基于連續過(guò)渡模型的直流真空斷路器弧后介質(zhì)恢復分析

　　搭建多端直流輸電用直流真空斷路器模塊，基于連續過(guò)渡模型，結合重擊穿判據，利用變步長(cháng)四階龍格庫塔法，對直流真空斷路器弧后介質(zhì)恢復進(jìn)行仿真分析。仿真結果表明：弧后電流初始變化率高，而后緩慢變化，直至趨近于零; 在鞘層發(fā)展階段中，鞘層厚度呈指數趨勢變化。采用對照分析方法，研究燃弧能量、觸頭電侵蝕率及觸頭間縱向磁場(chǎng)強度對直流真空斷路器弧后介質(zhì)恢復的影響。結果表明：燃弧能量大，觸頭電侵蝕率高使得弧后初始離子密度大，離子衰減時(shí)間長(cháng)，鞘層發(fā)展緩慢; 弧前觸頭間縱向磁場(chǎng)強度大，弧后初始離子密度小，有利于鞘層發(fā)展; 剩余縱向磁場(chǎng)強度大，離子衰減時(shí)間長(cháng)，抑制鞘層發(fā)展。

　　鑒于風(fēng)能、太陽(yáng)能等新能源間歇、隨機的發(fā)電特點(diǎn)，其并網(wǎng)難度大，電力系統消納能力有限，因而大部分可再生能源發(fā)電未得到充分、有效利用�；�于常規直流輸電和柔性直流輸電的多端直流輸電系統與直流電網(wǎng)技術(shù)是解決這一問(wèn)題的有效技術(shù)手段之一。而直流斷路器技術(shù)是構建多端直流輸電網(wǎng)絡(luò )關(guān)鍵技術(shù)之一，因此，研究直流斷路器具有重要意義。同時(shí)，真空斷路器因具有無(wú)火災和爆炸危險、環(huán)境友好、觸頭損耗小、免維護等優(yōu)點(diǎn)而應用廣泛，因此，其應用于直流領(lǐng)域有著(zhù)良好的發(fā)展前景。

　　直流斷路器主回路電流過(guò)零時(shí)，真空滅弧室觸頭間隙中仍殘存離子、電子及金屬蒸氣粒子。若殘余物消散足夠快，觸頭間隙能夠承受恢復電壓，真空滅弧室成功開(kāi)斷；否則，觸頭間發(fā)生重擊穿。因此，研究直流真空斷路器弧后介質(zhì)強度恢復對解決實(shí)際問(wèn)題具有重要意義。

　　目前國內對于直流真空斷路器的研究多集中于斷路器拓撲結構的設計與換流回路參數優(yōu)化，對其弧后介質(zhì)恢復研究較少。本文以有源式直流真空斷路器為研究對象，運用變步長(cháng)四階龍格庫塔法，基于連續過(guò)渡模型，結合重擊穿判據，對其弧后介質(zhì)恢復進(jìn)行仿真分析。同時(shí)，研究燃弧能量、觸頭電侵蝕率及觸頭間縱向磁場(chǎng)強度對直流真空斷路器弧后介質(zhì)恢復的影響。

　　1、有源式直流真空斷路器及其仿真線(xiàn)路

　　選取12 kV/10 kA 有源式直流真空斷路器為研究對象，其包含主開(kāi)斷回路、換流回路以及吸能回路三部分，結構原理圖如圖1 所示。

圖1 有源式直流斷路器結構原理圖

　　圖1 中，ZnO，VCB，TVS，R，C 和L 分別為避雷器，真空斷路器，真空觸發(fā)開(kāi)關(guān)，換流回路電，預充電電容和換流電感。

　　有源式直流真空斷路器工作原理：①真空斷路器接收分閘指令后執行分閘，真空滅弧室內產(chǎn)生電��；②觸頭運動(dòng)到一定行程下，TVS 導通，C 放電，產(chǎn)生一反沖高頻振蕩電流； ③反沖電流與系統電流疊加，使VCB 電流產(chǎn)生過(guò)零點(diǎn)，電弧熄滅；④主回路電流向換流回路轉移，為電容C 充電；⑤當充電電壓超過(guò)避雷器動(dòng)作電壓，避雷器導通，電流向吸能回路轉移；⑥避雷器消耗能量，實(shí)現開(kāi)斷。12 kV/10 kA 有源式直流真空斷路器仿真線(xiàn)路圖如圖2 所示。忽略電感L0，則主斷路器中電流過(guò)零后斷口電壓不超過(guò)系統電壓，ZnO 不導通，以簡(jiǎn)化仿真線(xiàn)路。

圖2 仿真線(xiàn)路圖

　　5、結論

　　本文基于連續過(guò)渡模型及弧后介質(zhì)恢復理論分析，對直流真空斷路器弧后介質(zhì)恢復進(jìn)行數值仿真。仿真結果給出弧后電流以及鞘層厚度隨時(shí)間變化趨勢。其中，弧后電流在反向增大階段上升快，在隨后的鞘層發(fā)展階段，緩慢下降，直至趨近于零。采用對照分析方法，研究真空電弧弧后介質(zhì)恢復影響因素: 燃弧能量、觸頭電侵蝕率以及觸頭間縱向磁場(chǎng)強度。上述三種因素主要影響初始離子密度Ni0與反應離子擴散衰減時(shí)間參數τ。其中，燃弧能量大，觸頭電侵蝕率高，使得弧后初始離子密度大，離子衰減時(shí)間長(cháng)，鞘層發(fā)展緩慢，不利于弧后觸頭間隙短時(shí)間內承受較高電壓。而對于縱向磁場(chǎng)，其強度大，初始離子密度減小，但如剩余磁場(chǎng)強，離子衰減時(shí)間長(cháng)，不利于直流開(kāi)斷。