真空开关电弧伏安特性测试系统的设计

　　为了实现对真空开关电弧伏安特性的测量，设计了真空开关电弧试验装置。首先建立了一个可拆式真空灭弧室以及其基于阴极的触发电路， 并结合真空短间隙进行了电弧点燃试验以及真空电弧电压和电流的采集，验证了真空电弧正伏安特性。结果表明，利用所设计的系统能够很好地触发真空间隙，并能准确地测量真空开关电弧的伏安特性，能为真空相位开关的研究提供有利的条件。

　　引言

　　真空开关之所以能迅速发展， 是由于其自身有许多优点。作为电力系统中的一种新型开关电器，它以高真空作为灭弧介质和绝缘介质， 触头与灭弧系统简单，具有使用寿命长、检修间隔时间长、易于维护、适合频繁操作、体积小、重量轻等特点，在中压领域占了统治地位。近年来，随着国内外对真空灭弧室研究的不断深入，真空开关在高压领域和低压领域也得到了不断的渗透。

　　同时电力系统对真空开关越来越高的可靠性要求及自动化程度，促使真空开关的智能化程度越来越高。目前一种新的智能化开关就是相控开关。相控开关技术也称同步开关技术，最早提出于20 世纪70 年代。进人20 世纪90 年代中期后，相控开关迅速走向实用化并取得了令人满意的效果，目前已成为智能化电器的研究热点之一。它是通过检测系统相位，实现在零电压下关合、在零电流下分断。短间隙真空电弧是相控真空开关的特点之一， 这就要求对短间隙的真空电弧的特性作进一步的分析研究，该论文就是以短间隙真空开关电弧作为研究对象。为了研究短间隙真空电弧，该工作首先设计建立了一个可拆式真空灭弧室。灭弧室的阳极直接经瓷套固定在上端盖上，阴极经波纹管与瓷套相连，其上下位置可调，能够方便地对间隙的开距进行调节和更换电弧触头。可拆卸真空灭弧室使用双级抽气系统，能使系统始终保持在高真空状态；阳极阴极均采用目前最常用的杯状纵磁电弧触头。真空电弧由高压脉冲产生，触发电极安装在阴极触头，触发电路可提供高电压和较大的续流电流， 保证电弧的可靠引燃。使用分流器采集电弧电流，和示波器采集到的电弧电压结合，可得到真空电弧的正伏安特性；对触发极产生的高电压进行采集， 可以得到定开距的耐受击穿电压。

1、真空室设计

　　文章所使用的真空间隙，其结构简图见图1。它主要包括绝缘外壳(陶瓷或玻璃材料)、金属屏蔽罩、一对开距为d 的主电极(阳极、阴极)；另外还有一个触发电极，外接触发装置， 管内真空度通常维持在1×10-4 Pa 以上。绝缘外壳一方面保证内部真空度，同时起绝缘和支撑作用； 金属屏蔽罩一方面可以调整真空间隙内部的电场分布， 还可防止燃弧时产生的金属蒸气沉积在绝缘壳体的内表面，使壳体内表面的闪络强度降低；主电极传导大电流，其结构设计对真空间隙的性能有重要的影响； 触发电极提供初始等离子体。为得到不同开距的真空间隙，该实验采用一个直径为30 cm、高约为29 cm 的不锈钢的真空室，该间隙能够在较大范围内调节开距，能够对不同开距下的真空间隙特性进行研究。真空间隙内的两个电极触头采用高导电的铜合金材料，下面为触头阴极，经波纹管与瓷套相连，固定在导电杆上，其上下位置可调，以满足不同间隙开距的要求。

图1 真空间隙结构图

　　真空间隙工作过程包括3 个主要阶段，即触发阶段、主间隙导通燃弧阶段和弧后介质恢复到静态绝缘阶段的恢复阶段。触发阶段为主间隙提供初始等离子体，初始等离子体扩散进入主间隙，在主间隙电场的作用下，带电粒子首先引发辉光放电，随着电流密度的迅速增加，辉光放电转变为弧光放电，建立起金属蒸气电弧，主间隙导通。当主间隙放电电流过零时，由于真空介质恢复的能力，电弧熄灭。

2、主回路的设计

　　真空电弧可采用多种方式引燃。第1 种是当触头分离产生电弧的电流引燃；第2 种是在已分离的触头上设置一个辅助电极，通过辅助电极产生一个脉冲电流引燃真空电弧；第3 种是在已分离的触头上连接一根熔丝，当电流通过熔丝时，熔丝被熔断而产生电弧引燃真空电弧。在实际真空开关中，真空电弧的引燃是在触头分离过程中产生的。

　　上面电弧产生的3 种方式，对第1 种而言，需要触头的不断运动，对电弧触头的损害较大，减少触头的使用寿命，需要不断更换触头。如果使用可拆卸灭弧室，可以解决这个问题，但由于触头的不断运动，此灭弧室的真空度难以保证，不过此种方式的研究与实际过程中的情况最接近。对第3 种方式，由于熔丝为一次性的，需要不断地更换熔丝，相对比较麻烦；另外由于熔丝燃烧后的残余物会留在触头上，对真空的绝缘击穿会有很大的影响，不利于对真空电弧特性的研究，所以文章选择第2 种方式。这种方式其辅助触发电极可以多次使用，触头不必移动，对真空度的保持很有利，是一种研究真空电弧特性的一种较为理想的方式。

　　整个测试系统分别由真空系统、主回路、光学系统、电流和电压测试装置、以及电弧动态图像数据采集系统构成，其主回路分布见图2。

图2 测试系统线路图

　　由于实验过程中需要经常更换触头，并且需要有观测窗进行图像观测，而这在真空开关上是无法实现的，因此实验采用可拆式灭弧室，以方便地更换不同型式触头进行实验。实验采用一个直径为30 cm、高约为29 cm 的不锈钢的真空室，使用此真空室能够在较大范围内调节开距， 能够对不同开距下的真空电弧特性进行研究。灭弧室内的两个电极触头采用高导电的铜合金材料，下面为触头阴极，经波纹管与瓷套相连，固定在导电杆上，其上下位置可调，以满足不同间隙开距的要求。阴极上的触发极直接接在可拆式灭弧室上的绝缘接线柱上，此接线柱上有5 个相互绝缘的接线端，分别可以与外面的点火电极、探针等相连；阳极触头经瓷套直接固定在可拆式灭弧室上端盖上。灭弧室侧面上有两个方向互成直角的观察窗可以对真空电弧的形态直接进行观测，在绝缘接线柱的旁边安装着真空计量装置的传感器，可以始终对灭弧室的真空状态进行检测。

3、结语

　　目前国内外专家学者们在真空开关领域已经投入了大量的研究工作，一方面致力于真空开关操动机构的开发研究，另一方面致力于真空灭弧室的开发设计。真空灭弧室是真空开关的心脏，而真空开关电弧理论研究是真空灭弧室设计的主要理论依据，故真空开关电弧的研究是高压电器行业的前沿课题，也是一个系统而且复杂的理论工作，涉及很多学科。文中主要针对真空电弧的宏观特性，即真空开关电弧的伏安特性进行了采集。相信通过对真空开关电弧相关特性研究的深入，在此研究领域里取得更多的进展和突破，最终为真空开关灭弧室设计服务。