平板触头分离过程直流真空电弧形态与电压特性
基于强迫换流原理的混合型直流真空断路器是直流开断技术的有效方式之一，其参数设计及开断能力与电弧形态演化密切相关。利用可拆卸真空灭弧室，对直径为45mm的CuCr50 平板触头，在1~8kA 的近似恒定直流条件下分离过程中真空电弧的形态演化规律和电弧电压特性进行了研究。实验结果表明：触头分离初期，电弧集聚在电弧引燃处；随着开距的增加，电弧逐渐扩散。当电流小于5kA 时，电弧始终呈扩散型，电弧电压噪声较小；当电流大于5kA，电弧能扩散到整个触头表面，但电弧初始引燃处多发展成阳极亮斑，且燃弧时间大于1.5ms 后，电弧电压噪声分量急剧增加。实验结果可以用于指导混合型直流真空负荷开关的设计。
引言
直流电力系统主要应用于舰船直流电力系统、电信设备配电系统、地铁等轨道交通牵引配电系统、远距离直流高压输电系统和可再生能源构成的直流微电网等，具有显著的优势。直流断路器是直流电网安全运行和保护的关键设备，对系统保护策略的制定和工程实现有着重大的意义。直流断路器的缺乏成为制约直流电力系统广泛应用的一个主要因素。基于强迫换流法的混合型直流真空断路器是目前直流开断技术的重要发展方向之一。
开关电器中的电弧总是由触头分离产生，触头分离过程中电弧形态的演化规律，及由此引起的电、热过程的变化及其相互作用，将对电流过零后能否顺利承受恢复电压有很大影响。真空断路器的开断能力与触头间隙中的电弧形态和介质恢复强度综合效应有关，在高密度电弧状态及阳极斑点状态下均不利于分断。与交流电流具有自然过零点不同，直流电弧电流强迫过零，电流下降率数十乃至百倍于同幅值的交流电流，下降时间极短(一般仅几十s)，这极大地压缩了电弧形态转变和触头局部热点的冷却时间，要求分断后介质恢复能力具有极高的可靠性，分断能力极大地依赖换流前电弧形态及触头状态，某种程度上也决定了混合型直流真空断路器换流参数的设计。在传统交流商用灭弧室
中，如果开断电流在6kA 以下，多采用简单的无磁对接式平板触头。这类触头结构的电弧形态转变不必用磁场来控制，可应用于混合型直流真空负荷开关的开发。因此，有必要深入研究一定时间内，平板触头分断恒定直流过程中电弧形态演化规律。
针对电弧形态演化的研究成果主要对象为工频交流真空电弧。文献研究了平板触头分断1~16kA 系列交流电流过程中电弧形态的变化，并总结了分离时电流对桥柱型电弧持续时间的影响，讨论了弧柱压力与电弧形态演变的关系。文献中有部分内容对平板触头无磁条件下大电流电弧形态进行了实验研究，与本文关注的电流范围交叉内容较少。文献研究了平板触头与两种不同结构的纵磁触头在1kA 左右分离，电流上升到不超过4kA，燃弧小于4ms 条件下，电弧引燃后形态发展变化，发现平板触头中电弧扩散最快；文中还对人工过零电弧熄灭过程进行了对比，平板触头在实验条件下表现出了良好的熄弧特性。
基于以上研究，本文首先介绍了基于可拆卸灭弧室的真空电弧研究平台，利用该平台研究了在不同幅值的近似恒定直流条件下，平板触头分离过程中真空电弧形态演化和电弧电压特性，并就实验结果进行了讨论。
1、实验系统
真空电弧研究平台主要由电气回路、真空系统、摄像系统、测控装置四部分组成，如图1 所示。
图1 实验平台
直接获得一系列不同幅值的直流试验电流很难，为此采用C-L 组成的振荡回路，在电流变化率很小的峰值附近可以等效为近似恒定直流。实验采用的电容器C 容量为100mF，最高充电电压为1kV，电感L 为205H，电阻R 为5.6m，通过改变电容器C 的充电电压U0，产生符合要求的电流幅值。F1 为电流导通开关，二极管D 为续流支路，起到维持电流的作用；晶闸管F2 为旁路开关，燃弧一定时间后通过导通F2，使流过灭弧室的电流转移至F2 支路，电弧因电流过零而熄灭。采用晶闸管等电力电子开关可以实现各阶段的精确控制。可拆卸灭弧室VI 由不锈钢做成，设计有玻璃窗便于观察真空电弧形态。不锈钢筒与电极绝缘，处于悬浮电位，兼做屏蔽罩；静触头经陶瓷过渡，通过刀口法兰与钢筒连接；动触头经波纹管引出，使用时通过高速斥力机构驱动，触头速度近似为线性运动。为了达到要求的真空度，采用机械泵和分子泵组成真空系统。实验过程前，将真空度抽至104Pa，实验时关闭阀门，进行保压实验。采用无感分流器Rs 和电压探头测量电弧电流、电压、屏蔽筒电压等电气参数，利用线性位移传感器测量动触头运动特性，各参数输入数字示波器进行存储；高速摄像机及附属光学系统由主控制器控制，保证同步采集真空电弧的图像。所有数据均传入计算机进行存储和分析处理。
采用平板对接式触头结构，触头直径为45mm，触头材料CuCr50。采用Photron SA4 相机拍摄电弧图像，相机的拍摄速度为50000fps，拍摄分辨率为384*128，曝光时间为1s。考虑该系列实验产生的真空电弧可能主要是阴极斑点起作用，拍摄时通过调整适当的角度，可以观察到整个阴极表面。待开发的直流负荷开关主要应用在中低压领域，满足开距的要求下，燃弧时间控制在4ms 以内。斥力机构驱动信号为0 时刻，0.5ms 左右机构分离起弧、建立弧压，触头平均速度约2.5m/s，触头最大开距为8mm(系列实验中，触头运动特性基本一致)。
3、结论
本文针对平板触头分离过程中近似恒定直流电弧形态及电弧电压特性进行了系列实验，得到了以下结论：
1)电流小于5kA 时，电弧形成后迅速扩散，整个燃弧近4ms 时间，8mm 开距电弧呈现扩散状态，未出现稳定的阳极现象，电弧电压平均值不超过60V，噪声分量不超过15V；
2)电流大于5kA 时，电弧也从引燃处向外扩散，但引燃处会持续燃弧，并发展成阳极斑点，电弧电压平均值约80V，噪声分离也高达数十V；
3)电流大于5kA 时，燃弧1.5ms 左右为一分界时刻，1.5ms 前，电弧处于桥柱型电弧阶段，电弧电压噪声较小；1.5ms 后，电弧形态开始发生明显的变化，电弧电压有较高振幅的噪声分量。
4)混合型直流真空负荷开关设计时，换流电流投入时延应大于桥柱形电弧的持续时间，一般应超过1.5ms。
