纵向磁场下中频真空电弧的实验研究

本文档下载自文库下载网，内容可能不完整，您可以点击以下网址继续阅读或下载：纵向磁场下中频真空电弧的实验研究第29卷 第25期 中 国 电 机 工 程 学 报 Vol.29 No.25 Sep. 5, 2009126 2009年9月5日 Proceedings of the CSEE ?2009 Chin.Soc.for Elec.Eng. (2009) 25-0126-07 中图分类号：TM 561 文献标志码：A 学科分类号：47040 文章编号：0258-8013纵向磁场下中频真空电弧的实验研究王景，武建文(北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院，北京市 海淀区 100191) Experimental Study of Intermediate Frequency Vacuum Arc Under Axial Magnetic FieldWANG Jing, WU Jian-wen(School of Automation Science and Electrical Engineering, Beihang University, Haidian District, Beijing 100191, China) ABSTRACT: With the development of more/all-electric aircraft technology, the capacity of aviation intermediate frequency (360800 Hz) power supply system increases greatly. New switch with small volume, light weight and large capacity of interrupting current has become necessity as a substitution for air switch, vacuum switch has these advantages, so it has superiority in a field application. But there are few research reports about intermediate frequency vacuum switch. In this paper, intermediate frequency vacuum arc generating in a single frequency oscillating circuit was studied in cup-type vacuum interrupter with axial magnetic field. Upper limit of current interruption, arc voltage and its noise component, anode melting phenomena and the correlations between the measured arc voltage and the current frequency were achieved. KEY WORDS: intermediate frequency vacuum arc; axial magnetic field; arc voltage; upper limit of current interruption 摘要：随着多电/全电飞机技术的发展，航空中频(360 800 Hz)供电系统容量大幅提高，需要设计新型的小体积、轻重量、大开断容量的开关以替代原有的空气开关，真空开关具有上述优点，具有应用于航空领域的优势，但目前中频真空开关理论研究较少。利用单频振荡回路在杯状纵向磁场灭弧室中产生中频真空电弧，得到了杯状纵磁灭弧室中频电流的开断能力、电弧电压幅值及噪声、阳极熔化现象与电流幅值和电流频率的关系。关键词：中频真空电弧；纵向磁场；电弧电压；极限开断电流0 引言真空开关凭借其优异的灭弧性能已广泛应用于工业输配电领域；而在航空航天领域，空气开关基金项目：国家自然科学基金项目(50477002)；航空科学基金项目(05F510Project Supported by National Natural Science Foundation of China (50477002); Aviation Science Funds (05F51021)仍然占主要地位。