摘要：【關鍵詞】雙斷口及多斷口真空開關技術,動態(tài)介質恢復,擊穿弱點,統(tǒng)計特性【論文摘要】從雙斷口真空開關的等值模型出發(fā)，分析了雙斷口真空開關的動態(tài)介質恢復過程，說明只要恢復電壓的峰值和上升速度低于某一極限值，整個雙斷口真空開關并不會因為一個滅弧室發(fā)生重擊穿而導致開斷失敗。在此基礎上，理論推導得到雙斷口及多斷口真空開關的擊穿電壓最大可能增長倍數(shù)Kn，同時引入“擊穿弱點”概念和概率統(tǒng)計方法，分析建立了雙斷口及多斷口真空開關的靜態(tài)擊穿統(tǒng)計分布模型和弧后重擊穿統(tǒng)計分布模型，它們可以用來有力解釋雙斷口及多斷口真空開關與單斷口真空開關相比開斷能力有顯著提高的機理。最后對電場應力x的物理意義進行了討論，說明x實質上代表的是微粒引導真空間隙擊穿所需的能量。
關鍵詞：雙斷口真空開關多斷口真空開關動態(tài)介質恢復擊穿弱點統(tǒng)計特性

1引言

真空開關是電力系統(tǒng)中的新型開關電器，其特點是利用真空作為主觸頭間的絕緣介質和滅弧介質，真空的極為優(yōu)異的絕緣強度和熄弧能力給真空開關帶來了許多優(yōu)點，使之在配電領域得到了廣泛的發(fā)展和應用。從另一方面看，由于長真空間隙的絕緣有難以克服的困難，目前真空開關尚只能應用于110kV及以下電壓等級。發(fā)展更高電壓等級的真空開關有兩種途徑：一是繼續(xù)發(fā)展單斷口型真空開關，如日本明電舍公司1980年開發(fā)的123kV，31.5kA真空斷路器；東芝公司1987年開發(fā)的145kV，31.5kA真空斷路器；二是發(fā)展雙斷口及多斷口真空開關，如美國通用電氣公司1980年開發(fā)的168kV，40kA雙斷口真空斷路器；西屋電氣公司開發(fā)的145kV雙斷口真空斷路器；1985年前蘇聯(lián)用4個滅弧室串聯(lián)生產(chǎn)出110kV，25kA多斷口真空斷路器；日本三菱公司擬發(fā)展500kV雙斷口真空斷路器[1,2]。對多斷口真空開關技術產(chǎn)生濃厚興趣的源泉是基于技術和經(jīng)濟兩方面的考慮。由于多斷口真空開關具有許多優(yōu)點，因此，多斷口真空斷路器成為了許多國家競相研究的課題[3~7]。同時，多斷口真空斷路器的發(fā)展還涉及到許多研究課題。其中最重要的是其基本的開斷機理的理論研究，但這方面的研究目前國內外都還沒有見到較為深入的報道。其理論研究的進展緩慢制約了此技術走向工業(yè)實用化。本文試圖從雙斷口真空開關的弧后動態(tài)介質恢復過程的研究出發(fā)，理論推導得到多斷口真空開關的最大可能增長倍數(shù)，并運用“擊穿弱點”[8~10]的概念，引入數(shù)學領域的隨機理論和概率統(tǒng)計方法來分析雙斷口及多斷口真空開關的開斷、介質恢復及重擊穿的機理，所得到的結論有利于多斷口真空開關的進一步研究。

