基于強迫換流原理的混合型直流真空斷路器是直流開斷技術的有效方式之一，其參數設計及開斷能力與電弧形態演化密切相關。利用可拆卸真空滅弧室，對直徑為45mm的CuCr50 平板觸頭，在1~8kA 的近似恒定直流條件下分離過程中真空電弧的形態演化規律和電弧電壓特性進行了研究。實驗結果表明：觸頭分離初期，電弧集聚在電弧引燃處；隨著開距的增加，電弧逐漸擴散。當電流小于5kA 時，電弧始終呈擴散型，電弧電壓噪聲較小；當電流大于5kA，電弧能擴散到整個觸頭表面，但電弧初始引燃處多發展成陽極亮斑，且燃弧時間大于1.5ms 后，電弧電壓噪聲分量急劇增加。實驗結果可以用于指導混合型直流真空負荷開關的設計。

　　引言

　　直流電力系統主要應用于艦船直流電力系統、電信設備配電系統、地鐵等軌道交通牽引配電系統、遠距離直流高壓輸電系統和可再生能源構成的直流微電網等，具有顯著的優勢。直流斷路器是直流電網安全運行和保護的關鍵設備，對系統保護策略的制定和工程實現有著重大的意義。直流斷路器的缺乏成為制約直流電力系統廣泛應用的一個主要因素。基于強迫換流法的混合型直流真空斷路器是目前直流開斷技術的重要發展方向之一。

　　開關電器中的電弧總是由觸頭分離產生，觸頭分離過程中電弧形態的演化規律，及由此引起的電、熱過程的變化及其相互作用，將對電流過零后能否順利承受恢復電壓有很大影響。真空斷路器的開斷能力與觸頭間隙中的電弧形態和介質恢復強度綜合效應有關，在高密度電弧狀態及陽極斑點狀態下均不利于分斷。與交流電流具有自然過零點不同，直流電弧電流強迫過零，電流下降率數十乃至百倍于同幅值的交流電流，下降時間極短(一般僅幾十s)，這極大地壓縮了電弧形態轉變和觸頭局部熱點的冷卻時間，要求分斷后介質恢復能力具有極高的可靠性，分斷能力極大地依賴換流前電弧形態及觸頭狀態，某種程度上也決定了混合型直流真空斷路器換流參數的設計。在傳統交流商用滅弧室

　　中，如果開斷電流在6kA 以下，多采用簡單的無磁對接式平板觸頭。這類觸頭結構的電弧形態轉變不必用磁場來控制，可應用于混合型直流真空負荷開關的開發。因此，有必要深入研究一定時間內，平板觸頭分斷恒定直流過程中電弧形態演化規律。

　　針對電弧形態演化的研究成果主要對象為工頻交流真空電弧。文獻研究了平板觸頭分斷1~16kA 系列交流電流過程中電弧形態的變化，并總結了分離時電流對橋柱型電弧持續時間的影響，討論了弧柱壓力與電弧形態演變的關系。文獻中有部分內容對平板觸頭無磁條件下大電流電弧形態進行了實驗研究，與本文關注的電流范圍交叉內容較少。文獻研究了平板觸頭與兩種不同結構的縱磁觸頭在1kA 左右分離，電流上升到不超過4kA，燃弧小于4ms 條件下，電弧引燃后形態發展變化，發現平板觸頭中電弧擴散最快；文中還對人工過零電弧熄滅過程進行了對比，平板觸頭在實驗條件下表現出了良好的熄弧特性。

　　基于以上研究，本文首先介紹了基于可拆卸滅弧室的真空電弧研究平臺，利用該平臺研究了在不同幅值的近似恒定直流條件下，平板觸頭分離過程中真空電弧形態演化和電弧電壓特性，并就實驗結果進行了討論。

　　1、實驗系統

　　真空電弧研究平臺主要由電氣回路、真空系統、攝像系統、測控裝置四部分組成，如圖1 所示。

圖1  實驗平臺

　　直接獲得一系列不同幅值的直流試驗電流很難，為此采用C-L 組成的振蕩回路，在電流變化率很小的峰值附近可以等效為近似恒定直流。實驗采用的電容器C 容量為100mF，最高充電電壓為1kV，電感L 為205H，電阻R 為5.6m，通過改變電容器C 的充電電壓U0，產生符合要求的電流幅值。F1 為電流導通開關，二極管D 為續流支路，起到維持電流的作用；晶閘管F2 為旁路開關，燃弧一定時間后通過導通F2，使流過滅弧室的電流轉移至F2 支路，電弧因電流過零而熄滅。采用晶閘管等電力電子開關可以實現各階段的精確控制。可拆卸滅弧室VI 由不銹鋼做成，設計有玻璃窗便于觀察真空電弧形態。不銹鋼筒與電極絕緣，處于懸浮電位，兼做屏蔽罩；靜觸頭經陶瓷過渡，通過刀口法蘭與鋼筒連接；動觸頭經波紋管引出，使用時通過高速斥力機構驅動，觸頭速度近似為線性運動。為了達到要求的真空度，采用機械泵和分子泵組成真空系統。實驗過程前，將真空度抽至10⁴Pa，實驗時關閉閥門，進行保壓實驗。采用無感分流器Rs 和電壓探頭測量電弧電流、電壓、屏蔽筒電壓等電氣參數，利用線性位移傳感器測量動觸頭運動特性，各參數輸入數字示波器進行存儲；高速攝像機及附屬光學系統由主控制器控制，保證同步采集真空電弧的圖像。所有數據均傳入計算機進行存儲和分析處理。

　　采用平板對接式觸頭結構，觸頭直徑為45mm，觸頭材料CuCr50。采用Photron SA4 相機拍攝電弧圖像，相機的拍攝速度為50000fps，拍攝分辨率為384*128，曝光時間為1s。考慮該系列實驗產生的真空電弧可能主要是陰極斑點起作用，拍攝時通過調整適當的角度，可以觀察到整個陰極表面。待開發的直流負荷開關主要應用在中低壓領域，滿足開距的要求下，燃弧時間控制在4ms 以內。斥力機構驅動信號為0 時刻，0.5ms 左右機構分離起弧、建立弧壓，觸頭平均速度約2.5m/s，觸頭最大開距為8mm(系列實驗中，觸頭運動特性基本一致)。

　　3、結論

　　本文針對平板觸頭分離過程中近似恒定直流電弧形態及電弧電壓特性進行了系列實驗，得到了以下結論：

　　1)電流小于5kA 時，電弧形成后迅速擴散，整個燃弧近4ms 時間，8mm 開距電弧呈現擴散狀態，未出現穩定的陽極現象，電弧電壓平均值不超過60V，噪聲分量不超過15V；

　　2)電流大于5kA 時，電弧也從引燃處向外擴散，但引燃處會持續燃弧，并發展成陽極斑點，電弧電壓平均值約80V，噪聲分離也高達數十V；

　　3)電流大于5kA 時，燃弧1.5ms 左右為一分界時刻，1.5ms 前，電弧處于橋柱型電弧階段，電弧電壓噪聲較小；1.5ms 后，電弧形態開始發生明顯的變化，電弧電壓有較高振幅的噪聲分量。

　　4)混合型直流真空負荷開關設計時，換流電流投入時延應大于橋柱形電弧的持續時間，一般應超過1.5ms。