基于光控模块的多断口真空开关串联金属蒸气电弧等离子体关键行为研究

The multi-break vacuum switch arc is generated in the operation of several vacuum gaps in series. The key behaviour includes the zero region arc properties, the dynimic dielectric recovery and the coefficient effect among the gaps. All these characteristics are hot reseach fields in state of the art. With the experimental set-up for faber controlled vacuum switch modules in series, research work are focused on the key behaviour and relevant factors in order to grasp the critical parameters for changing the arc performance. The synchoronous control strategy and steady criterion are investigated to obtain valid arc control methods for high and ultra-high voltage grade applications. Nowadays SF6 is used as the main dielectric gas in high voltage and ultra-high voltage switches, however, SF6 can cause serious environmental problem. The multi-break vacuum switch is a good solution to this problem. By means of studying the key behaviour of multi-break arc, the theoretical and technical obtacles can be overcome and expand the vacuum switch to ultra-high voltage field in deed.

多断口真空开关金属蒸气电弧是指多个真空间隙串联运行时的电弧，其关键行为包含零区电弧特性，动态介质恢复与各间隙电弧之间协同作用特性，是当前开关电器领域的前沿课题之一。本研究旨在通过理论建模并搭建基于光控模块串联实验平台，研究不同条件时多间隙电弧等离子体的关键行为特征及影响因素，重点掌握电弧行为发生显著演变时的临界控制参数；结合在超、特高压开关中的应用，研究串联间隙的同步控制策略和稳定判据，给出实用有效的电弧调控措施。目前超、特高压开关介质是SF6一统天下，而SF6废气毒性以及泄漏后对环境的危害是人们近年十分关注的。多断口真空开关技术实质是利用环保型真空开关短间隙优势完成超、特高压短路电流开断。融合电子操动技术和光电控制技术，把多断口真空开关应用到超、特高压开关领域已成为可能。研究多断口真空开关金属蒸气电弧的关键行为与影响因素就是在基础理论方面为这一应用扫清障碍，探索超、特高压开关新结构形式。

多断口真空开关是未来环保型高压断路器的发展方向之一，其内在作用机理与理论基础是串联金属蒸气电弧的协同特性及调控机理。综合考虑了等效电容参数、弧后电导、弧后电荷等对静动态电压分布的影响，提出了描述多断口真空断路器静动态电压分布的等效电路，并引入了受控弧后电流源，反映弧后电荷对动态电压分布的影响。提出了基于电流转移特性和磁吹的弧后电流测量方法，通过理论分析与试验研究，得到了真空电弧电流转移特性和磁吹影响规律。研制了新型弧后电流测量装置样机，该装置对并联真空开关的控制精度要求低，测量带宽15MHz，精度为0.3%。通过新型弧后电流测量装置和高精度阻容分压器分别测量弧后电流和暂态恢复电压，计算得到弧后电导、弧后电荷等特性，为后续研究提供了有效的手段。在上述工作基础上，建立了双断口真空断路器弧后动态介质恢复模型，对比分析了径向磁场（RMF）和纵向磁场（AMF）真空灭弧室不同组合串联构成的双断口真空断路器的弧后动态电压分布及动态绝缘协同特性。并搭建了上述不同组合的双断口真空断路器试验平台，研究了弧后电荷、等效电容参数等对电压分布及动态绝缘特性的影响。引入了绝缘强度分界线概念，理论推导得到了非同期最佳配合间隙，提出了双断口真空断路器非同期协同控制方法。搭建了多断口真空断路器的磁场调控试验研究平台，设计了脉宽、施加时刻可控的外加磁场调控系统，重点研究了AMF强度、调控时刻、脉宽等电弧发展演变过程及弧后特性的影响规律，通过不同组合磁场调控对动态电压分布的影响研究，探明了多断口真空断路器磁场调控机理。最后引入多断口真空断路器磁偏弧概念，分析了磁偏弧对弧后电流、弧后电荷的影响规律，为紧凑型多断口真空断路器设计提供一定的参考。本课题揭示了协同特性及调控机理，寻求多断口真空断路器有效的协同控制方法及调控措施，为下一步高压、大容量多断口真空断路器技术研究奠定了坚实的理论基础。