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高壓直流系統(tǒng)以其經(jīng)濟(jì)性、穩(wěn)定性和可調(diào)節(jié)性等優(yōu)勢(shì)，在諸多輸電領(lǐng)域具有良好的發(fā)展前景，基于換流原理的高壓直流開(kāi)斷方法，通過(guò)在斷口疊加反向的高頻電流，使電弧電流過(guò)零后熄滅，是高壓直流開(kāi)斷的有效方式之一。

經(jīng)典研究認(rèn)為高壓直流真空斷路器開(kāi)斷電流的極限在于其電流變化率di/dt，有學(xué)者通過(guò)多種換流支路參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并得出結(jié)論：基于換流原理的高壓直流真空斷路器的開(kāi)斷極限由所開(kāi)斷的電流值和換流時(shí)間決定。

有學(xué)者利用CMOS高速攝像機(jī)觀測(cè)了基于換流原理的高壓真空直流開(kāi)斷過(guò)程中電弧的形態(tài)及轉(zhuǎn)移過(guò)程，結(jié)果表明當(dāng)注入同等的電弧能量，換流頻率選擇較低時(shí)，電流轉(zhuǎn)移時(shí)間變長(zhǎng)，電弧形態(tài)演化較慢，有利于電弧熄滅后電極間隙介質(zhì)絕緣強(qiáng)度的恢復(fù)。但在開(kāi)斷數(shù)十kA的大電流時(shí)，電極急劇加熱，在電極間隙將產(chǎn)生更多的金屬蒸氣和離子，相比電流轉(zhuǎn)移時(shí)間的影響，電流零點(diǎn)時(shí)刻的粒子密度更大程度上取決于開(kāi)斷電流的大小。

目前基于換流原理的高壓直流真空開(kāi)斷研究較多，但缺少換流投入時(shí)刻、換流時(shí)間與最小安全開(kāi)距等換流參數(shù)的概念及細(xì)節(jié)的深究，結(jié)論也缺少足夠的論證。

隨著快速操動(dòng)機(jī)構(gòu)的發(fā)展，機(jī)械式斷路器已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)快速開(kāi)斷，技術(shù)更加成熟。基于換流原理的機(jī)械式高壓直流真空斷路器，其換流時(shí)間與最小安全開(kāi)距的配合是決定開(kāi)關(guān)能否成功開(kāi)斷的關(guān)鍵，最小安全開(kāi)距是機(jī)械式高壓直流真空斷路器設(shè)計(jì)的重要參考依據(jù)。此外，某種意義上可以認(rèn)為換流時(shí)間和最小安全開(kāi)距是決定電弧熄滅后兩電極間的介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度的關(guān)鍵因素之一。

換流時(shí)間與換流電流幅值及電弧電流過(guò)零前電流變化率相關(guān)，二階微分方程無(wú)法解出含動(dòng)態(tài)真空電弧特征的開(kāi)斷過(guò)程。大連理工大學(xué)電氣工程學(xué)院、國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院的研究人員，以基于換流原理的機(jī)械式高壓直流真空斷路器為研究背景，定義并分析了換流時(shí)刻、換流時(shí)間、換流比等換流參數(shù)以及它們與最小安全開(kāi)距的關(guān)系，通過(guò)直流開(kāi)斷實(shí)驗(yàn)分析不同換流參數(shù)對(duì)開(kāi)斷性能的影響。

圖1 基于換流原理的機(jī)械式高壓直流真空斷路器的基本結(jié)構(gòu)

圖2 直流開(kāi)斷實(shí)驗(yàn)回路

研究人員最后得出以下結(jié)論：

• 1）換流時(shí)刻選擇過(guò)早會(huì)導(dǎo)致電弧因觸頭開(kāi)距不足而重燃，實(shí)驗(yàn)條件下，換流頻率3kHz，開(kāi)斷5kA直流電流，換流時(shí)刻最早約為0.193ms，最小安全開(kāi)距約為0.60mm。
• 2）當(dāng)換流頻率和換流比一定時(shí)，隨著開(kāi)斷電流幅值的增大，換流時(shí)間不變，斷口恢復(fù)電壓增大而介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度較低，對(duì)最小安全開(kāi)距的要求近似呈線性增長(zhǎng)。
• 3）當(dāng)換流比相同時(shí)，隨著換流頻率的增加，換流時(shí)間明顯縮短，加重開(kāi)斷負(fù)擔(dān)。此時(shí)最小安全開(kāi)距與換流電容預(yù)充電壓及斷口恢復(fù)電壓相關(guān)。
• 4）當(dāng)換流頻率相同時(shí)，隨著換流比的增加，對(duì)最小安全開(kāi)距有更高的要求。

以上研究成果發(fā)表在2020年第12期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“機(jī)械式高壓直流真空斷路器換流參數(shù)研究”，作者為張梓瑩、梁德世、蔡淼中、鄒積巖、劉芮彤。