真空灭弧室中高频开断电弧形态及开断特性研究

发布时间：2020-04-02 01:07

【摘要】：电力系统中的电流开断、关合等操作均由断路器实现。真空开关具有介质强度恢复速度快、灭弧能力强、操作寿命长、环境友好等优点,在中高频直流开断及航空航天领域具有相当的应用优势。与工频电弧相比,中高频真空电弧的燃弧时间短、di/dt大、恢复电压上升率高,对灭弧室的开断能力提出了更严苛的要求。本文在工频电弧的研究基础上,主要针对真空灭弧室的中高频电流开断能力、电弧动态特性及其对弧后介质强度恢复过程的影响规律进行研究。论文首先对单频交流真空电弧理论模型进行计算,分析燃弧阶段影响灭弧室开断能力的主要因素。计算结果表明,燃弧过程中,真空电弧的集聚与否主要与电弧的扩散速度及电流上升率有关,扩散速度越快,电流上升率越小,电弧越不容易集聚;弧后介质恢复过程中,1kHz~10kHz条件下,电流幅值越大、频率越高、电弧的分布面积越小,鞘层生长速度越慢;电流频率越低、幅值越大,金属蒸气密度越小。同时,对于中高频开断,电流幅值相近时,其鞘层生长时间较工频而言高1~2个数量级,弧后发生重击穿概率显著提高。为了研究中高频电流开断电弧动态特性,论文设计中高频开断实验回路及电弧形态观测系统,对真空电弧形态及实验波形进行测量,结合图像数字化处理方法对真空电弧的形态特征参数进行分析。实验结果表明:当di/dt小于100A/μs时,电弧的起始扩散速度近似与di/dt呈正比,超过此范围后扩散速度存在饱和现象。当电弧未扩散至整个触头表面时,电弧的最大直径近似与电流幅值呈正比,与电流频率呈反比,并通过拟合的方式得到了电弧最大直径关于电流频率及幅值变化的公式。最后给出了不同频率下的开断极限:随着电流频率的提高,灭弧室的开断能力呈下降趋势,但频率高于一定值(本文中为3kHz)时,电流的开断能力变化不明显。
【图文】：

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图 1-1 工频真空电弧形态转变过程通大学史宗谦、贾申利、宋晓川等人利用可拆灭弧室进行了观测，研究了开断电流有效值 5~20kA 条件下阴极斑点的形，阴极斑点的初始扩散呈圆面分布，其中大多数阴极斑点域中[13]，圆面内部阴极斑点较少。在燃弧的前 1ms 内，阴极，在一定范围内随电流幅值增大而增大；此外，阴极斑点扩鞍形磁场的电弧初始扩散速度高于钟形磁场。文献[14]在电观察到了团状阴极斑点，团状阴极斑点位于弧根边缘，其向斑点。文献[15]还研究了不同起弧位置对电弧特性的影响，实头，相较于中心起弧，触头边缘起弧时，由于电极边缘的磁离子体的损失都更为严重，电弧电压更高，并在电弧电压波时，，触头中心起弧时的电弧电压曲线更为平滑，噪声较小华军等人利用图像数字化处理技术对真空电弧燃弧过程电

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华中科技大学硕士学位论文c e e e i i iJ n q v n q v Z，ne和 ni为电子和离子的密度；qe和 qi为电子和离子的电荷量e q 子和离子速度；Z 为离子平均电荷数。假设等离子体为中性，且电进行轴向运动，则式（2-12）可表示为( ( ) ) ( )c i e i i e iJ n ev Ze v n e v Zv流过零前，电子速度远大于离子速度，ve大于 Zvi，但在电流下降速。由于离子质量相较于电子质量高几个数量级（电子质量为 9.量为 1.056×10-25kg），可认为离子速度的衰减可以忽略，离子速点处，ve与 Zvi相等，宏观表现为 Jc=0。电流过零后，电子速度继子速度降为 0，随后开始反向运动。此后离子鞘层开始建立并耐受[32]。层发展阶段
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM561

【参考文献】