传统航空交流供电系统采用中频400 Hz电源。航空发电机通过恒速传动装置与发动机相连，以使得电源频率恒定，但装置体积大、效率低。随着多电/全电飞机技术的发展，电能控制将逐步替代传统的液压能及气压能控制，这需要航空交流供电系统容量大幅提高。与此同时，最新发展的直接将发电机与发动机相连的变频恒压发电机，电压有效值达使得电源频率在360800 Hz内变化， 空气开关在开断这种大电流中频电弧时，变230V。得越来越困难，需要设计新的小体积、轻重量、大开断容量的开关以满足未来航空中频(360800 Hz)供电系统的需要。真空开关在真空中灭弧，与油开关、磁吹开关、六氟化硫开关相比，灭弧系统简单，且它具有开断容量高、体积小、重量轻、可靠性高等优点，具有应用于航空航天领域的优势；但目前国内外中频真空电弧理论研究较少。与工频供电系统相比，航空供电系统中电流频率的增加使得半个周期内电弧燃烧时间缩短，同时电流过零时刻变化率di/dt增大，恢复电压上升速度加快，电弧开断将随着电流增加变得越来越困难，同时频率增加使得涡流效应明显，这些都将带来新的问题。已有的电弧理论主要基于工频真空电弧以及多次重燃过程产生的高频电流(量级为105 Hz)的研究。文献1-2提出了真空灭弧室极限开断电流与触头直径、角频率等参数的关系式，从中可知，真空灭弧室的极限开断电流与电流频率成反比。文献3-6提出了真空电弧电流过零时刻变化率di/dt和恢复电压上升率是影响真空电弧开断的重要因素。文 献2,7-10利用纵向磁场作用在工频真空电弧上，有效约束了电弧等离子体，降低了电弧电压，显著提高了电流开断能力。文11-14研究了不同纵磁触头第25期 王景等： 纵向磁场 127下纵向磁场分布及其对电弧的影响。文献15研究 了平板触头下50、150、900 Hz和6 kHz真空电弧电压/电流情况，并分析了频率对于电弧电压噪声的影响。文献16研究了横向磁场触头下50 Hz和7 kHz真空电弧的电弧电压/电流特性，并评估了电弧的能量损失。文献17研究了小开距下高频(量级为105 Hz)真空电弧的开断，着重研究了触头开距、回路参数和触头材料对开断的影响。文献18研究了大电流时纵向磁场、触头开距和触头半径等参数对电弧特性的影响。文献19-21通过仿真研究了真空电弧在不同电流、不同开距下的特性。本文采用工频50/60 Hz纵向磁场灭弧室对中频(400800 Hz)真空电弧进行实验研究，探讨纵向磁场下中频真空电弧的电弧电压与电流特性、中频电流开断特性。800 Hz电流，正弦电流第1个半波幅值可超过30 kA。采用去除屏蔽罩的商用1/3匝杯状纵向磁场真空灭弧室，如图2所示。灭弧室内气体压力为5 10?4 Pa ，触头直径66 mm，触头开距2 mm。 (a) 真空灭弧室外观(b) 触头结构 图2 杯状纵向磁场真空灭弧室Fig. 2 Cup-type vacuum interrupter withaxial magnetic field2 电弧实验结果及讨论2.1 杯状纵磁触头400800 Hz电弧特性电流频率为400 Hz时，实验用真空灭弧室分别开断了第1个正弦半波有效值为7.3、10.9、14.3 kA的电流，如图3所示，其中14.3 kA是实验用真空灭弧室在频率为400 Hz情况下的极限开断电流，图中I为电流波形，U为电压波形。图4所示为图3中中频电流引入时的电弧电压。可以看出，初始阶U(30 V/格) I(8.3 kA/格)I U?10 t/ms:/(a) 400 Hz/7.3 kA(有效值)开断电流U(30 V/格) I(8.3 kA/格)11 中频电流实验系统实验系统结构如图1所示，为单频振荡回路，图中：电容C1、双向晶闸管VT1、电感L1、真空灭弧室VI、分流器R2组成振荡回路，电解电容C2、电力二极管VD1、限流电阻R1、晶闸管VT2、电感L1、真空灭弧室VI、分流器R2组成直流引弧回路，引弧电流约80 A，R3和C3作为调频电路用来调节恢复电压参数。充电电压约600 V，对应交流有效值为380 V的电压等级，恢复电压特性满足该交流电压和电流等级下的要求22。数字示波器记录触头两端电压和分流器两端电压。控制系统用于控制产生中频电流的时序。电容C1的充电电压高于电解电容C2的充电电压。充电完毕后，在VI闭合的情况下触发VT2，再打开VI中的触头，产生直流电弧，然后触发VT1，引入中频电流，VT2在VT1导通后因承受反向电压而关断。VT1触发信号一直持续到实验结束。