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[工控/英语] 多断口真空开关的动态介质恢复及统计特性分析
[ 2008/1/1 9:36:42 | ]
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1 引言

    真空开关是电力系统中的新型开关电器,其特点是利用真空作为主触头间的绝缘介质和灭弧介质,真空的极为优异的绝缘强度和熄弧能力给真空开关带来了许多优点,使之在配电领域得到了广泛的发展和应用。从另一方面看,由于长真空间隙的绝缘有难以克服的困难,目前真空开关尚只能应用于110kV及以下电压等级。发展更高电压等级的真空开关有两种途径:一是继续发展单断口型真空开关,如日本明电舍公司1980年开发的123kV,31.5kA真空断路器;东芝公司1987年开发的145kV,31.5kA真空断路器;二是发展双断口及多断口真空开关,如美国通用电气公司1980年开发的168kV,40kA双断口真空断路器;西屋电气公司开发的145kV双断口真空断路器;1985年前苏联用4个灭弧室串联生产出110kV,25kA多断口真空断路器;日本三菱公司拟发展500kV双断口真空断路器[1, 2]。

    对多断口真空开关技术产生浓厚兴趣的源泉是基于技术和经济两方面的考虑。由于多断口真空开关具有许多优点,因此,多断口真空断路器成为了许多国家竞相研究的课题[3~7]。同时,多断口真空断路器的发展还涉及到许多研究课题。其中最重要的是其基本的开断机理的理论研究,但这方面的研究目前国内外都还没有见到较为深入的报道。其理论研究的进展缓慢制约了此技术走向工业实用化。本文试图从双断口真空开关的弧后动态介质恢复过程的研究出发,理论推导得到多断口真空开关的最大可能增长倍数,并运用“击穿弱点”[8~10]的概念,引入数学领域的随机理论和概率统计方法来分析双断口及多断口真空开关的开断、介质恢复及重击穿的机理,所得到的结论有利于多断口真空开关的进一步研究。

2 双断口真空开关的动态介质恢复过程

    对于单断口真空开关,真空灭弧室的弧后介质恢复过程,就是指真空灭弧室在电流过零、电弧熄灭之后,间隙由燃弧时的高导电状态逐渐恢复为高阻绝缘状态的过程。真空灭弧室的弧后介质强度恢复特性直接决定了真空灭弧室的分断能力,因而一直为广大研究者所关注,在这方面做了大量的研究。真空灭弧室的弧后介质强度恢复包括固有介质强度恢复和动态(实际)介质强度恢复两个方面的内容[11]。固有介质强度恢复特性是指灭弧室在没有暂态恢复电压作用下的恢复特性,是一种理想状态下的恢复特性,也是研究实际介质恢复特性的基础。而在实际的运行条件下,真空断路器在分断电流后,断口两端立即会受到快速上升的暂态恢复电压(TRV)的作用,这种条件下的介质恢复称为动态(实际)介质恢复。对于双断口真空开关而言,其动态介质恢复过程与单断口真空开关是截然不同的。

    2.1 双断口真空开关的等值模型

    双断口真空开关技术的最大优势就是用低电压等级的灭弧室串联后获得高电压等级的电流开断能力。图1是双断口真空开关的合成试验回路。电流源有效值25kA,电压源恢复电压峰值100kV。这里双断口灭弧室是上下布置的。对于图1所示双断口真空开关,当合成回路的恢复电压加上时,由于加在真空间隙两端的恢复电压的变化率非常高(恢复电压的平均上升率可达2~10kV/ms)[3~5],因此两个真空灭弧室的电压分配主要受到真空间隙的电容的影响(暂不讨论弧隙电阻的影响),可以得到双断口真空开关的等值电路图,如图2中实线部分所示。

