图1 基于换流原理的机械式高压直流真空断路器的基本结构
Fig.1 Structure of mechanical HVDC vacuum circuit breaker based on commutation principle
摘要 基于换流原理的机械式高压直流真空断路器，是高压直流系统短路开断的有效方式之一，电弧熄灭后断口间介质恢复强度能否耐受恢复电压是决定其开断性能的关键，因此换流时间与最小安全开距的配合成为其设计的重要参考依据。该文利用直流开断实验平台，实验研究了高压直流真空开断系统样机在不同换流时刻、开断电流幅值、换流频率、换流电流与开断电流的幅值比（换流比）下的换流时间和最小安全开距。结果表明：换流时刻选择过早会导致电弧因开距不足而重燃，在实验条件下，换流频率3kHz，开断5kA直流电流，最小安全开距约为0.60mm；随着开断电流幅值的增加，最小安全开距近似线性增大；随着换流频率或换流比的增大，换流时间均将明显减小，对最小安全开距的要求也随着断口恢复电压的增加而更高。
关键词：机械式高压直流真空断路器 换流时间 换流比 最小安全开距
高压直流系统以其经济性、稳定性和可调节性等优势，在诸多输电领域具有良好的发展前景[1-10]，基于换流原理的高压直流开断方法，通过在断口叠加反向的高频电流，使电弧电流过零后熄灭，是高压直流开断的有效方式之一。
经典研究认为高压直流真空断路器开断电流的极限在于其电流变化率di/dt，文献[11]通过多种换流支路参数进行实验并得出结论：基于换流原理的高压直流真空断路器的开断极限由所开断的电流值和换流时间决定。文献[12]利用CMOS高速摄像机观测了基于换流原理的高压真空直流开断过程中电弧的形态及转移过程，结果表明当注入同等的电弧能量，换流频率选择较低时，电流转移时间变长，电弧形态演化较慢，有利于电弧熄灭后电极间隙介质绝缘强度的恢复。但在开断数十kA的大电流时，电极急剧加热，在电极间隙将产生更多的金属蒸气和离子，相比电流转移时间的影响，电流零点时刻的粒子密度更大程度上取决于开断电流的大小[13]。目前基于换流原理的高压直流真空开断研究较多[14-15]，但缺少换流投入时刻、换流时间与最小安全开距等换流参数的概念及细节的深究，结论也缺少足够的论证。
随着快速操动机构的发展，机械式断路器已经能够实现快速开断，技术更加成熟。基于换流原理的机械式高压直流真空断路器，其换流时间与最小安全开距的配合是决定开关能否成功开断的关键，最小安全开距是机械式高压直流真空断路器设计的重要参考依据。此外，某种意义上可以认为换流时间和最小安全开距是决定电弧熄灭后两电极间的介质恢复强度的关键因素之一[16-18]。
换流时间与换流电流幅值及电弧电流过零前电流变化率相关[19-21]，二阶微分方程无法解出含动态真空电弧特征的开断过程。本文以基于换流原理的机械式高压直流真空断路器为研究背景，定义并分析了换流时刻、换流时间、换流比等换流参数以及它们与最小安全开距的关系，通过直流开断实验分析不同换流参数对开断性能的影响。
基于换流原理的机械式高压直流真空断路器基本结构如图1所示。在得到开断指令后，主开关首先分闸并产生电弧，触头达到一定开距后投入换流支路，在主开关断口注入反向的高频电流，使断口电弧电流过零而熄灭，然后由吸能支路耗散剩余能量，实现开断。
图1 基于换流原理的机械式高压直流真空断路器的基本结构
Fig.1 Structure of mechanical HVDC vacuum circuit breaker based on commutation principle
根据图1中换流支路提供的电流幅值和换流支路开关S投入时刻，定义两个动态换流参数：换流电流与开断电流幅值比（简称换流比）和换流时间。前者是要保证换流支路注入的电流幅值高于所开断电流幅值以制造电弧电流零点，后者是要保证电弧电流过零时灭弧室触头间开距大于等于最小安全开距（可以保证熄弧后可耐受暂态恢复电压（Transient Recovery Voltage, TRV）的最小真空间隙）。换流比是由换流支路的电感值、电容值及其预充电电压决定的，而换流时间则通过调整换流时刻、换流电流的幅值与频率动态地决定了电弧电流过零前电流变化率di/dt和过零后的TRV，并通过对换流时刻即燃弧时间的控制影响整个熄弧过程。图2为换流时刻、换流时间与最小安全开距的含义。
图2 换流时间和最小安全开距示意图
Fig.2 Schematic diagram of commutation time and minimum safe stroke
图2中，ib为开关断口电流；ism为所开断电流幅值；ic为换流电流；icm为换流电流幅值；l为灭弧室中动、静触头的开距；lr为最小安全开距；t0时刻为断路器灭弧室触头分离的时刻；t1时刻为换流时刻；t2时刻达到最小安全开距；t3时刻断口电流过零（t3＞t2），换流时间T=t3-t1。