2雙斷口真空開關的動態(tài)介質恢復過程

對于單斷口真空開關，真空滅弧室的弧后介質恢復過程，就是指真空滅弧室在電流過零、電弧熄滅之后，間隙由燃弧時的高導電狀態(tài)逐漸恢復為高阻絕緣狀態(tài)的過程。真空滅弧室的弧后介質強度恢復特性直接決定了真空滅弧室的分斷能力，因而一直為廣大研究者所關注，在這方面做了大量的研究。真空滅弧室的弧后介質強度恢復包括固有介質強度恢復和動態(tài)（實際）介質強度恢復兩個方面的內容[11]。固有介質強度恢復特性是指滅弧室在沒有暫態(tài)恢復電壓作用下的恢復特性，是一種理想狀態(tài)下的恢復特性，也是研究實際介質恢復特性的基礎。而在實際的運行條件下，真空斷路器在分斷電流后，斷口兩端立即會受到快速上升的暫態(tài)恢復電壓（TRV）的作用，這種條件下的介質恢復稱為動態(tài)（實際）介質恢復。對于雙斷口真空開關而言，其動態(tài)介質恢復過程與單斷口真空開關是截然不同的。2.1雙斷口真空開關的等值模型雙斷口真空開關技術的最大優(yōu)勢就是用低電壓等級的滅弧室串聯(lián)后獲得高電壓等級的電流開斷能力。圖1是雙斷口真空開關的合成試驗回路。電流源有效值25kA，電壓源恢復電壓峰值100kV。這里雙斷口滅弧室是上下布置的。對于圖1所示雙斷口真空開關，當合成回路的恢復電壓加上時，由于加在真空間隙兩端的恢復電壓的變化率非常高（恢復電壓的平均上升率可達2~10kV/ms）[3~5]，因此兩個真空滅弧室的電壓分配主要受到真空間隙的電容的影響（暫不討論弧隙電阻的影響），可以得到雙斷口真空開關的等值電路圖，如圖2中實線部分所示。2.2雙斷口真空開關的動態(tài)介質恢復過程雙斷口真空開關的動態(tài)介質恢復過程與單斷口真空開關是不同的。在雙斷口真空開關的開斷過程中，由于上下兩個真空滅弧室的分壓不均勻（由于對地電容Cg的影響），通常是所受恢復電壓較高的滅弧室先發(fā)生重擊穿。此時，只要恢復電壓的峰值和上升速度低于某一極限值，整個雙斷口開關并不會因為一個滅弧室發(fā)生重擊穿而導致開斷失敗。這是因為另一個真空滅弧室的介質強度仍可能高于此時的恢復電壓，它還可以承受整個恢復電壓一個比較短的時間，當重擊穿的真空滅弧室的介質恢復以后，共同完成分斷過程。圖3為典型雙斷口真空開關恢復過程示波圖。由圖3可見，在①點，VI2（上端的真空滅弧室）在電流零點后大約8ms、恢復電壓為-49kV時，發(fā)生了重擊穿，可以看到U42的電壓下降到了零。此時，VI1（下端的真空滅弧室）承受了整個恢復電壓，其電壓值從-18kV很快增加至-78kV。在區(qū)間②，VI2介質恢復很快，而且能夠承擔一部分恢復電壓。這里，可以看到VI1承受了超過-60kV的恢復電壓12ms，最后其恢復電壓下降為-60kV。在③點，VI1發(fā)生重擊穿，電壓降到0，這時由介質已經(jīng)恢復的VI2來承受整個恢復電壓，同時VI1的介質也迅速得到恢復。最終成功完成整個電流的開斷。圖3中①點和③點都是在納秒級以內完成的。如果其中的一個真空滅弧室首先發(fā)生電弧重擊穿，而另外一個滅弧室又不能承受陡增的全部恢復電壓，或者其承受的時間太短，使得先重擊穿的滅弧室介質還來不及恢復，那么兩個真空滅弧室就會相繼重擊穿，最終導致雙斷口真空開關的開斷失敗。2.3弧后介質恢復分析理論上，在真空電弧熄滅后，弧隙中還存在著殘余的金屬蒸氣和帶電粒子，在大電流時還會有金屬液滴。殘余物的存在是恢復過程中的真空間隙同恢復結束后的真空間隙的最大區(qū)別。因而殘余物是如何擴散的將是研究恢復過程的主要問題。實際上，真空開關的弧后實際介質強度恢復是一個多種因素作用的過程，可以分為三個階段：以介質恢復與暫態(tài)恢復電壓（VTR）互相作用為主的恢復前期；以金屬蒸氣密度n(t)為主導的恢復中期及真空間隙達到全恢復至靜態(tài)耐壓特性的恢復后期。一般來說，有暫態(tài)恢復電壓情況下的弧后介質強度恢復時間主要考慮前兩個時期。在恢復前期主要為電荷鞘層（Sheath）發(fā)展階段[12]，鞘層是由于電弧過零后的剩余等離子體在VTR的作用下正離子和電子朝不同電極方向運動產(chǎn)生的。這一層區(qū)隨時間發(fā)展而漸寬，直至充滿整個間隙。鞘層及陰極表面增強的場致發(fā)射擊穿主導了恢復前期的過程及介質恢復速度，由電荷鞘層的厚度和加在上面的電壓可以得到一個平均電場強度，由于暫態(tài)恢復電壓隨時間變化，該電場也隨時間變化，當該場強大于無燃弧情況下?lián)舸┧璧膱鰪姇r，間隙將被擊穿。對于雙斷口真空開關，由于兩個真空滅弧室的VTR分壓不均勻，顯然在電荷鞘層發(fā)展階段，兩者電荷鞘層的場強并不相同，因此當其中一個滅弧室的場強超過間隙的擊穿場強時，可能會引發(fā)此滅弧室的重擊穿。而如果另一滅弧室的場強達不到擊穿場強，并不一定會引起它的擊穿。鞘層發(fā)展結束后才開始以金屬蒸氣的衰減為主導的類似固有恢復的過程。真空開關的實際介質恢復時間是電荷鞘層發(fā)展時間和隨后以金屬中性粒子衰減為主導的固有恢復時間的總和[11]。由于VTR的加入，使得在不同的VTR下電荷鞘層的發(fā)展時間不同，因此影響了總的實際介質恢復特性，從而必然使得雙斷口真空開關兩個滅弧室有不同的開斷特性（見圖3）。由于雙斷口真空開關不同滅弧室承受暫態(tài)恢復電壓（VTR）不同，以動態(tài)恢復的觀點來看，當承受VTR低的某一滅弧室恢復得比其他滅弧室快時，則這一時刻此滅弧室的耐壓水平更高，這是一個滅弧室先擊穿而另一個滅弧室仍能承受整個雙斷口開關電壓一段時間的原因。圖4是采用三電源法[11]對一真空開關在不同VTR（VTR1<VTR2）下測得的介質恢復特性。滅弧室觸頭為縱磁結構，中心場強為0.9×10-5T/kA，開距為12mm，燃弧電流10kA（有效值），觸頭材料為銅碲硒合金。