   2.2 双断口真空开关的动态介质恢复过程

    双断口真空开关的动态介质恢复过程与单断口真空开关是不同的。在双断口真空开关的开断过程中,由于上下两个真空灭弧室的分压不均匀(由于对地电容Cg的影响),通常是所受恢复电压较高的灭弧室先发生重击穿。此时,只要恢复电压的峰值和上升速度低于某一极限值,整个双断口开关并不会因为一个灭弧室发生重击穿而导致开断失败。这是因为另一个真空灭弧室的介质强度仍可能高于此时的恢复电压,它还可以承受整个恢复电压一个比较短的时间,当重击穿的真空灭弧室的介质恢复以后,共同完成分断过程。图3为典型双断口真空开关恢复过程示波图。由图3可见,在①点,VI2(上端的真空灭弧室)在电流零点后大约8ms、恢复电压为-49kV时,发生了重击穿,可以看到U42的电压下降到了零。此时,VI1(下端的真空灭弧室)承受了整个恢复电压,其电压值从-18kV很快增加至-78kV。在区间②,VI2介质恢复很快,而且能够承担一部分恢复电压。这里,可以看到VI1承受了超过-60kV的恢复电压12ms,最后其恢复电压下降为-60kV。在③点,VI1发生重击穿,电压降到0,这时由介质已经恢复的VI2来承受整个恢复电压,同时VI1的介质也迅速得到恢复。最终成功完成整个电流的开断。图3中①点和③点都是在纳秒级以内完成的。

    如果其中的一个真空灭弧室首先发生电弧重击穿,而另外一个灭弧室又不能承受陡增的全部恢复电压,或者其承受的时间太短,使得先重击穿的灭弧室介质还来不及恢复,那么两个真空灭弧室就会相继重击穿,最终导致双断口真空开关的开断失败。

   2.3 弧后介质恢复分析

    理论上,在真空电弧熄灭后,弧隙中还存在着残余的金属蒸气和带电粒子,在大电流时还会有金属液滴。残余物的存在是恢复过程中的真空间隙同恢复结束后的真空间隙的最大区别。因而残余物是如何扩散的将是研究恢复过程的主要问题。实际上,真空开关的弧后实际介质强度恢复是一个多种因素作用的过程,可以分为三个阶段:以介质恢复与暂态恢复电压(VTR)互相作用为主的恢复前期;以金属蒸气密度n(t)为主导的恢复中期及真空间隙达到全恢复至静态耐压特性的恢复后期。一般来说,有暂态恢复电压情况下的弧后介质强度恢复时间主要考虑前两个时期。

    在恢复前期主要为电荷鞘层(Sheath)发展阶段[12],鞘层是由于电弧过零后的剩余等离子体在VTR的作用下正离子和电子朝不同电极方向运动产生的。这一层区随时间发展而渐宽,直至充满整个间隙。鞘层及阴极表面增强的场致发射击穿主导了恢复前期的过程及介质恢复速度,由电荷鞘层的厚度和加在上面的电压可以得到一个平均电场强度,由于暂态恢复电压随时间变化,该电场也随时间变化,当该场强大于无燃弧情况下击穿所需的场强时,间隙将被击穿。对于双断口真空开关,由于两个真空灭弧室的VTR分压不均匀,显然在电荷鞘层发展阶段,两者电荷鞘层的场强并不相同,因此当其中一个灭弧室的场强超过间隙的击穿场强时,可能会引发此灭弧室的重击穿。而如果另一灭弧室的场强达不到击穿场强,并不一定会引起它的击穿。鞘层发展结束后才开始以金属蒸气的衰减为主导的类似固有恢复的过程。

    真空开关的实际介质恢复时间是电荷鞘层发展时间和随后以金属中性粒子衰减为主导的固有恢复时间的总和[11]。由于VTR的加入,使得在不同的VTR下电荷鞘层的发展时间不同,因此影响了总的实际介质恢复特性,从而必然使得双断口真空开关两个灭弧室有不同的开断特性(见图3)。

    由于双断口真空开关不同灭弧室承受暂态恢复电压(VTR)不同,以动态恢复的观点来看,当承受VTR低的某一灭弧室恢复得比其他灭弧室快时,则这一时刻此灭弧室的耐压水平更高,这是一个灭弧室先击穿而另一个灭弧室仍能承受整个双断口开关电压一段时间的原因。图4是采用三电源法[11]对一真空开关在不同VTR(VTR1< VTR2)下测得的介质恢复特性。灭弧室触头为纵磁结构,中心场强为0.9×10-5T/kA,开距为12mm,燃弧电流10kA(有效值),触头材料为铜碲硒合金。

