混合式断路器的电压分布

在大电流间断作用下混合式断路器的电压分布特征 摘要：基于串联的真空断续器和6SF 断续器的混合式断路器（HCB ）技术由于高压开关的低碳已经成为一个新的研究方向。

真空断续器能够处理上升快速的瞬态恢复电压（TRV ），而6SF 断续器能够很容易的承受峰值电压。

一个混合式断路器能在电流间断的情况下利用断续器。

在这项研究中，一个基于真空离子扩散方程、离子密度方程和凯西-迈尔弧方程的混合式断路器进行了探讨。

通过使用一组名称为代替瞬态程序（ATP ）的软件搭建一个仿真平台。

一个混合式断路器（HCB ）的原型也被设计出来，而且混合式断路器处于不同功能序列的影响下会产生间断的短路电流。

混合式断路器的电压分布得到分析通过仿真分析和测试。

结果表明，如果真空断续器承受初始瞬态恢复电压和中断发生电弧后的电流，然后6SF 断续器的灭弧介质的回复速度将会很快。

两种断续器之间的电压分布由它们的电弧的电阻，在电流为零之后变化，随后它由电弧衰变为零时的电容性阻抗确定。

关键词：混合式断路器真空电弧，SF6灭弧，瞬态恢复电压，介质恢复，分断能力1. 引言根据政府间气候变化专业委员会（IPCC ）的报告，全球平均地表温度上升了0.74度，在过去100年（1906~2005年），20世纪下半叶是最暖的50年在过去1300年。

全球气温的上升，主要是由于使用的温室气体，如2CO 、4CH 、2NO 、HFCS 、 PECS 和6SF 。

使用6SF 气体是有限的因为它的全球变暖潜能值（GWP ）值更是高达23900。

6SF 断路器中6SF 气体占80％的生产用法并且在高压和超高压领域占主导地位。

因此，目前迫切需要研究低碳化的高压断路器。

在低碳化的高压大容量断路器的研究中有三个方向：采用单断口和多断口形式的真空断路器、无6SF 气体的断路器和混合式断路器。

基于真空断续器和6SF 断续器的断路器的研究开始在1960年。

混合式断路器在1970年到1980年期间再一次吸引了研究者的目光，在这段时期，在美国和日本的几个制造商申请专利，但是由于经济条件没有人将此应用于工厂中。

随着大容量真空开关和6SF 断路器的自热技术的发展，一项新的关于混合式断路器技术在21世纪进行研究。

研究者已经证实在真空电弧和6SF 电弧间的相互作用对于间断电流的过程有积极影响。

尽管如此，更多的不可或缺的理论例如电压分布特点，两个断续器的最好时刻，对于工厂应用电容量最小的时刻。

在这项研究中，分析了混合式断路器的相互作用的原理。

通过使用代替瞬态程序（ATP ）的软件搭建一个仿真平台，在这以后一个混合式断路器的模型将被建立。

高精度控制的实验原型建立是为了分析两个断续器之间的作用的协同时间。

恢复电压的分布在不同的中断条件相比较和仿真和试验研究了分级电容器的影响。

2 作用原理比较真空和6SF 两种灭弧介质，我们能发现在电流的间断作用下呈现不同的特点。

将真空和电弧区域在电流为零后的过程是非常迅速的。

真空介质强度的恢复速度比6SF 介质强度的恢复速度快。

真空的介质强度的增加是非线性接触间隙。

它是辐射区域和离子碰撞造成的结果。

但是，6SF 气体具有很好的绝缘特性。

电流为零后，6SF 断续器的弧前电流比真空断续器的更小。

因此，6SF 断续器阻止低阻抗路径去真空断续器的。

它阻止通过真空断续器瞬态恢复电压的最初时刻。

因此，一个混合式断路器的主要设计特点是：a )在弧前电流作用过程中，它充分利用了真空能承受最初瞬态恢复电压的快速介质强度恢复特性，它提供6SF 断续器的介质强度恢复更多的时间。