断口电弧成功熄灭后，是否会发生重燃，取决于动、静触头此时是否达到了最小安全开距（即t3是否大于t2）。最小安全开距定义为成功开断电流并且不发生电弧重燃时，动、静触头之间的最小开距，其值取决于换流时间和时刻、开断电流幅值、换流频率以及熄弧后的恢复电压等因素。如果换流时刻过早、换流时间过短或主开关分闸速度低，尽管在换流投入后电弧可能熄灭，但由于动、静触头间没有达到足够的开距，电弧便会重燃。最小安全开距和分闸速度等机械参数是机械式高压直流真空断路器基本的开断参数，分闸速度越快，动、静触头就越早达到最小安全开距，成功开断的几率越大；换流时间越短，电弧熄灭后电极间介质恢复强度越低而恢复电压越高[18]，对开关的速度要求以及触头间开距的要求也越高。
综上所述，对于机械式高压直流真空断路器，与其换流支路参数、开关机械参数相关的换流时间和最小安全开距是决定其能否成功开断的动态因素之一。定义换流注入的电流幅值与开断电流幅值之比（换流比）为K，得
（1）则换流时间可近似表示为
（2）
从式（2）可以看出，换流时间主要取决于换流频率fC以及换流比K。但对于换流电流来说，电弧电流的过零点可能在开断波形第一个二分之一周期的任一相位上，通过简单的二阶零输入响应电路分析难以确定，需要细致的分析和评估。
直流开断实验回路如图3所示，由四条支路并联组成：由预充电电容器组Ci、电流源电感Li、投入开关S1和辅助开关S2构成的电流源支路；由氧化锌（ZnO）避雷器构成的限压吸能支路；由真空开关TB并联RC缓冲支路构成的主开关支路；由预充电的换流电容CC、换流电感LC和换流投入开关S构成的换流支路。
实验回路用电流源支路产生的工频前二分之一半波来模拟直流短路电流。电容器组Ci的数值为56mF，电感Li为180mH，电流频率约为50Hz。通过改变电容Ci的预充电电压即可调节输出电流的幅值，当Ci预充电300V时，可得到幅值为5kA的工频电流。换流电容CC和换流电感LC组成的换流支路，通过调节换流电容充电电压和换流电感等参数，可得到不同幅值和频率的换流电流。
图3 直流开断实验回路
Fig.3 Diagram of DC experimental circuit
实验回路的主开关由12kV/16kA的真空灭弧室和电磁斥力操动机构组装而成，其真空灭弧室触头行程为10mm，超行程3mm。利用加装在操动机构传动杆上的直线式位移传感器记录触头位置，动触头行程曲线如图4所示。
图4 动触头行程曲线
Fig.4 Travel curves of moving contact
位移传感器的实质是滑动变阻器，通过实时存储滑动端电压即可计算得到动触头行程曲线S。曲线S对应行程0mm时触头在初始合闸位置，从动作信号曲线U下降沿时刻开始动作，经过分闸弹跳，到行程13mm时完全开断。在曲线S对应位移3mm的位置（即图2中t0时刻）超行程结束、触头分离并开始燃弧，通过示波器记录换流时刻t1和换流时间T，即可对应在行程曲线S中确定触头间开距。
实验中控制主开关在电流源放电开始的某一时刻分闸，在电流到达峰值5kA前后换流投入。换流电容值为24mF，调节预充电电压为13kV，可得到幅值约为6kA的换流电流，换流比K为1.2；选取换流电感为110mH时，实测换流频率约为3kHz。断路器触头分离后，经不同燃弧时间，投入换流支路，开断结果见表1。
表1 不同换流时刻下的开断结果
Tab.1 The breaking results of different initial moment of commutation time
换流时刻t1/ms换流时刻开距/mm熄弧时刻开距/mm直流开断是否成功 1.1233.203.35是 0.9812.752.90是 0.7982.102.25是 0.6241.511.65是 0.4011.001.10是 0.2580.600.75是 0.1930.500.60是 0.1340.350.50否 0.1090.300.40否
由表1可以看出，实验条件下，换流频率为3kHz，开断5kA直流电流，换流时刻最早约为0.193ms，最小安全开距约为0.60mm。其中燃弧时间为0.193ms和0.134ms的两组实验断口电流ib和断口电压Ub实验波形如图5和图6所示，Uarc曲线为换流投入前电弧电压曲线，通过Uarc曲线即可记录换流时刻。
图5 触头分离后0.193ms时投入换流的实验波形
Fig.5 The experimental waveforms of commutation input at 0.193ms after contact separation
图6 触头分离后0.134ms时投入换流的实验波形
Fig.6 The experimental waveforms of commutation input at 0.134ms after contact separation
