真空開關(guān)電弧伏安特性測試系統(tǒng)的設(shè)計

真空開關(guān)電弧伏安特性測試系統(tǒng)的設(shè)計為了實現(xiàn)對真空開關(guān)電弧伏安特性的測量，設(shè)計了真空開關(guān)電弧試驗裝置。首先建立了一個可拆式真空滅弧室以及其基于陰極的觸發(fā)電路，并結(jié)合真空短間隙開展了電弧點燃試驗以及真空電弧電壓和電流的采集，驗證了真空電弧正伏安特性。結(jié)果說明，利用所設(shè)計的系統(tǒng)能夠很好地觸發(fā)真空間隙，并能準(zhǔn)確地測量真空開關(guān)電弧的伏安特性，能為真空相位開關(guān)的研究提供有利的條件。

引言

真空開關(guān)之所以能迅速發(fā)展，是由于其自身有許多優(yōu)點。作為電力系統(tǒng)中的一種新型開關(guān)電器，它以高真空作為滅弧介質(zhì)和絕緣介質(zhì)，觸頭與滅弧系統(tǒng)簡單，具有使用壽命長、檢修間隔時間長、易于維護、適合頻繁操作、體積小、重量輕等特點，在中壓領(lǐng)域占了統(tǒng)治地位。近年來，隨著國內(nèi)外對真空滅弧室研究的不斷深入，真空開關(guān)在高壓領(lǐng)域和低壓領(lǐng)域也得到了不斷的滲透。

同時電力系統(tǒng)對真空開關(guān)越來越高的可靠性要求及自動化程度，促使真空開關(guān)的智能化程度越來越高。目前一種新的智能化開關(guān)就是相控開關(guān)。相控開關(guān)技術(shù)也稱同步開關(guān)技術(shù)，最早提出于20世紀70年代。進人20世紀90年代中期后，相控開關(guān)迅速走向?qū)嵱没⑷〉昧肆钊藵M意的效果，目前已成為智能化電器的研究熱點之一。它是通過檢測系統(tǒng)相位，實現(xiàn)在零電壓下關(guān)合、在零電流下分斷。短間隙真空電弧是相控真空開關(guān)的特點之一，這就要求對短間隙的真空電弧的特性作進一步的分析研究，該論文就是以短間隙真空開關(guān)電弧作為研究對象。為了研究短間隙真空電弧，該工作首先設(shè)計建立了一個可拆式真空滅弧室。滅弧室的陽極直接經(jīng)瓷套固定在上端蓋上，陰極經(jīng)波紋管與瓷套相連，其上下位置可調(diào)，能夠方便地對間隙的開距開展調(diào)節(jié)和更換電弧觸頭?？刹鹦墩婵諟缁∈沂褂秒p級抽氣系統(tǒng)，能使系統(tǒng)始終保持在高真空狀態(tài)；陽極陰極均采用目前最常用的杯狀縱磁電弧觸頭。真空電弧由高壓脈沖產(chǎn)生，觸發(fā)電極安裝在陰極觸頭，觸發(fā)電路可提供高電壓和較大的續(xù)流電流，保證電弧的可靠引燃。使用分流器采集電弧電流，和示波器采集到的電弧電壓結(jié)合，可得到真空電弧的正伏安特性；對觸發(fā)極產(chǎn)生的高電壓開展采集，可以得到定開距的耐受擊穿電壓。1、真空室設(shè)計

文章所使用的真空間隙，其構(gòu)造簡圖見圖1。它主要包括絕緣外殼(陶瓷或玻璃材料)、金屬屏蔽罩、一對開距為d的主電極(陽極、陰極)；另外還有一個觸發(fā)電極，外接觸發(fā)裝置，管內(nèi)真空度通常維持在1×10-4Pa以上。絕緣外殼一方面保證內(nèi)部真空度，同時起絕緣和支撐作用；金屬屏蔽罩一方面可以調(diào)整真空間隙內(nèi)部的電場分布，還可防止燃弧時產(chǎn)生的金屬蒸氣沉積在絕緣殼體的內(nèi)表面，使殼體內(nèi)表面的閃絡(luò)強度降低；主電極傳導(dǎo)大電流，其構(gòu)造設(shè)計對真空間隙的性能有重要的影響；觸發(fā)電極提供初始等離子體。為得到不同開距的真空間隙，該實驗采用一個直徑為30cm、高約為29cm的不銹鋼的真空室，該間隙能夠在較大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)開距，能夠?qū)Σ煌_距下的真空間隙特性開展研究。真空間隙內(nèi)的兩個電極觸頭采用高導(dǎo)電的銅合金材料，下面為觸頭陰極，經(jīng)波紋管與瓷套相連，固定在導(dǎo)電桿上，其上下位置可調(diào)，以滿足不同間隙開距的要求。

