多断口真空开关电弧磁场调控需求与机理
葛国伟 程显 张鹏浩 张豪 廖敏夫
DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.171592
1
导语
真空开关设备以真空作为绝缘和灭弧介质，具有环保、体积小、免维护等优点，随着环网柜、空气绝缘开关柜、气体绝缘开关柜和固体绝缘开关柜等高度集成的真空开关成套设备发展，真空开关成套设备成为 40.5kV以下配电领域作为主流产品，是绿色环保型开关电器的发展方向。
但由于真空击穿电压与真空间隙间的非线性饱和现象限制了单断口真空灭弧室的发展及应用，同时高压领域主导绝缘及灭弧介质SF6温室效应、液化问题等环境原因受到限制，随着环境保护的日益迫切，真空开关技术是替代SF6断路器的重要方向之一，环保型高/超高压开关电器采用高电压等级单断口或多断口串联技术。
目前针对真空电弧磁场调控研究主要针对单断口真空灭弧室，多断口真空开关是多个真空间隙串联而成，其布置方式，触头结构，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，多断口真空开关磁场调控措施如何选取和优化是未来多断口真空开关串联技术亟待解决的工程问题。
为此本文研究了多断口真空开关串联电弧磁场调控需求与机理为串联专用真空灭弧室磁场优化设计和多断口真空开关磁场调控措施选取提供参考依据。
2
研究背景
多断口真空开关充分利用真空短间隙优越的绝缘与灭弧能力，是未来替代SF6断路器的发展方向之一。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。
真空开关电弧调控主要采用磁控触头方式，包括纵向磁场（AMF）触头和径向磁场（RMF）触头，真空电弧与AMF/TMF相互作用过程及机理研究主要是单断口真空电弧磁场调控，多断口真空开关串联电弧等离子体间存在相互协同作用，针对多断口真空开关磁场调控的需求和调控目标与单断口有所差异。
针对多断口真空开关磁场调需求与机理展开深入细致研究，得到其调控机理与调控目标，从而提出多断口真空开关最优的磁场调控措施和方法，提升多断口真空开关开断容量。
3
论文所解决的问题及意义
①多断口真空开关磁场调控的目标和需求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按照动态介质恢复强度分布，即实现各个断口的极限开断能力，进而实现多断口真空开关的最大增益，而不单单是每个断口开断能力最大。
②引入多断口真空开关协同效应概念，研究了不同脉宽、不同时刻AMF和TMF磁场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选取和优化设计奠定理论基础。
4
论文的方法及创新点
①提出了多断口真空开关协同效应概念，多断口真空开关协同效应的核心是燃弧阶段电弧发展、零区微观特性和弧后阶段的相互关联与影响。其中电弧记忆效应为燃弧阶段电弧发展与零区微观特性的纽带，零区微观特性为弧后阶段提供了初始条件。协同效应的调控目标是实现动态电压分布与动态介质恢复（动态绝缘）的协同，进而获得最大的开断能力。
②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。
5
结论
①基于多断口真空开关协同效应，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。
②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，再考虑到弧后电荷对动态电压分布的影响，可以通过不同断口采用针对性磁场调控方式降低弧后不平衡电荷进而提供电压分布特性，实现各个断口电压分布与介质恢复特性的完美协同配合。
③后续进一步研究多断口真空断路器串联电弧等离子体磁场调控作用下零区微观输运特性，探明磁场调控、电压分布与介质恢复相互影响关系，依据多断口真空断路器磁场调控需求，研究串联专用真空灭弧室磁场优化设计方法和各个断口协同调控策略。
葛国伟, 程显, 张鹏浩, 张豪, 廖敏夫. 多断口真空开关电弧磁场调控需求与机理[J]. 电工技术学报, 2018, 33(21): 5007-5014.
Ge Guowei, Cheng Xian, Zhang Penghao, Zhang Hao, Liao Minfu. Mechanism and Demand of the Magnetic Arc Control in Multi-Break VCBs. Transactions of China Electrotechnical Society, 2018, 33(21): 5007-5014.
作 者 简 介
郑州大学
河南省输配电装备与电气绝缘工程技术研究中心和郑州市智能电器及系统工程研究中心现有教授1名，副教授2名，讲师2名，硕士研究生16名，团队长期从事真空间隙与气体间隙串联开断高压大电流机理、多断口真空开关协同效应机理与调控措施、高性能混合式直流开关开断特性、高压多间隙真空触发特性、环境友好型中压开关设备研制及可靠性试验等方面研究。近年来课题组先后获得国家自然科学基金、中国博士后基金、国家重点实验室基金、河南省科技项目、国网系统科研项目资助。发表SCI、EI检索论文50余篇，获得专利授权8项。
葛国伟 男，1987年生，博士，郑州大学电气工程学院讲师，河南省输配电装备与电气绝缘工程技术研究中心骨干。主要从事模块化串联多断口真空断路器基础理论及关键技术、中低压混合式直流断路器及开关电器智能化方面研究。目前主持国家、省部项目3项，近年来以第一作者或通信作者发表SCI期刊论文12篇，EI期刊论文10余篇。曾获得辽宁省优秀博士毕业生、河南省第四届自然科学学术奖—优秀学术论文奖等。