在图5中，换流时刻为0.193ms，换流时间60ms，对应动触头行程曲线可确定电弧熄灭时触头行程3.6mm，即开距约为0.60mm，开断过程中，断口电弧在电流第一个过零点时熄灭并产生反向的瞬时恢复电压4kV，电弧成功熄灭，开断完成。图6中，换流时刻为0.134ms，换流时间60ms，电弧熄灭时开距约为0.50mm。由于此时开距较小，断口电弧经过第一个电流过零点后，恢复电压增加到2kV即发生重燃，在经过电流的第二个过零点时才熄灭，并在断口两端产生了正向的瞬时恢复电压，随着正向恢复电压升高再次击穿，这是由于此时处于鞘层发展后期，金属蒸气衰减较慢而暂态恢复电压相对较高，由于鞘层厚度难以承受TRV，超过临界金属蒸气密度而发生重击穿。击穿电流峰值超过了8kA，这是由于电流源支路和换流支路中残留了大量能量，且在主开关同向叠加，击穿电流为两者之和。
当开断电流幅值为5kA、换流比K为1.2不变，进行不同换流频率fC的开断实验，通过逐渐缩减燃弧时间来测量不同换流频率下的最小安全开距。换流支路参数设置见表2，测试结果如图7所示。
表2 不同换流参数设置
Tab.2 Different commutation parameter settings
换流频率fC/kHz换流电感LC/mH换流电容CC/mF换流阻抗/W换流电容电压/kV 20.290243.4821 30.110242.1413 40.086182.1914 50.086122.6716
图7 不同换流频率下最小安全开距
Fig.7 Minimum safe stroke of different frequencies
由图7可以得出，当换流频率大于3kHz时，随着换流频率的增大，对最小安全开距的要求也有所增加。这是由于换流频率越高，电弧电流过零前电流变化率di/dt越大，越难以成功开断。除此之外，换流频率决定了换流时间，在投入换流电流后，随着电弧电流的下降，断口间的离子、电子和金属蒸汽开始消散，介质强度开始恢复，换流时间越长，断口间粒子的密度越小，介质的恢复强度就越高[21-22]。因此随着换流频率的增大，换流时间缩短，介质恢复强度低，对触头间开距要求更高。
但当频率为2kHz时，由于实验时选择换流电感L较大，导致换流线路阻抗大幅度增加，为了保证换流比K为1.2，换流电容需预充较高电压，导致换流结束后换流电容的剩余电压较高，开断完成后断口间恢复电压高于介质恢复强度，对最小安全开距的要求比频率为3kHz也更高。
当换流频率为3kHz时，控制换流比K为1.2不变，测量不同开断电流幅值下的最小安全开距，实验结果如图8所示。
图8 不同开断电流幅值下最小安全开距
Fig.8 Minimum safe stroke of different breaking current
由图8可以得出，在一定范围内，随着开断电流幅值的增大，对最小安全开距的要求近似线性增加。这是由于换流幅值越高，电弧电流过零前电流变化率di/dt和过零后恢复电压变化率du/dt越大，越难以成功开断。除此之外，电流幅值越高，在燃弧期间产生的离子、电子和金属蒸气越多，而换流时间基本一致，换流结束后，断口间介质恢复强度越低；而开断完成后断口间恢复电压与换流电容预充电电压正相关，开断电流幅值越高，换流电容需预充电压越高，对最小安全开距的要求也随之增加。
当开断电流幅值为5kA、换流频率为4kHz、主开关触头分离后0.27ms左右投入换流时，调节换流电流幅值icm，分别以不同的换流比K进行开断实验。实验结果见表3。
表3 不同换流比下实验结果
Tab.3 Experimental results of different commutation ratio
换流比K平均换流时间T/ms熄弧时刻开距/mm成功与否 1.00600.74否 1.20500.75是 1.40500.75是 1.60480.75否
由表3可以看出，平均换流时间随着换流比的增加而减少，调节换流时刻以达到熄弧时触头间开距基本相同。熄弧时刻开距约为0.75mm时，当换流比为1.0和1.6时开断失败。换流比分别为1.0、1.2、1.6时，其断口电压与电流波形如图9～图11所示。
图9 换流比1.0时的实验波形
Fig.9 The experimental waveforms when K is 1.0
图9中，断口电流没有过零而导致开断失败。由于换流支路中电容、电感以及线路均存在阻抗，实际换流电流幅值对比计算值将有一定的衰减。此外，在实际故障电流的开断过程中，高压直流系统故障电流的值在换流阶段还会继续增加。因此，换流幅值至少留有一定裕量才能保证可靠开断。但当K过大时，则会使换流时间缩短、电弧熄灭后介质恢复强度降低，此外也会产生较高的恢复电压，加重开断负担。如图11所示，由于换流比过大，换流时间缩短，金属蒸气未能充分衰减，当恢复电压升高到一定值时，电流过零后发生了重击穿。
图10 换流比1.2时的实验波形
Fig.10 The experimental waveforms when K is 1.2
图11 换流比为1.6时的实验波形
Fig.11 The experimental waveforms when K is 1.6
以上讨论的背景是直流短路开断，对于负荷电流与过载电流的开断，可采用辅助换流支路的方法解决换流比过大的问题[23]。
本文利用直流开断实验平台，实验研究了直流真空开断系统样机在不同换流时刻、开断电流幅值、换流频率、换流比下的换流时间和最小安全开距。得到以下几点结论：