与此同时，流过6SF 断续器的小的弧前电流它的电弧电阻（G R ）比真空电弧电阻（V R ）要低，如图1所示。

随着6SF 介质强度的恢复，G R 逐渐增大，所以6SF 断续器中断弧前电流和真空断续器一样。

瞬态恢复电压的公布由在这个阶段G R 和V R 占得比率决定。

b)弧前电流衰减为零之后，瞬态恢复电压的分布受真空断续器（V C ）和6SF 断续器(G C )DE 电容阻抗的限制，如图1所示。

混合式断路器中断，甚至因为6SF 断续器的好的绝缘特性这一时刻真空断续器毁坏。

此外，设计出来的实验原型以一种真空断路器（VCB ）放置在6SF 断路器的上面的形式呈现，这点主要是考虑混合式断路器结构的稳定性。

所以接地电容（g C ）在弧前电流衰减为零后在电压分布中充当很重要的角色（g C 的大小为4pF ）。

图1 混合式断路器的等效电路图然而，6SF 断续器将承受最初瞬态恢复电压假设它中断电流很快。

真空断续器由于6SF 电弧的高阻抗特性仅能承受很少的瞬态恢复电压。

6SF 的介质强度恢复很慢所以6SF 断续器很容易重新点燃。

然而，真空断续器不能单独承受瞬态恢复电压，这将导致混合式断路器的重燃。

在瞬态恢复电压很快增长的时候，混合式断路器很快烧毁。

真空断续器和6SF 断续器在仿真中不能展示独特的优点。

简而言之，在两个断续器之间承受最初瞬态恢复电压的序列在一定程度上决定了混合式断路器的毁坏可能性。

最好的解决办法是真空断续器承受最初瞬态恢复电压，这将帮助6SF 断续器尽可能恢复介质强度。

这也要求6SF 断续器在真空断续器毁坏前承受更大的瞬态恢复电压。

3 仿真实验3.1 仿真平台混合式仿真平台通过利用代替瞬态程序（ATP ）软件搭建。

真空断续器和6SF 断续器的电弧模型是在代替瞬态程序（ATP ）软件的控制系统的瞬态分析上建立起来的。

模拟的目的是找出在真空断续器和6SF 断续器之间在间断电流过程中的作用联系。

并且得到问题的答案。

利用低电压做这个实验很容易以至于通过记录数据可以得到在电压和电流之间的联系，真空断路器的大小是12kV ，20kA 和6SF 断路器的大小是12kV ，6.320kA 。

将实际联系和原型的模拟结果结合起来，（两种电弧模型的原先参数取自现有文献），两种电弧模型的优化参数是通过使用 的方法。

混合式断路器电弧模型通过串联真空电弧模型和6SF 电弧模型得到。

在不同接触序列下真空断续器和6SF 断续器之间的电压分布是模拟的。

此外，具有类似于分级电容的断续器的仿真值为500pF 。

混合式断路器的模拟电路如图2所示。

图2 在短电路作用下混合式断路器的模拟电路真空电弧模型，它的离子扩散方程和离子密度方程如下所示：()()322000034119i u t u t U S eZN U U ε⎡⎤⎛⎫⎢⎥=++- ⎪⎢⎥⎝⎭⎢⎥⎣⎦(1) 2002e x p ()(D 1)i i A M D gapt t S N N D τ-=-+ (2) 真空电弧模型 6SF 电弧模型20(v )2i i M dS U e dt =- (3) 2(t )(v )4i i D Z N edS i dt π=- (4) 在上述方程中，S 是正离子层厚度；0U 是层边缘的电势；Z 是平均带电量；0t 瞬态恢复电压的初始时刻；i N 是离子层边缘密度；0i N 是当0t t =与S=0是离子的初始密度，这取决于0t 时刻电弧的衰减程度；()u t 代表电弧电压；0ε是真空介电常数；e 为一个电子的带电量；i M 是离子质量；i v 是在离子层边缘和中性等离子体中的离子速度；()i t 是弧前电流；D 是电弧体积的直径；τ代表离子扩散过程中衰减时间；AMP D 代表两个电极间离子空间电量的分布。