通过调整电容C1和电感L1，可得到频率为360 I U?1 t/ms(b) 400 Hz/10.9 kA(有效值)开断电流1U(30 V/格) I(8.3 kA/格) I U?10 t/ms(c) 400 Hz/14.3 kA(有效值)开断电流1 图1 实验系统Fig. 1 Schematic diagram of experimental system图3 开断400 Hz电流时电流及电弧电压波形 Fig. 3 Waveforms of current and arc voltagewhen 400 Hz curren is interrupted1284030U/V201007.3 kA(有效值)10.9 kA(有效值)中 国 电 机 工 程 学 报14.3 kA(有效值)U(50 V/格) I(8.3 kA/格)第29卷 IU?1.996t/ms 3.0040 400 800 1 200t/?s U(50 V/格) I(8.3 kA/格)(a)15.9kA(有效值)第1个正弦半波电流 图4 开断400 Hz电流时的电弧电压波形Fig. 4 Waveforms of arc voltage when 400 Hz current is interrupted I段的电弧电压上升率较高，电弧电压上升到一定幅值后上升率为0并变负，然后随着电流的减小电压逐渐减小；同时随着电流有效值的增加，电弧电压峰值逐渐提高，从29 V增加至33 V；电流有效值增加了近1倍，而电弧电压峰值仅增加了4 V，增加幅度很小。分析其原因得出：一是纵向磁场的引入，减小了弧隙间的能量损失，使得电弧电压的绝对值不大；二是触头间隙比较小，为2 mm，弧柱区较小，电弧电压主要取决于阴极压降和阳极压降，因此电压随电流增加而增加的幅度较小。 由图3可见，随着开断电流的增加，电弧电压并未出现明显的高幅值电压噪声，即使在开断电流有效值为14.3 kA的电流时，电弧电压依然过渡平稳，如图3(c)所示，电弧电压变化趋势和小电流时相似，先增加而后减少。当真空灭弧室无法在第1个正弦半波内开断400 Hz电弧时，在燃弧的前半个周期内电弧电压仍然无明显噪声分量，如图5所 kA时的电流和电弧电压波形，电流第1半波电弧电压峰值分别是39.3、37.6、36 V，随第1个正弦半波电弧电流有效值的增加逐渐减小。电弧电流在第1个半波过零时刻的电流变化率分别为40、45、U?1.996t/ms(b)17.8kA(有效值)第1个正弦半波电流 3.004 U(50 V/格) I(8.3 kA/格) IU?1.996t/ms(c) 19.6 kA(有效值)第1个正弦半波电流3.004 图5 400Hz电流第一个半波未开断时电流和电弧电压波形Fig. 5 Waveforms of current and arc voltage when 400 Hz current is not interrupted successfully 51 A/?s。在电弧重燃的半波内，触头两端电压在电流过零后开始出现波动，电压最大值分别为210、148、85 V。电弧电压高频噪声反映了电弧燃烧的不稳定性，电弧电压高频振荡分量的出现是弧柱收缩的标志，收缩的发生与离子显著外溢有关10。在无外加纵向磁场情况下，无论电流频率的高低，真空灭弧室开断电流达到一定幅值时，便会出现电弧电压高频噪声15,23，并在定开距的前提下，电弧电压高频噪声幅值会随着电流频率的增加而增大15。当真空电弧处在外加恒定纵向磁场作用下时，由于纵向磁场对电弧的稳定作用，电弧电压降低，并随着磁场强度的增加，电弧电压高频噪声幅值显著减小24，在对恒定纵向磁场下拉弧过程中产生的真空电弧的研究中也有同样的结论25。对于纵磁结构的触头，纵 mm开距下工频真空电弧的研究发现26，对应于同样的电弧电流，小开距的情况下，磁感应强度大，电弧电压噪声分量少，开距增大时，磁感应强度减小，电弧电压噪声分量增多，经过高速摄影机观察发现开距大于40 mm时，电弧像处在无磁场环境中自由燃烧的一样。同时，可以从图6中不同频率下开断有效值约为7.2 kA电流的电流和电弧电压波形中得到，纵向磁场下电流频率的提高对电弧电压噪声分量的影响很不明显。据此推测，本文实验中没有发现电弧电压高频噪声的现象归因于小开距下增强的纵向磁场。电弧等离子体被增强的纵向磁场约束在触头间隙内，减小了离子散失，从而有效降低了电弧电压高频噪声。当触头开距加大第25期 王景等： 纵向磁场下中频真空电弧的实验研究 129时，触头间隙磁感应强度减小，纵向磁场对于电弧控制作用减弱，更多的等离子体发射到外部空间，电弧的稳定性减弱，电弧电压升高，电弧电压噪声产生。