摘 要： 对影响基于人工过零技术的直流真空断路器的各种因素进行分析，认为电流过零时真空电弧的扩散状态是可靠分断的最主要的原因，通过增加轴向磁场强度和刚分速度，降低电流过零时的电流变化率以保持电弧的扩散状态有以利于分断。
关键词： 人工过零；直流；真空断路器；扩散弧
中图分类号：TM564.2 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2012）0210177－02
0 前言
在基于人工过零开断方式的直流断路器中广泛的采用真空断路器分断直流电流，通过给其叠加一个高频的反向电流强迫电流过零，其分断过程相当于分断一个高频电流。对于任何一个分断装置，其分断能力可用其分断前的di/dt和分断后dv/dt的乘积来表示。一般对于分断峰值40kA/50Hz的交流电流，其电流过零时的di/dt为12A/µｓ，而对于人工过零方式的直流分断，由于电流一般在100～400µｓ内过零，电流过零时的di/dt为100～400A/µｓ。虽然真空断路器具有优良的高频分断能力，但从量的观点来看其要求大大超出分断工频电流的要求。根据Chids.S等的观察表明，电流零值时刻与瞬态恢复电压产生的时刻之间有一个时间间隔（约几十纳秒），在该时间内，弧后电流的带电粒子数与di/dt成正比，只有对低值的di/dt，开断才能成功。
1 高频真空电弧的熄灭理论
在真空中，电弧有扩散弧和聚集弧两种不同的形式，它们的特性也显著不同。当真空灭弧装置中出现聚集弧时，如果不采取特别措施，基本上就不能开断电路。
对于扩散弧，电流过零后，由于扩散型真空电弧的残余等离子体密度的迅速衰减和负电极前的正离子覆盖层变厚，使弧后触头间腺的介质强度迅速提高。在数微秒内弧区实际上已变成了真空间隙，具有很高的耐压水平，弧后介质强度恢复速度可达20kv/µｓ，足以承受很高的恢复电压而不致击穿。
对于聚集弧，虽然集聚型真空电弧熄灭后，残余等离子体也向四周迅速扩散，但是电弧的阴极和阳极表面都有面积为1～2cm2和厚度相当大的熔区，这些熔区的冷却往往需要毫秒数量级的时间，因而在数毫秒内，电报仍向弧区输送大量金属蒸气，使弧区的金属原子密度至少在1～2ms内维持在很高的水平上。在恢复电压上升的过程中，弧区就像是一个充气间隙，不可避免要发生重击穿，可以说，集聚型真空电孤儿乎不能切断电流。
显然，电流过零后的残余等离子体密度是成功分断的关键因素。影响真空断路器分断能力主要有以下几方面的因素：
动触头的刚分速度：提高刚分速度可将弧后高密度的金属蒸气尽快地衰减成低气压，从而使高气压电弧（集聚型）转变成低气压电弧（扩散型）。
分断间隙：间隙过小，灭弧室的绝缘强度不够，间隙过大，由于真空电弧易于收缩，使得极限开断电流随间隙的增大而减小，真空电弧在最佳开距内过零可提高断路器的分断能力。
燃弧时间：燃弧时间越长，电弧的能量消耗越多，电流过零后弧隙的等离子数越多。
分断电流峰值：开断电流峰值增大时，弧后触头间的介质恢复速度将降低，此时发生重燃的可能性增大。
触头材料：CuCr（50/50）、CuCr（75/25）分别有很低的重燃局势和很高的重燃电压值。众所周知，CuCr材料不但有极佳的冷间隙耐压特性，而且有良好的开断特性。
电流过零前的di/dt及时间段：降低电流过零前的di/dt，增加低di/dt的时间段时间，可降低电流过零后的等离子体密度，提高断路器的分断能力。
电流过零后的 dv/dt：电流刚过零，弧隙中的介质强度比较低，虽然真空灭弧具有很高的介质恢复强调，但由于电流过零后，恢复电压上升的初期（约几十纳秒），间隙中的电场并不是均匀的，而是在阳极前有一个局部的电场强度峰值，较高的dv/dt会引起近阳极处电场强度的峰值的增大，在阳极表面形成新的阴极斑点使间隙击穿。
轴向磁场强度：在一定范围内增加轴向磁场强度，可降低电弧电压，限制电弧的聚集。
实际上，所有这些因素并非各自单独地对真空断路器的高频开断能力产生影响，它们之间有一定的联系，彼此相互制约。真空断路器开断高频电流的性能的优劣，取决于这些因素的综合效应。
2 各国的研究现状
各国的研究机构用各种方法从不同的角度对真空断路器弧后高频重燃现象进行试验分析，以便了解断路器的高频电流开断特性。
2.1 意大利
1988年，意大利的I.Benfatto等研制用于RFX的直流断路器过程中，曾对真空灭弧室的直流分断进行过试验研究。总共进行了200多次的试验，最大的di/dt不超过600A/µｓ，同时保证低di/dt段的时间间隔在30～40µｓ之间。几次失败的原因仅仅是因为燃弧时间小于4ms。文中针对失败的原因并没有给出解释。图1给出了原理图和试验波形图，表1给出了典型的试验结果。
在试验中，发现真空灭弧室外加辅助轴向磁场对电弧电压的波形没有明显的影响，分断过程中的平均电弧电压在任何试验条件下没有超过35V，甚至在最长的燃弧时间。电弧电压没有毛刺（spike）产生，因此可以推断电弧仍然是扩散状态在燃烧期间。
饱和电抗器电感变化范围：10µH～130µH，采用普通铁心分成两半，串联在铜排上，通过改变铁心的数量和气隙大小改变电感，成本很低。
2.2 日本
东芝公司一直是基于人工过零技术直流真空断路器这一技术工程化和商业化的先行者，针对真空断路器的直流分断，多年来做了大量的试验研究，图2是分断过程的波形示意及高速摄影仪拍摄的电弧形态。
东芝公司针对直流真空断路器的分断能力做了深入的研究，得出以下结论：
1）di/dt越低，分断能力越高。大电流分断时，在电流过零前如果没有低di/dt这一阶段，分断会比较困难，由于这时的电弧是聚集弧。
2）通过降低电流过零前的di/dt，可以提高分断能力和缩短分断时间，虽然燃弧时间比较短，电弧是聚集弧。随着电流过零前低di/dt这一电流区间的增加，分断能力增加，低di/dt的时间区间为：10～20µｓ。
2.3 欧洲
欧洲工作小组为ITER项目开发的直流开关，在使用饱和电抗器的情况下进行了600次分断，过零前di/dt＝100A/µｓ，有一次分断失败。采用附加轴向磁场未使用饱和电抗器的情况下进行了40次分断，di/dt＝200A/µｓ，没有失败记录。图3是其工作原理和分断过程电流波形。
VCB：真空断路器
图3 原理图与试验波形
3 结论
电流过零时真空电弧的扩散状态无疑是可靠分断的最主要的原因，可通过增加轴向磁场强度、提高刚分速度、降低电流过零前的di/dt，以增加低di/dt段的时间，保持电弧的扩散状态来提高分断能力和分断的可靠性。
参考文献：
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作者简介：
刘擘（1980-），本科，工程师，研究方向：电力系统自动化。