直流真空电弧强迫开断电弧形态
中国电工技术学会主办，2017年6月21-24日在河北省张北县举办，大会围绕新能源发展战略、系统关键技术、微电网及储能等重要议题展开交流。浏览会议详情和在线报名参会请长按识别二维码。
北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院的研究人员刘斌、武建文，在2016年第24期《电工技术学报》上撰文指出，随着航空270V直流系统的应用，直流开关的需求逐渐增加。现阶段直流开关大多为空气开关，其开断容量较小，使用真空开关将对于提高开断容量具有一定优势。
针对航空270V直流用短间隙真空灭弧室进行高频开断实验，研究了直流强迫开断的电弧电压、电流特性，分析了回路参数对直流强迫开断中平均电流变化率di/dt和弧后过电压dv/dt的影响。通过相同开断实验电流、相同电流变化率、不同触头结构情况下开断实验，分析了电弧直径动态特性。强迫熄弧过程中，平板触头电弧直径逐渐减小，纵磁触头电弧直径变化较小并在熄弧前迅速变化。
针对不同电流实验，随电流升高电弧直径略有增加。起弧阶段，平板触头电弧直径随燃弧时间呈对数函数增加，而纵磁触头电弧直径基本保持不变。拟合得到平板电弧起弧时直径变化函数，随燃弧时间延长，平板触头电弧直径逐渐增大至大于纵磁触头电弧直径。
直流电源系统已广泛应用于铁路、船舶、地铁以及航空设备中。传统直流断路器一般通过加长触头电弧等方法，使电弧电压高于源极电压以开断电弧，设备体积大且开断容量低；也有采用电子器件进行直流开断，但设备复杂，开断容量有限且通态损耗较大[1,2]。
真空开关由于开断容量高、环境适应性强、可靠性高和免维护操作等优点，应用范围逐渐扩大，已成为研究热点[3,4]。而且真空开关具有体积小、重量轻的特点，尤其适合应用于航空领域。
对真空开关注入VT1反向电流是快速开断直流电弧的方法之一[5-7]。文献[8]针对1 500V直流系统强迫开断，采用单机结构，分闸时间缩短到3.6ms；施加1kHz反向电流频率，预期开断短路电流50kA。文献[9]通过改进强迫开断方案，提高了传统真空直流断路器的限流及开断能力。
文献[10]利用高速摄像机研究了12kA电流，在开断频率50Hz、1kHz及纵向磁场下电流快速过零阶段电弧的动态特性，相对工频开断，中频开断下电弧特性滞后于电流变化，电弧仍然呈聚集态，易导致电弧重燃。直流强迫开断时，由于较高的电流过零速率，极易导致重燃等情况[11]，这在感性回路中将导致非常严重的后果，目前针对直流真空电弧快速开断的分析多集中于小电流情况[12,13]。
本文首先在航空270V直流模拟系统下进行高频开断实验，实验电流分别为2 100A、1 800A和1 200A。通过实验，获得了回路参数对强迫熄弧及弧后过电压的影响。通过高速摄像系统，研究了不同实验电流、不同触头结构和不同强迫注入时间下，电弧的动态特性，分析了电弧燃弧中及强迫开断阶段电弧直径的变化情况。该工作为感性回路的应用提供实验基础，并为航空用真空直流开关设计及应用提供依据。
图1 实验电路
结论
本文研究了直流强迫开断的电弧电压、电流与实验参数关系，分析了不同触头结构、实验电流和强迫注入时间下，直流电弧强迫开断的电弧形态，得到如下结论：
1）平板及纵磁触头电弧强迫开断阶段，直径变化均包含缓慢下降阶段和快速下降阶段。电流减小到约1 000A后平板电弧直径快速下降，而纵磁在电流减小到约300A后电弧直径快速下降。强迫开断中，纵磁利于电弧直径的保持。
2）电弧起弧过程中，电流上升到一定值后，纵磁触头电弧直径呈现振荡状态。而平板触头电弧直径在一定时间内，仍随燃弧时间增加呈对数函数增大，并拟合得到其函数关系式。
3）随实验电流增大，电弧直径略有增加。相同电流下，随燃弧时间增加，平板触头电弧直径大于纵磁触头直径。