U(30 V/格) I(8.3 kA/格)I U?10t/ms(a) 400 Hz/7.3 kA(有效值)开断电流1和中频电弧的特点，本文认为在开断中频电流时，能够引起阳极剧烈汽化的阳极斑点产生的可能性很小。真空电弧在大多数时间都处于扩散态，但阳极表面很有可能出现熔化现象，这种现象在其他学者的研究中也有提及27-28。图7为阳极触头表面的烧蚀情况。在进行多次实验后，包括电流在第1半波没有开断的实验，阳极触头表面有明显的熔化痕迹，但并没有明显的阳极斑点产生所导致的蚀坑。 U(30 V/格) I(8.3 kA/格)I U?10t/ms(b) 560 Hz/7.2 kA1 图7 实验后的阳极触头Fig. 7 Anode contact after experiments I U?10t/ms(c) 650 Hz/7.3 kA(有效值)开断电流1 I U?10t/ms(d) 800 Hz/7.1 kA(有效值)开断电流1 图6 不同频率下开断有效值约为7.2 kA电流的电流和电弧电压波形Fig. 6 Waveforms of current and arc voltage when 7.2 kA (r.m.s) current is interruptedat different frequency图8为图6中的电弧电压波形，对应不同的频率其电弧电压峰值逐渐升高。电弧电压峰值由400 Hz时的29.7 V增加到了800 Hz时的36.3 V。电弧电压的初始上升率也随着频率的增加而逐渐增加，从400 Hz的127 V/ms增加到了800 Hz时的412 V/ms。电弧电压在经过峰值之后逐渐减小，频率越高的电弧电压经过峰值后下降的速率越快。电弧电压过零前的瞬时值差别不大。对工频50 Hz电弧研究指出，在电流处在某一范围内时，真空电弧电压随着开断电流的增大而增加29-30。在400 Hz真空电弧实验中，也有类似的结果，如图4所示。根据图8的结果，电弧电压的升高也需考虑电流频率的影响，频率的增加也伴随着电弧电压峰值的增加。若以电流频率为变量，电弧电压峰值为函数，得到在本文使用的真空灭弧室中，当电流有效值为7.2 kA时，电弧电压峰值和开断电流频率的关系为U(30 V/格) I(8.3 kA/格)U(30 V/格) I( kA/格) Upk = K f U0(1)结合图3和图5，进一步讨论电弧形态。本文中所用的商用杯状纵磁真空灭弧室工频50 Hz标称工作电压为380/660 V，额定极限短路分断电流50/40 kA，允许操作次数10 000次。在本文实验中， 极限开断电流真空灭弧室在电流频率为400Hz时，有效值为14.3 kA，峰值20 kA左右，并未达到工频下极限开断电流值。同时，相对同样幅值的工频50 Hz电流，中频电流在开断时，对电极的烧蚀时间要小得多。因此结合真空灭弧室的工频操作参数 U/V40302010800Hz/7.1kA(有效值) 560 Hz/7.2 kA(有效值) 650Hz/7.3有效值)00200400600 1800 000 1 2001400t/?s400 Hz/7.3 kA(有效值)图8 不同频率下开断有效值约为7.2 kA电流时的电弧电压Fig. 8 Arc voltage when 7.2 kA (r.m.s) current isinterrupted at different frequency130 中 国 电 机 工 程 学 报300025002000Ir2/kA2第29卷式中：Upk为电弧电压峰值，V；f为电流频率，Hz；K = 0.016 V?s，U0 = 23.25 V。可以看到，电弧电压峰值和电流频率近似符合线性关系。参数K与电流有效值、触头结构、触头直径和触头开距等参数有关，U0与该触头下最小生弧电压有关。电弧电流在直流引弧完成后弧隙保持导通状态，在电流峰值相同的情况下，频率越高的电流起始上升率越高，单位时间内2.2 杯状纵磁真空灭弧室中频电流开断实验不同频率下本文所使用的杯状纵磁真空灭弧室极限开断电流Ir如表 1所示。表1 不同频率下极限开断电流(有效值)Tab. 1 Upper limit of current interruption (r.m.s)at different frequencyf/Hz 50 400 560 650 800 Ir/kA 50 14.3 10.6 8.9 7.1150010005000T/s 图9 不同频率下杯状纵磁灭弧室的极限开断电流 Fig. 9 Maximum current (r.m.s) that is interrupted by the cup-type vacuum interrupter with axial magnetic fieldat different frequency如以周期T为横轴，极限开断电流的平方为纵轴，得到图9，曲线拟合后得到式(2)AIr2= B (2)3 结论 f式中：Ir为电流有效值，kA；f为电流频率，Hz；A、B为常数，A = 1.31 105 kA2/s，B = ?120 kA2；曲线拟合相关系数R2 = 0.999 987。