3 双断口及多断口真空开关的击穿统计特性分析

    3.1 概述

    真空间隙的绝缘击穿过程是一个非常复杂的过程,常常不是一个单一因素的击穿机理,而是几个因素同时起作用,难以准确地加以区分和描述。但是,击穿的引发因素主要来源于电极,如电极表面的场电子发射尖端、松散粘附在电极表面的金属或非金属微粒、以及发生在电极间隙的微放电过程等[13]。为此,可以引入“击穿弱点”的概念来统一描述这些导致击穿的“源”,它是存在于电极表面、在电场应力作用下有可能引发击穿的各种因素的总称[8~10]。显然,双断口真空开关两个灭弧室恢复电压分布的不均匀性进一步增强了这些“击穿弱点”的活性。击穿弱点在电极表面的分布是随机的,且随着外加电场应力的变化而变化,它服从于一定的概率分布[9,10]。对于双断口真空开关而言,其两个断口都存在服从于一定分布的击穿弱点。

    3.2 击穿电压最大可能增长倍数及击穿统计分布模型

    3.2.1 击穿电压最大可能增长倍数Kn

    多断口真空开关的优越性是充分利用真空短间隙的优良特性。在同样的总间隙下,将真空间隙分成多断口相比单断口有一个固有的优势,其击穿电压最大可能增长倍数可推导如下:

    单断口真空开关的击穿电压与电极距离的关系有两种不同的表达式。在距离较小时 ,击穿电压和电极距离成线性关系,而在电极距离较大时,击穿电压和电极距离的关系变为[12,13]

   

    其中指数α是非常重要的因子。它的取值一般在0.4~0.7之间。s为电极距离,k为常数。

    双断口真空开关的设计思想是采用小间隙的高真空绝缘特性,串联起来得到更高的电压耐受特性。理想情况下双断口真空开关的击穿电压与间隙距离的关系为

   

    考虑到单断口真空开关的真空间隙距离相比双断口真空开关的每个灭弧室的间隙长增加了一倍,单断口真空开关击穿电压和电极距离的关系改写为

   

   3.2.2 静态击穿统计分布模型

    对于如图2所示的双断口真空开关等值电路图,当两个串联断口的串联间隙单独存在时,如在外加电压作用下发生放电,则分别称事件A、B出现。设已知P(A)、P(B)。当两者串联后,如间隙A、B放电,则称事件A*、B*出现。

    二者串联后构成所谓的“双断口(间隙)系统”。当该系统发生放电时,称为事件C出现。在双断口系统中,两个间隙可能相互影响,但限于条件,只能按“两间隙的放电相互独立”的假设进行分析。

    文[9]提出真空间隙的击穿与阳极表面的弱点有关,而阳极表面单位面积内的弱点数与极间电压U及阳极表面场强U/s(s为极间距离)有关,即与电场应力U2/s=x有关。因此,描述真空间隙击穿特性的将是x。显然,当电极面积增大时,击穿将在最薄弱的环节处发生,因而真空间隙电场应力x的概率分布将是一个极小值分布。根据试验结果可知[9, 10],冲击电压下真空间隙中的击穿弱点是遵从威布尔(Weibull)分布的,而Weibull分布正是一种常见的极值分布。

   

    其中XOA、XOB是Weibull函数的位置参数,ηA和ηB称为Weibull函数的尺度参数,δA、δB称为Weibull函数的形状参数。它们都是由电极材料和电极表面状况决定的固有参数。

    则在两个断口串联后,根据以上讨论,笔者认为某一断口击穿并不能导致整个双断口系统的击穿,只有两个断口同时击穿才能认为双断口系统击穿,因此,事件的相互关系是

   

   

    特殊地,当在理想状态下,认为断口1和断口2的电极的材料和电极表面状况相同时,即它们的击穿统计分布函数可认为相同,有

   

   的位置参数X0,ηA和ηB统一表示为Weibull函数的尺度参数η,δA、δB统一表示为Weibull函数的形状参数δ,则有双断口真空开关的静态击穿统计联合概率分布函数为

   

    由以上推导得到的式(11)和(12)可见,无论是双断口真空开关还是n个断口串联起来,其击穿的统计概率都要比单断口的击穿统计概率要小,而且串联的断口越多,其静态击穿统计概率越低。因此,采用双断口及多断口结构可以显著提高整个间隙的真空绝缘特性,从而得到更高的电压耐受特性。而在实际上,许多研究者的实验结果也说明了这个结论的正确性[6~12]。

