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高壓直流系統(tǒng)以其經(jīng)濟(jì)性、穩(wěn)定性和可調(diào)節(jié)性等優(yōu)勢(shì)，在諸多輸電領(lǐng)域具有良好的發(fā)展前景，基于換流原理的高壓直流開斷方法，通過在斷口疊加反向的高頻電流，使電弧電流過零后熄滅，是高壓直流開斷的有效方式之一。

經(jīng)典研究認(rèn)為高壓直流真空斷路器開斷電流的極限在于其電流變化率di/dt，有學(xué)者通過多種換流支路參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并得出結(jié)論：基于換流原理的高壓直流真空斷路器的開斷極限由所開斷的電流值和換流時(shí)間決定。

有學(xué)者利用CMOS高速攝像機(jī)觀測(cè)了基于換流原理的高壓真空直流開斷過程中電弧的形態(tài)及轉(zhuǎn)移過程，結(jié)果表明當(dāng)注入同等的電弧能量，換流頻率選擇較低時(shí)，電流轉(zhuǎn)移時(shí)間變長(zhǎng)，電弧形態(tài)演化較慢，有利于電弧熄滅后電極間隙介質(zhì)絕緣強(qiáng)度的恢復(fù)。但在開斷數(shù)十kA的大電流時(shí)，電極急劇加熱，在電極間隙將產(chǎn)生更多的金屬蒸氣和離子，相比電流轉(zhuǎn)移時(shí)間的影響，電流零點(diǎn)時(shí)刻的粒子密度更大程度上取決于開斷電流的大小。

目前基于換流原理的高壓直流真空開斷研究較多，但缺少換流投入時(shí)刻、換流時(shí)間與最小安全開距等換流參數(shù)的概念及細(xì)節(jié)的深究，結(jié)論也缺少足夠的論證。

隨著快速操動(dòng)機(jī)構(gòu)的發(fā)展，機(jī)械式斷路器已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)快速開斷，技術(shù)更加成熟。基于換流原理的機(jī)械式高壓直流真空斷路器，其換流時(shí)間與最小安全開距的配合是決定開關(guān)能否成功開斷的關(guān)鍵，最小安全開距是機(jī)械式高壓直流真空斷路器設(shè)計(jì)的重要參考依據(jù)。此外，某種意義上可以認(rèn)為換流時(shí)間和最小安全開距是決定電弧熄滅后兩電極間的介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度的關(guān)鍵因素之一。

換流時(shí)間與換流電流幅值及電弧電流過零前電流變化率相關(guān)，二階微分方程無(wú)法解出含動(dòng)態(tài)真空電弧特征的開斷過程。大連理工大學(xué)電氣工程學(xué)院、國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院的研究人員，以基于換流原理的機(jī)械式高壓直流真空斷路器為研究背景，定義并分析了換流時(shí)刻、換流時(shí)間、換流比等換流參數(shù)以及它們與最小安全開距的關(guān)系，通過直流開斷實(shí)驗(yàn)分析不同換流參數(shù)對(duì)開斷性能的影響。

圖1 基于換流原理的機(jī)械式高壓直流真空斷路器的基本結(jié)構(gòu)

圖2 直流開斷實(shí)驗(yàn)回路

研究人員最后得出以下結(jié)論：

• 1）換流時(shí)刻選擇過早會(huì)導(dǎo)致電弧因觸頭開距不足而重燃，實(shí)驗(yàn)條件下，換流頻率3kHz，開斷5kA直流電流，換流時(shí)刻最早約為0.193ms，最小安全開距約為0.60mm。
• 2）當(dāng)換流頻率和換流比一定時(shí)，隨著開斷電流幅值的增大，換流時(shí)間不變，斷口恢復(fù)電壓增大而介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度較低，對(duì)最小安全開距的要求近似呈線性增長(zhǎng)。
• 3）當(dāng)換流比相同時(shí)，隨著換流頻率的增加，換流時(shí)間明顯縮短，加重開斷負(fù)擔(dān)。此時(shí)最小安全開距與換流電容預(yù)充電壓及斷口恢復(fù)電壓相關(guān)。
• 4）當(dāng)換流頻率相同時(shí)，隨著換流比的增加，對(duì)最小安全開距有更高的要求。

以上研究成果發(fā)表在2020年第12期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“機(jī)械式高壓直流真空斷路器換流參數(shù)研究”，作者為張梓瑩、梁德世、蔡淼中、鄒積巖、劉芮彤。