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2019-06-11 19:49阅读：
机械冲击对真空开关分断高压电流产生重击穿影响的科学试验
（西安交通大学试验团队成员：王建华、耿英三、刘志远、姚晓飞、马慧、丁建刚）
摘要 - 本文的目的是提出在真空断路器断开过程中的机械冲击，这可能是电容式开关中重击的原因。在真空断路器上进行三个测试系列。在测试系列I期间，电弧放电时间设定为7ms，开关电流为400A（RMS）。在测试系列II期间，电弧放电时间也设定为7ms，而开关电流为OA。在测试系列IIL期间，开关电流为OA，开启操作后一分钟施加恢复电压。在每个测试系列之前和之后测量移动电极的加速度。实验结果表明，机械冲击对真空
断路器的再起弧概率具有显着影响，即在打开操作期间在加速峰值处倾向于发生重击，而在断开操作后一分钟施加恢复电压时不发生再起弧。
关键词 - 真空灭弧室，电容开关，重击，
I 简介
为了给电力系统提供必要的无功功率，电容器组被广泛使用和频繁切换。据报道，60％的电容器组每年切换到300次，另外30％的电容器组每年切换到700次
[1]。真空断路器在这种情况下被广泛用于其长的机械寿命和环境友好的特性。然而，电容切换意味着严苛的操作条件，导致相对高的重新触发概率，这对电气系统的安全性造成威胁。
电容电流切换操作由CO操作组成。在制作过程中，当产生预击穿电弧时，高频和高幅度的浪涌电流流过断续器，在触点闭合后引起接触焊接。
然后，在随后的断开操作期间焊接区域破裂。在此过程中可能会产生突起，凹坑和颗粒，这可能是在断路器上施加高达额定系统电压2或2.5倍的恢复电压时发生再起弧的原因。
已经做了很多努力来探索这种重击的可能机制。 Zadeh
[3]发现关闭时的浪涌电流与中断后的场发射电流之间存在明确的关系。
Dullni等人。
[4]发现提前点火和再起弧概率之间的相关性，这表明击穿机制是场发射占主导地位。
但Smeets等人。
文献[5]指出（稳态）场发射电流强度与再次触发概率之间没有关系，单独的电子场发射不能成为电容开关重新触发的根本原因。
Kamikawaji等。
[6]发现在微粒撞击电极后立即发生击穿，并且再起弧现象的主要原因可能是微粒。 Schlaug等。
[7]得出了类似的结论。杨等人。研究了浪涌电流对真空断路器的预击和再起弧特性的影响
[8]，他们提出了一种可能的解决方案，即在真空断路器内部固定断裂的真空断路器
[9]。然而，尽管经常提到机械冲击作为重击的可能性，但是仍然需要解决的是，在电容开关断开期间的机械冲击是否实际上在重击中起作用。
II。 实验装置
A.真空灭弧室
图 。
具体实施方式图1示出了具有固定断路的40.5kV真空断路器的示意图，该断路器包围可动触头。
这种具体设计是屏蔽可动触头以承受恢复电压。
触点由CuCr25（25％的Cr）制成。
在制造过程中，浪涌电流将流过可移动的接触件。
然后，在断开过程中，可动触点将被固定的断裂封闭。
因此，可动接触表面上的电场强度减弱。
两个由不锈钢制成的固定挡板串联设计，以避免通过固定断裂排出。
额定接触间隙d为22mm和距离
在活动触点附近的固定断裂之间是10mm。 可动触头的直径为32mm，外壳的直径为110mm。
B.合成测试电路
图2示出了用于评估真空中断器的电容性切换性能的合成测试电路。测试电路由两个子电路组成：浪涌电流源电路和LC振荡电路。
图2.电容式电流开关的综合测试电路。 C：浪涌电流源电容器;
C2：LC电路预充电电容器;
C3：LC电路电容器; L：浪涌电流源电感;
L2：LC电路电感; R：LC电路电阻; SW，oo，：VCB测试; SW，nmsh：浪涌电流源隔离VCB;
SWm，：LC电路收集VCB; SWmo：LC电路开路VCB;
SWm8：LC电路隔离VCB;
在制造过程之前，将电容器C预充电到所需电压。在制作过程中，开关SWinrush和SW1est依次关闭。通过电容器C对电容器C放电，在4250Hz频率下达到峰值20kA的浪涌电流Lnrush将流过测试的真空断路器。图3显示了制作操作时的浪涌电流的典型波形图。
图3.冲击电流的典型示波器
在断开过程之前，电容器C2被预充电到所需的电压。开关SWmc和SWms设置在打开位置，而SWmo和SW1est设置在关闭位置。在断开过程中，开关SWmc闭合。根据目标电弧放电时间稍后打开开关SW1est。通过电感器L2对电容器C2放电，400A（RMS），50Hz的电流Im将流过测试的真空断路器，直到电流为零。开关SW
ms在电流零点之前闭合。在电流为零之后，电容器C3将由C2通过电感L2充电，电阻器R由电流Iz充电。在Iz的当前零点之前，开关SWmo打开。在测试的断续器上施加C3的电压作为恢复电压。
图 。
4.背对背电容器组切换中的开关电流和恢复电压的典型波形图
