口真空开关协同效应的概念，分析了多断口真空开关的磁场调控需求——动态电压分布与动态介质恢复强度协同作用。

在此基础上，搭建了多断口真空开关磁场调控试验研究平台，设计了试验用脉冲磁场调控系统，研究了不同磁场方式、脉冲宽度、磁场强度、施加时刻等对真空电弧发展过程及弧后电流、电荷等特性的影响规律。以动态电压分布为调控目标，研究了不同磁场组合方式下的动态电压分布特性，得到了磁场调控对电弧发展、弧后特性、动态电压分布的影响规律。

实验结果表明，磁场调控机理为磁场调控电弧发展影响零区及弧后特性，进而影响弧后动态电压分布与动态绝缘特性。该研究结果为串联用真空灭弧室优化设计及多断口真空开关磁场调控提供了参考依据。

随着真空开关技术的发展，真空开关成套设备如固体绝缘开关柜、气体绝缘开关柜在配电网已广泛应用，由于真空长间隙的饱和效应限制了其在高压领域的发展，而环保要求日益迫切，目前很多研究者在寻求替代高压领域SF6断路器的措施。多断口真空开关具有动态介质恢复速度快、静态击穿增益、操动功小、环保等优势，是未来高压开关的发展趋势之一。

目前国内外研究者已在多断口真空断路器静动态绝缘特性、开断增益特性、动态均压及操动机构方面开展了较多的工作并取得了一定的成果。在此基础上，北京开关厂和西安交通大学等研制了基于72.5 kV真空灭弧室串联构成的126 kV双断口真空断路器；大连理工大学研制了用于串联的光控模块式真空开关单元（FCVIM），并基于40.5 kV真空开关单元串联构成126 kV智能多断口真空断路器；日本AE帕瓦株式会社研制了168 kV/2 000 A/ 40 kA罐式气体绝缘双断口真空开关。但针对多断口真空开关磁场调控措施尚无深入、细致的研究。

目前常见的真空灭弧室的触头结构包括纵向磁场（Axial Magnetic Field, AMF）触头和径向磁场（Radial Magnetic Field, RMF）触头。电弧电流流过上述触头时，在真空间隙中产生AMF和RMF，用于调控电弧。在燃弧阶段，RMF驱使真空电弧在触头表面高速旋转，避免触头表面局部融化。AMF能够降低电弧电压，抑制高频振荡，避免阳极斑点的出现，防止集聚电弧的产生。

P. G. Slade[11]分析了AMF和RMF对电弧不同发展阶段的影响。其中，AMF对扩散电弧的作用机理为：AMF可以束缚等离子体沿着磁场方向做螺旋上升运动，进而减小了等离子体锥的重叠。随着AMF的增强等离子体锥直径减小，重叠区域减小，电弧电压随着AMF的增加而减小。进一步增加AMF，等离子体锥不再重叠，分离成多个并联的独立等离子锥，等离子体锥的直径逐渐减小，等离子体锥内的碰撞造成能量损耗，进而造成电弧电压的增加。

在大电流真空电弧阶段，AMF避免了真空电弧的集聚，进而避免阳极斑点及液滴等，并使得电弧转变为扩散电弧模式。A. M. Chaly和H. C. W. Gundlach等研究得到电弧电压与AMF大小的关系，随着磁场的增加，电弧电压先减小后增大，并且存在电弧电压最小值点对应的磁场BA*。AMF在燃弧阶段，驱使电弧等离子体沿着磁场方向螺旋上升运行，使得等离子体分布更加均匀，减小了电弧过渡模式的时间，进而进入扩散电弧模式，同时降低电弧电压。

M. B. Schulman等得到防止电弧集聚的临界磁场Bcir，Bcir>3.2(Ip-9)。在前人的基础上，刘志远等[21]利用电弧图像判断阳极斑点，得到避免阳极斑点出现的临界磁场，所得到的临界磁场加入了触头直径参数的影响。AMF比RMF触头真空灭弧室有更大的开断能力，RMF灭弧室的弧后电流较大且分散性大。

以上研究主要以单断口真空断路器为对象，相关研究结果为多断口真空断路器的应用奠定了一定的基础。然而，由于多断口真空断路器是多个真空间隙串联而成，其布置方式、触头结构和磁场等条件对各个断口电弧形态演变规律、弧后动态电压分布与介质恢复过程也将产生较大的影响。

目前针对多断口真空开关磁场调控的需求与机理研究较少，本文首先提出了多断口真空开关协同效应概念，基于协同效应，分析了多断口真空开关磁场调控目标与单断口真空灭弧室的区别。然后搭建了磁场调控试验研究平台，研究了不同脉宽、不同时刻AMF和横向磁场（Transverse Magnetic Field, TMF）对电弧发展及弧后特性的影响规律，并研究不同组合磁场对动态电压分布的影响，得到了多断口真空开关磁场调控的需求与机理，为多断口真空开关磁场调控措施优化设计奠定了基础。

图1  多断口真空开关协同效应概念

图2  双断口真空开关试验电路

图3  磁场调控研究试验样机

结论

多断口真空开关磁场调控的机理为AMF磁场调控电弧影响了零区特性，零区特性影响弧后电荷等弧后特性，而不平衡弧后电荷影响动态电压分布。多断口真空开关的磁场调控的目标是通过对燃弧阶段串联电弧的调控，实现各个断口动态电压分布与动态介质恢复强度的协同，进而得到最大的开断能力。

研究了同相位AMF磁场、脉冲AMF磁场调控时刻对电弧发展演变过程及弧后特性的影响，在弧柱模式能够加速电弧向扩散电弧转变，进而降低弧后电流与电荷；在零区扩散电弧时，AMF磁场束缚了电弧等离子体的扩散，增加了弧后电流与电荷。

磁场调控可以改善多断口真空开关动态电压分布，同相位AMF磁场可以获得较好的动态电压分布，但磁场调控对动态介质恢复特性的影响、动态电压分布与动态介质恢复强度的协同调控有待进一步的研究。

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