方程（1）描述离子层的增长趋势。

离子层的厚度与电极上的恢复电压有关。

方程（2）描述离子层边缘的密度，它与离子扩散和离子层的衰减时间有关。

方程（3）描述边缘离子电势，这取决于金属离子和离子层发展速度的大小。

方程（4）描述的是间断作用时间的电弧电流。

D ，τ，i v ，AMP D 是真空电弧模型的主要参数。

修改了的6SF 电弧模型方程如方程（5）所示。

它呈现为电流在为零之前和之后的电流情况。

0011111dg ui ui g dt P g P g αβθθ⎛⎫⎛⎫=-=- ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭(5) 方程(5)中g 代表电弧电导，u 是电弧电压，i 是电弧电流，θ是电弧连续时间，P 代表消弧的能量，α是θ的影响系数，β是P 的影响系数。

0P ，0θ，α，β这些值取决于断路器和电路，是6SF 电弧模型的主要参数。

在混合式断路器模型中真空断续器和6SF 断续器在连续的独立单元之前表示成为特有的连续的抵抗力和子啊连续的独立单元之后表示成为连续的电弧模型，并且在电流衰减为零之后断路器的特有容量。

我们能断定真空电弧模型和6SF 电弧模型的初始时刻通过改变两个断续器的时间去计算。

混合式断路器模型在间断过程中的参数如表1所示。

混合式断路器模型被用在中断某些相似电路条件。

仿真结果如图3~7所示。

表1 混合式断路器电弧模型参数真空电弧参数数值 6SF 电弧参数 数值 D 11.5mm0P 1.2E5W τ 10.5E-6s0θ 1E-5s i v 1000m/sα 0.14 AMP D 5.2 β 0.303.2 仿真结果图3说明混合式断路器的瞬态恢复电压的分布。

图4是从图3电流为零时刻开始上升时得到。

从图3和图4中明显发现真空断续器切断电流并且承受瞬态恢复电压的起始值，在真空断续器毁坏之前SF断续器立刻承受瞬态恢复电压的峰6值。

在此时SF断续器几乎承受整个瞬态恢复电压。

10~10.5ms的变化是瞬态恢复6电压的高频振荡阶段，10.5ms之后的阶段是图4电压系统稳定的阶段。

电压分布主要取决于在高频振荡阶段电弧的阻抗。

电压分布由断路器的容量决定，这等效于两个串联电容器的电压联系。

图3 真空断续器承受起始瞬态恢复电压时混合式断路器的电压分布图4 图3电流为零的区域图5为带有接地电容为500pF的混合式断路器的瞬态恢复电压分布。

与图4相比，明显得出在瞬态恢复电压起始时刻瞬态恢复电压的分布是由真空和SF断续6μ。

这一时期弧前阻抗比外部电容器起更大器的弧前阻抗决定。

这一阶段持续30s的作用。

随着弧前电流的衰减，通过真空和SF断续器的电压打算赶上如图5的6μ后的电压分布主要由分级电容器决定。

压(与图4有关)。

这是因为30s图5 带有接地电容的混合式断路器的电压分布图6为6SF 断续器的介质强度没能及时恢复时的图形，这是导致6SF 断续器不能承受瞬态恢复电压峰值的原因。

真空断续器不能本身承受瞬态恢复电压，因此它会毁坏，这将导致弧前电流的峰值达到200A 。

弧前电流再一次被6SF 断续器中断，然而，瞬态恢复电压会增加并且导致6SF 断续器最终中断结束。

更加显著的是，混合式断路器可能毁坏。

6SF 断续器的连续需要比真空断续器在实际实验中提前放置，这就是6SF 断续器缓慢介质强度恢复烦人结果，并且它将留给6SF 断续器更多的时间去及时恢复介质强度。

图6 6SF 断续器承受瞬态恢复电压时混合式断路器的电压分布在这个例子中6SF 断续器起始在电压上，混合式断路器不能中断相同高的短电流，如图7所示。