通常，标准恢复电压是（1-coscot）波形。但由于接触加速度和恢复电压都发生了巨大变化，因此关系。这里的恢复电压是缓慢衰减的DC电压，上升时间为4ms，峰值为82.7kV。由于其值在稳定过程中几乎没有变化，因此更容易找出可动接触加速度和重击之间的关系。此外，恢复电压的峰值被设定为IEC标准中的恢复电压的相同峰值。对于测试的中断器，这种恢复电压应该是比IEC标准中规定的更严格的条件。
C. periment标本
图5.测试断路器和加速度计的照片
在实验期间，弹簧操作机构用于驱动测试的真空断路器。测得的平均闭合速度为0.9m / s，而平均开启速度为1.9m /
s。第一个11毫米的接触行程的平均速度决定了速度。将测试的真空断路器浸入油中以提供必要的外部绝缘。杆A是测试杆。
在每个测试系列之前和之后测量5次断裂期间移动触点的加速度。加速度计MEMSIC
CXL25GP3用于测量可动触点的加速度。它是一个三轴加速度传感器，其测量范围为±25g。输出是表示相应轴的加速度的三个电压信号。所用轴的灵敏度为0.081V，为0.81g。
为了获得准确的接触分离时刻，通过电池在杆C上施加DC电压。电池，极C的触点和电阻串联。测量电阻器的电压。测量极A和极C的接触分离之间的时间间隔。最大结果不超过0Jms，与电弧放电时间相比非常小。图6显示了故障的典型波形图，其中t1，tz和h分别是接触间隔，电流零点和再起弧的瞬间。
图6.背对背电容器组切换失败时的开关电流，恢复电压和断开信号的典型波形图
在测试断路器上进行三个测试系列，每个测试中断24次，如图1所示。在第一个测试系列中，电弧放电时间设定为7ms，开关电流为400A（RMS）。因此，当恢复达到其峰值时，动触头的位移将约为22mm，确保动触头已达到其开启位置。在第二个测试系列中，通过使SW10,1的开启时间早于SWmc的关闭时间来将开关电流设置为0A。'电弧放电时间'，tarc，其实际上是接触分离与时间恢复电压之间的时间间隔dt开始上升，也被定为7ms。在第三个测试系列中，dt设定为1分钟，足够长的时间以避免恢复电压期间的机械冲击。
表1.实验条件
III。实验结果
A.重新启动每个系列的概率
每个测试系列中发生的重新打击如表II所示。从表中可以看出，测试系列I和测试系列II的再起弧概率均为12.5％。测试系列疾病的重新触发概率为0％。
表二。实验结果
B.加速和重击的发生之间的关系
在每个测试系列之前和之后测量5次断裂期间的移动接触的加速度。测量结果显示出很小的变化。典型的测量结果如图6所示。红色虚线表示加速度计的测量范围。
图7.断开操作期间动触头加速度的典型波形图
记录每次重击时从接触分离到重击的发生的时间间隔。在测试系列I中，时间间隔分别为46.4ms，72.1ms和28.7ms;在测试系列II中，时间间隔分别为146.Sms，18.4ms和55.1ms。假设在测试系列I和II期间机械特性保持完全相同，则可以找到从接触分离到重新打击的时间间隔和移动接触的加速之间的关系，如图7所示。
图8.重击发生时动触头的加速度
从图7中可以清楚地看出，两个测试系列显示出完全不同的特征。对于测试系列II，三次重击中有两次发生在正加速度峰值附近。当加速度非常小时，发生了一次重击。但是对于测试系列I，加速和重击之间没有明显的关系。
IV。讨论
在三个测试系列中，测试系列I和测试系列II
在测试序列中没有发生重新打击时显示相同的重新触发概率m可以从结果中推断出
经测试的真空灭弧室，机械冲击对电容开关重击概率有显着影响，而开关电流影响不大。在断裂期间测量的加速度显示出测试系列I和II之间的再起弧特性的明显差异。原因可能是机械性能的变化。对于测试系列II，可以指示加速度峰值与重新打击发生之间的关系，这与重新打击相对应。但是对于测试系列I，400A（RMS）的开关电流可能对弹簧操作机构的机械性能产生影响。因此，加速和重新启动之间没有明确的关系。
结果可以解释如下。在测试真空断路器的涌入电流的制造过程中，可动接触表面局部熔化并且可能在触摸触点之后引起接触焊接。在随后的破裂过程中，焊接区域将破裂并且接触之间的介电强度可能被损坏。但是，在可动触点被固定断裂封闭后，可动触点表面上的电场强度减弱。一方面，场发射电流会降低;另一方面，附着在接触表面上的微粒通过电力从接触表面驱动变得更加困难。在这种情况下，机械冲击成为微粒分离的主要原因，并且小开关电流的调节效果不那么明显。这也可以解释加速度峰值与击穿发生之间的关系。
五，结论
电容切换实验结果表明，机械冲击对断裂过程中被测真空断路器的再起弧概率有显着影响。
•在断开操作后一分钟施加恢复电压时，未发生再起弧。
•加速度峰值与响应发生之间可能存在关联。
•开关电流的调节效果似乎不那么明显。
本文的目的是在真空断路器断开期间提出机械冲击，作为电容式开关中重击的可能原因。这项工作有助于加深对真空断路器电容式切换过程中重击的理解，在此基础上可以提出一种可能的解决方案来限制再起动的可能性。
参考
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这项工作是国家重点基础研究项目（973计划）（20升5CB25 l
002），国家自然科学基金（51521065），国家电网项目（5229DK160005）。