圖1真空間隙構(gòu)造圖

真空間隙工作過程包括3個主要階段，即觸發(fā)階段、主間隙導(dǎo)通燃弧階段和弧后介質(zhì)恢復(fù)到靜態(tài)絕緣階段的恢復(fù)階段。觸發(fā)階段為主間隙提供初始等離子體，初始等離子體擴散進入主間隙，在主間隙電場的作用下，帶電粒子首先引發(fā)輝光放電，隨著電流密度的迅速增加，輝光放電轉(zhuǎn)變?yōu)榛」夥烹姡⑵鸾饘僬魵怆娀?，主間隙導(dǎo)通。當(dāng)主間隙放電電流過零時，由于真空介質(zhì)恢復(fù)的能力，電弧熄滅。2、主回路的設(shè)計

真空電弧可采用多種方式引燃。第1種是當(dāng)觸頭分離產(chǎn)生電弧的電流引燃；第2種是在已分離的觸頭上設(shè)置一個輔助電極，通過輔助電極產(chǎn)生一個脈沖電流引燃真空電弧；第3種是在已分離的觸頭上連接一根熔絲，當(dāng)電流通過熔絲時，熔絲被熔斷而產(chǎn)生電弧引燃真空電弧。在實際真空開關(guān)中，真空電弧的引燃是在觸頭分離過程中產(chǎn)生的。

上面電弧產(chǎn)生的3種方式，對第1種而言，需要觸頭的不斷運動，對電弧觸頭的損害較大，減少觸頭的使用壽命，需要不斷更換觸頭。如果使用可拆卸滅弧室，可以解決這個問題，但由于觸頭的不斷運動，此滅弧室的真空度難以保證，不過此種方式的研究與實際過程中的情況最接近。對第3種方式，由于熔絲為一次性的，需要不斷地更換熔絲，相比照較麻煩；另外由于熔絲燃燒后的殘余物會留在觸頭上，對真空的絕緣擊穿會有很大的影響，不利于對真空電弧特性的研究，所以文章選擇第2種方式。這種方式其輔助觸發(fā)電極可以多次使用，觸頭不必移動，對真空度的保持很有利，是一種研究真空電弧特性的一種較為理想的方式。

整個測試系統(tǒng)分別由真空系統(tǒng)、主回路、光學(xué)系統(tǒng)、電流和電壓測試裝置、以及電弧動態(tài)圖像數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)構(gòu)成，其主回路分布見圖2。

圖2測試系統(tǒng)線路圖

由于實驗過程中需要經(jīng)常更換觸頭，并且需要有觀測窗開展圖像觀測，而這在真空開關(guān)上是無法實現(xiàn)的，因此實驗采用可拆式滅弧室，以方便地更換不同型式觸頭開展實驗。實驗采用一個直徑為30cm、高約為29cm的不銹鋼的真空室，使用此真空室能夠在較大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)開距，能夠?qū)Σ煌_距下的真空電弧特性開展研究。滅弧室內(nèi)的兩個電極觸頭采用高導(dǎo)電的銅合金材料，下面為觸頭陰極，經(jīng)波紋管與瓷套相連，固定在導(dǎo)電桿上，其上下位置可調(diào)，以滿足不同間隙開距的要求。陰極上的觸發(fā)極直接接在可拆式滅弧室上的絕緣接線柱上，此接線柱上有5個相互絕緣的接線端，分別可以與外面的點火電極、探針等相連；陽極觸頭經(jīng)瓷套直接固定在可拆式滅弧室上端蓋上。滅弧室側(cè)面上有兩個方向互成直角的觀察窗可以對真空電弧的形態(tài)直接開展觀測，在絕緣接線柱的旁邊安裝著真空計量裝置的傳感器，可以始終對滅弧室的真空狀態(tài)開展檢測。3、結(jié)語

目前國內(nèi)外專家學(xué)者們在真空開關(guān)領(lǐng)域已經(jīng)投入了大量的研究工作，一方面致力于真空開關(guān)操動機構(gòu)的開發(fā)研究，另一方面致力于真空滅弧室的開發(fā)設(shè)計。真空滅弧室是真空開關(guān)的心臟，而真空開關(guān)電弧理論研究是真空滅弧室設(shè)計的主要理論依據(jù)，故真