作者特稿｜基于电流转移的CO2气体断路器动态介质恢复特性研究

摘要

为提高 CO₂气体断路器动态介质恢复强度，提出了采用串联晶闸管与限流电阻串联的电流转移提升其动态介质恢复强度的方法，建立了基于电流转移的 CO₂气体断路器开断仿真模型，仿真验证了增加电流转移可在一定程度上提高其动态介质恢复强度。

研究背景

SF₆气体具有优异的绝缘与灭弧性能，广泛应用于110kV及以上电压等级系统中，但 SF₆气体温室效应、废气污染等问题限制了其长久使用，且国际上对低碳、减排等环保意识也在不断增强，1997年《京都议定书》也明确表示将SF₆列为限制排放的6种温室气体之一。因此，亟需寻求环保型气体替代 SF₆。

国内外研究学者针对SF₆替代气体进行了大量研究，其研究方向主要分为三类：①混合气体；②合成气体；③单一常规气体。在众多SF₆替代气体中，CO₂被认为具有较大发展潜能。

CO₂气体虽发展潜能较大，但其动态介质恢复速度依然十分缓慢，针对 CO₂气体较差的介质恢复强度，本文以串联晶闸管充当快速导通换流环节、以分闸电阻充当限流环节，提出了采用串联晶闸管与限流电阻串联的电流转移提升CO₂气体断路器动态介质恢复强度的方法。

论文所解决的问题及意义

综上，针对CO₂气体较差的介质恢复强度，本文以串联晶闸管充当快速导通换流环节、以分闸电阻充当限流环节，提出了采用串联晶闸管与限流电阻串联的电流转移提升 CO₂气体断路器动态介质恢复强度的方法。

首先对基于电流转移的CO₂气体断路器结构与工作原理进行介绍，而后基于相关文献数据，利用暂态分析软件 ATP-EMTP对基于电流转移的CO₂气体断路器进行开断仿真测试，在此基础上搭建试验平台对基于电流转移的CO₂气体断路器动态介质恢复特性开展试验研究，获得不同提前过零时间下CO₂气体断路器动态介质恢复强度，讨论不同提前过零时间下 CO₂气体断路器动态介质恢复强度增益效果，选取 “最优”转移电阻及相应的“最优”提前过零时间实现CO₂气体断路器“最优”动态介质恢复强度。试验结果可为大容量CO₂气体断路器研制奠定基础。

基于电流转移的CO₂气体断路器试验样机

论文方法及创新点

（1）提出了基于电流转移的CO₂气体断路器的拓扑结构，并对其工作原理进行分析，在CO₂气体断路器开断过程中，由于转移支路在主电流过零前完成了电流转移，即CO₂气体断路器在电流过零前电弧熄灭，提前过零为CO₂气体断路器创造了大于几百微秒的动态介质恢复时间，可大大提高主电流过零后的动态介质恢复强度，进而提高其开断能力。理论分析了基于电流转移的CO₂气体断路器的可行性。

（2）基于电磁暂态仿真软件ATP-EMTP搭建了CO₂气体断路器开断仿真模型，进行了有无电流转移时CO₂气体断路器开断仿真测试。经过仿真结果对比可知，增加电流转移可为主开关创造几百微秒介质恢复期，可弥补 CO₂气体断路器较差的介质恢复强度，故仿真结果足以证明增加电流转移可在一定程度上提高CO₂气体断路器动态介质恢复强度。

（3）搭建试验电路，对有无电流转移时CO₂气体断路器动态介质恢复特性进行测试，通过试验验证了其可行性；并探究了不同转移电阻对CO₂气体断路器动态介质恢复强度的影响规律，得到了200~250mΩ转移支路电阻为“最优”转移电阻，CO₂气体断路器提前过零时间 0.8~1.2ms为“最优”提前过零时间，可实现CO₂气体断路器“最优”动态介质恢复强度。试验结果可为大容量 CO₂气体断路器研制奠定基础。

结论

（1）仿真分析得到：无电流转移时，CO₂气体断路器在第一个过零点开断失败；增加电流转移后，CO₂气体断路器在电流过零前400µs转移完成，最终开断成功。可见增加电流转移可在一定程度上提高CO₂气体断路器动态介质恢复强度。

（2）对比试验结果可知，无电流转移时，CO₂气体断路器在电流过零后1ms其耐压水平不足10kV；增加电流转移后，CO₂气体断路器动态介质恢复强度随提前过零时间增加逐渐增大。在电流转移创造的1.2ms提前过零时间下，电流过零后1ms时其耐压水平已达20kV以上，基本为无转移情况2倍以上，已基本满足一定的绝缘要求。可见增加电流转移可大大提高CO₂气体断路器动态介质恢复强度。

（3）通过不同转移电阻大小对CO₂气体断路器介质恢复特性影响，建议选取200~250mΩ转移支路电阻为“最优”转移电阻，此时CO₂气体断路器提前过零时间0.8~1.2ms为“最优”提前过零时间，可实现CO₂气体断路器“最优”动态介质恢复强度。试验结果可为大容量CO₂气体断路器研制奠定基础。

作者和团队介绍

程显，博士，郑州大学电气工程学院教授、博士生导师，河南省输配电装备与电气绝缘工程技术研究中心主任。主要从事高压断路器开断与电弧等离子调控技术、新型电力开关装备开发及其高可靠性应用等研究工作。近5年主持国家自然科学基金项目、中国博士后特别资助项目、国网公司科技项目子课题、河南省国际科技合作项目十余项，研究成果获河南省科学技术进步奖1项、河南省科学技术普及成果奖1项河南省第四届自然科学学术奖1项、河南省教育厅科技成果奖2项；发表论文70余篇(SCI、EI检索50余篇)，获专利授权8项；获河南省优秀博士后研究人员、河南省电机工程优秀青年工程师、河南省高等学校青年骨干教师等荣誉多次。社会兼职包括：国家自然科学基金面上项目评议人、教育部专业学位水平评估论文评价专家、中国电工技术学会等离子体及应用专委会委员、中国真空学会《真空科学与技术学报》理事、河南省电机工程学会高电压与输变电专委会委员。

郑州大学输配电装备与电气绝缘科研团队依托河南省输配电装备与电气绝缘工程技术研究中心、河南省智能电力装备与系统控制工程实验室等研究平台，长期从事高压智能电器、电力设备绝缘监测、环保型开关电器、高电压放电等离子体应用、电弧建模与诊断、中压直流开断技术等方面的研究工作。现有教授高工1名，教授1名，副教授2名，讲师2名，博士研究生2名，硕士研究生30名。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、国家电网科研项目资助。