1）换流时刻选择过早会导致电弧因触头开距不足而重燃，实验条件下，换流频率3kHz，开断5kA直流电流，换流时刻最早约为0.193ms，最小安全开距约为0.60mm。
2）当换流频率和换流比一定时，随着开断电流幅值的增大，换流时间不变，断口恢复电压增大而介质恢复强度较低，对最小安全开距的要求近似呈线性增长。
3）当换流比相同时，随着换流频率的增加，换流时间明显缩短，加重开断负担。此时最小安全开距与换流电容预充电压及断口恢复电压相关。
4）当换流频率相同时，随着换流比的增加，对最小安全开距有更高的要求。
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Research on Commutation Parameters of Mechanical HVDC Vacuum Circuit Breaker
Abstract Mechanical high voltage direct current (HVDC) vacuum circuit breaker based on commutation principle is one of the solutions for short circuit failure interruption in HVDC system. After arc extinction, whether the medium recovery strength can withstand the recovery voltage is the key factor influencing the interrupting performance. Therefore, the commutation time and minimum safe stroke become important references for the design of mechanical HVDC vacuum circuit breaker. In this paper, at different initial moments of commutation time, interrupting current amplitudes, commutation frequencies and amplitude ratios of the commutation current to the interrupting current (commutation ratio), the commutation time and minimum safe stroke of DC vacuum circuit breaker were tested by a DC test circuit. The experimental results show that, if the initial moment of commutation time is too early, it may lead to insufficient gap distance between contacts and cause arc reigniting. When the commutation frequency is 3kHz and the interrupting current is 5kA, the minimum safe stroke is about 0.60mm. With the increase of the interrupting current amplitude, the minimum safe stroke increases approximately linearly. The higher the commutation frequency and the commutation ratio, the smaller the commutation time is. The minimum safe stroke is more demanding as the recovery voltage increases.
keywords：Mechanical HVDC vacuum circuit breaker, commutation time, commutation ratio, minimum safe stroke
中图分类号：TM561
DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.190670
国家电网公司2017年总部科技资助项目（0711-160TL14711127）。
收稿日期 2019-06-04
改稿日期 2019-10-09
张梓莹 女，1993年生，硕士研究生，研究方向为高压直流开断。E-mail: 2755855416@qq.com（通信作者）
梁德世 男，1988年生，博士研究生，研究方向为高压直流短路开断试验。E-mail: liangdeshi@mail.dlut.edu.cn
（编辑 赵 鹏）