结果表明，实验用真空灭弧室极限开断电流与频率非常接近表达式(2)所描述的函数关系 Hz时，极限开断电流应该为工频50 Hz的1/16，约3 kA。根据本文实验，800 Hz实际电流开断能力约为7 kA。中频情况下开断电流的提高主要是因为，相比同样有效值的工频 电流，中频电流(400800 Hz)流过弧隙时燃弧时间大为减少，对阳极触头的烧蚀减少，弧隙输入功率减少，能够引起阳极剧烈汽化的阳极斑点产生的可能性降低，这样中频情况下真空灭弧室弧隙便能够耐受更高的输入功率。真空电弧的熄灭取决于电流过零后弧隙间剩余等离子参数和触头的热状态。在实验中所用的杯状纵向磁场真空灭弧室中，由于中频(400800 Hz)电弧在开断时，能够引起阳极剧烈汽化的阳极斑点形成的可能性随着电流频率的增大而减小，因此由这种阳极斑点产生而导致开断失败的可能性就很小了。弧后剩余等离子体参数将在很大程度上决定着中频真空电弧的开断，过零时刻电流变化率di/dt、纵向磁场滞后时间及恢复电压上升率等将成为影响小开距纵磁触头中频电弧开断能力的重要因素。1）电流频率在400800 Hz范围内，本文所使用的杯状纵磁灭弧室的极限开断电流平方与电流频率近似成反比关系。2）电弧电压噪声在低电压小开距实验中得到了有效抑止。即使电流频率变化或电弧在第1个正弦半波无法正常开断时，电弧电压噪声也很不明显，这与纵向磁场在小间隙中明显增大有关。小开距使得触头间磁场增大，对电弧控制增强。3）本文分析了杯状纵向磁场灭弧室中进行的中频真空电弧开断实验并结合阳极触头的烧蚀情况认为，能够引起阳极剧烈汽化的阳极斑点产生的可能性很小。开断电流频率越高，这种阳极斑点产生的可能性越小，但阳极表面已经出现大面积熔化。电流过零时变化率di/dt、过零后磁场滞后和恢第25期 王景等： 纵向磁 131vacuum interrupterJProceedings of the CSEE，2001，21(6)：72-74(in Chinese)13 修士新，王季梅铁芯式两极纵磁真空灭弧室的开发研究J电网技术，1999，23(6)：50-54Xiu Shixin，Wang JimeiDevelopment and study on iron core style bipolar axial magnetic field vacuum interrupterJPower System Technology，1999，23(6)：50-54(in Chinese)14 庞磊，修士新，王季梅，等大开距纵磁结构触头磁场特性的数值分析J电网技术，2007，31(1)：65-70Pang Lei，Xiu Shixin，Wang Jimei，et 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diffuse mode空电弧开断的重要因素。4）频率提高会使得电弧电压初始上升率及电弧电压峰值升高。频率的增加使得单位时间内注入弧隙的电子增多，这样电弧电压必须在单位时间内提高到足够的幅值，以产生所需正离子，来中和阳极附近突增的电子密度。同时，频率提高后会使磁场滞后情况加剧，正弦电流开始时处在无强纵向磁场约束的环境中，电弧电压初始上升率及幅值也将因此增大。参考文献1 Voshall R ECurrent interruption ability of vacuum switchesJIEEETrans. on Power Apparatus and Systems，1972，91(3)：1219-1224 2 Yanabu S，Souma S，Tamagawa T，et alVacuum arc under an axialmagnetic field and its interrupting abilityJProceedings of the Institution of Electrical Engineers(London)，1979，126(4)：313-320 3 Glinkowski M，Greenwood ASome