    3.3 弧后重击穿统计分布模型

    双断口真空开关的重击穿可能产生高值的过电压,对系统设备运行和电网及人身安全造成威胁,因此有必要对双断口真空开关的重击穿的发生机理做深入的研究,本节在3.1节双断口真空开关静态击穿统计特性研究的基础上,考虑间隙恢复过程和暂态恢复电压的作用,对双断口真空开关的重击穿的发生概率及其时间分布做了进一步的研究。

    如前所述,在静态条件下,双断口真空灭弧室的击穿统计特性可用式(11)进行描述。考虑到介质恢复过程中,间隙的绝缘强度是随着时间的增加而逐渐增加的[12, 14],即灭弧室所能耐受的最小电场应力x0应是时间的函数,它由恢复开始时的零逐渐上升到全恢复时的x0,由此可得出双断口真空开关灭弧室在介质恢复期间的重击穿发生概率为

   

    根据实验结果[15],最小电场应力x0(t)是随时间的变化近似的可用一指数函数来描述,即

   

   式中τ为恢复时间常数。

    根据双断口真空开关的重击穿模型(13-a)和(13-b),双断口真空开关的弧后重击穿的统计概率都要比单断口的击穿统计概率要小。对应于2.2节中双断口真空开关的动态介质恢复过程的分析,利用本文提出的击穿统计概率的理论能够较好地进行解释:当双断口真空开关中的一个断口发生重击穿时,另外一个断口可能并没有发生重击穿,它还可以承受恢复电压一个较短的时间,等待重击穿的断口有一定的介质恢复,然后共同完成开断过程(见图3),从而使得整个双断口真空开关不一定会发生重击穿。

    由此可进一步推知串联的断口越多,其重击穿统计概率也越低。n个断口串联时的弧后重击穿模型为

   

4 电场应力x的物理意义

    一般认为[13, 14],在长间隙真空中,击穿是由金属微粒引起的,只有到达电极表面的微粒具有一定能量时才会引起真空击穿。位于理想电极表面半径为r的球状微粒所带有的电荷为[13]

   

   式中E为电极表面的电场强度,ε0为真空的介电常数。则此微粒初始动能为0,穿过电位差为U的间隙后,到达对面电极的微粒动能为

   

    由此可见,只有当电场应力x达到一定值时,才能保证微粒在向对面电极的运动过程中能够获得足够的动能,微粒和电极碰撞时,动能转变为热能,才能使微粒本身发生完全熔化和蒸发,蒸发出来的金属蒸气导致真空间隙的全面击穿。因此,电场应力 实质上代表的是微粒引导真空间隙击穿所需的能量。

5 结论

    (1)双断口真空开关的动态介质恢复过程与单断口真空开关是不同的。只要恢复电压的峰值和上升速度低于某一极限值,整个双断口开关并不会因为一个灭弧室发生重击穿而导致开断失败。这是因为另一个真空灭弧室的介质强度仍可能高于此时的恢复电压,它还可以承受整个恢复电压一个比较短的时间,当重击穿的真空灭弧室的介质恢复以后,共同完成分断过程。

    (2)理论推导得到了多断口真空开关相对于单断口真空开关的击穿电压最大可能增大倍数Kn。

    (3)无论是双断口真空开关还是n个断口串联起来的多断口真空开关,其击穿的统计概率都要比单断口的击穿统计概率要小,而且串联的断口越多,其静态击穿统计概率越低。

    (4)引入“击穿弱点”的概念,理论推导得到多断口真空开关的静态击穿统计分布模型及弧后重击穿统计模型。

    (5)利用所得到的击穿统计模型能对多断口的开断机理进行合理的解释,采用多断口的真空开关相比于单断口真空开关有更好的开断性能,是发展高电压等级真空开关的有利途径。

    (6)对电场应力x的物理意义进行了讨论,说明电场应力x实质上代表的是微粒引导真空间隙击穿所需的能量。

参考文献

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    [4] Betz T,Koenig D.Influence of grading capacitors on the breaking capacity of two vacuum interrupters in series[J].IEEE Trans.on Dielectrics and Electrical Insulation,1999,6(4):405-409.

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    [15] Lins G.Evolution of copper vapor from the cathode of a diffuse vacuum arc[J].IEEE Trans. on Plasma Sci.,1987,15(5):552-556.

 
 

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