interruption criteria for shorthigh-frequency vacuum arcsJIEEE Trans. on Plasma Science，1989，17(5)：741-7434 拉弗蒂真空电弧理论和应用M北京：机械工业出版社，1985：213-2225 王季梅真空开关理论及其应用M西安：西安交通大学出版社，1986：49-536 Childs S E，Greenwood A N，Sullivan J SEvents associated with zcurrent passage during the rapid commutation of a vacuum arcJ IEEE Trans. on Plasma Science，1983，11(3)：181-1887 Kimblin C W，Voshall R EInterruption ability of vacuum ofinterrupters subjected to axial to axial magnetic 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axial magnetic field132 中 国 电 机 工 程 学 报for high-current drawn arcs in vacuum with an axial magnetic field JIEEE Trans. on Plasma Science，2003，31(5)：909-917 第29卷 收稿日期：2008-12-16。 作者简介：26 Cheng Shaoyong，Xiu Shixin，Wang Jimei，et alInfluence of gapdistance on vacuum arc characteristics of cup type AMF electrode in vacuum interruptersJPlasma Science and Technolo27 Schulman M B，Schellekens HVisualization and characterization ofhigh-current diffuse vacuum arcs on axial magnetic field contactsJ IEEE Trans. on Plasma Science，2000，28(2)：443-45128 Schellekens H，Schulman M BContact temperature and erosion inhigh-current diffuse vacuum arcs on axial magnetic field contactsJ IEEE Trans. on Plasma Science，2001，29(3)：452-46129 Voshall R EInvestigation of the positive column of high-currentmetal-vapor arcsJIEEE Trans. on Power Apparatus and Systems，1969，88(2)：120-12630 Xiu Shixin，Cheng Yong，Zhang RuiExperimental investigation ofvacuum arc characteristic under axial magnetic fieldJJournal of Physics D：Applied Physics，2008，41(8)：201-209王景(1983)，男，陕西人，博士研究生。2005年毕业于北京航空航天大学电气工程及其自动化专业，获学士学位。目前主要从事真空电弧理论及电器控制方面的研究工作，wangjing8318；王景 武建文(1963)，男，河北人，博士，博士生导师。19801987年在沈阳工业大学电器专业获工学学士学位和硕士学位，1995年毕业于西安交通大学电器专业，获工学博士学位，1998年华中科技大学电工博士后流动站出站。主要研究领域为真空开关电弧理论及应用、电器及智能控制、电力系统配电自动化、电力电子技术。 武建文 (责任编辑 马晓华)文库下载网是专业的免费文档搜索与下载网站，提供行业资料，考试资料，教学课件，学术论文，技术资料，研究报告，工作范文，资格考试，word文档，专业文献，应用文书，行业论文等文档搜索与文档下载，是您文档写作和查找参考资料的必备网站。文库下载 上亿文档资料，等你来发现