3雙斷口及多斷口真空開關的擊穿統(tǒng)計特性分析

3.1概述真空間隙的絕緣擊穿過程是一個非常復雜的過程，常常不是一個單一因素的擊穿機理，而是幾個因素同時起作用，難以準確地加以區(qū)分和描述。但是，擊穿的引發(fā)因素主要來源于電極，如電極表面的場電子發(fā)射尖端、松散粘附在電極表面的金屬或非金屬微粒、以及發(fā)生在電極間隙的微放電過程等[13]。為此，可以引入“擊穿弱點”的概念來統(tǒng)一描述這些導致?lián)舸┑摹霸础保谴嬖谟陔姌O表面、在電場應力作用下有可能引發(fā)擊穿的各種因素的總稱[8~10]。顯然，雙斷口真空開關兩個滅弧室恢復電壓分布的不均勻性進一步增強了這些“擊穿弱點”的活性。擊穿弱點在電極表面的分布是隨機的，且隨著外加電場應力的變化而變化，它服從于一定的概率分布[9，10]。對于雙斷口真空開關而言，其兩個斷口都存在服從于一定分布的擊穿弱點。3.2擊穿電壓最大可能增長倍數(shù)及擊穿統(tǒng)計分布模型3.2.1擊穿電壓最大可能增長倍數(shù)Kn多斷口真空開關的優(yōu)越性是充分利用真空短間隙的優(yōu)良特性。在同樣的總間隙下，將真空間隙分成多斷口相比單斷口有一個固有的優(yōu)勢，其擊穿電壓最大可能增長倍數(shù)可推導如下：單斷口真空開關的擊穿電壓與電極距離的關系有兩種不同的表達式。在距離較小時，擊穿電壓和電極距離成線性關系，而在電極距離較大時，擊穿電壓和電極距離的關系變?yōu)閇12，13]其中指數(shù)α是非常重要的因子。它的取值一般在0.4~0.7之間。s為電極距離，k為常數(shù)。雙斷口真空開關的設計思想是采用小間隙的高真空絕緣特性，串聯(lián)起來得到更高的電壓耐受特性。理想情況下雙斷口真空開關的擊穿電壓與間隙距離的關系為考慮到單斷口真空開關的真空間隙距離相比雙斷口真空開關的每個滅弧室的間隙長增加了一倍，單斷口真空開關擊穿電壓和電極距離的關系改寫為3.2.2靜態(tài)擊穿統(tǒng)計分布模型對于如圖2所示的雙斷口真空開關等值電路圖，當兩個串聯(lián)斷口的串聯(lián)間隙單獨存在時，如在外加電壓作用下發(fā)生放電，則分別稱事件A、B出現(xiàn)。設已知P（A）、P（B）。當兩者串聯(lián)后，如間隙A、B放電，則稱事件A*、B*出現(xiàn)。二者串聯(lián)后構成所謂的“雙斷口（間隙）系統(tǒng)”。當該系統(tǒng)發(fā)生放電時，稱為事件C出現(xiàn)。在雙斷口系統(tǒng)中，兩個間隙可能相互影響，但限于條件，只能按“兩間隙的放電相互獨立”的假設進行分析。文[9]提出真空間隙的擊穿與陽極表面的弱點有關，而陽極表面單位面積內的弱點數(shù)與極間電壓U及陽極表面場強U/s（s為極間距離）有關，即與電場應力U2/s=x有關。因此，描述真空間隙擊穿特性的將是x。顯然，當電極面積增大時，擊穿將在最薄弱的環(huán)節(jié)處發(fā)生，因而真空間隙電場應力x的概率分布將是一個極小值分布。根據(jù)試驗結果可知[9,10]，沖擊電壓下真空間隙中的擊穿弱點是遵從威布爾（Weibull）分布的，而Weibull分布正是一種常見的極值分布。其中XOA、XOB是Weibull函數(shù)的位置參數(shù)，ηA和ηB稱為Weibull函數(shù)的尺度參數(shù)，δA、δB稱為Weibull函數(shù)的形狀參數(shù)。它們都是由電極材料和電極表面狀況決定的固有參數(shù)。則在兩個斷口串聯(lián)后，根據(jù)以上討論，筆者認為某一斷口擊穿并不能導致整個雙斷口系統(tǒng)的擊穿，只有兩個斷口同時擊穿才能認為雙斷口系統(tǒng)擊穿，因此，事件的相互關系是特殊地，當在理想狀態(tài)下，認為斷口1和斷口2的電極的材料和電極表面狀況相同時，即它們的擊穿統(tǒng)計分布函數(shù)可認為相同，有的位置參數(shù)X0，ηA和ηB統(tǒng)一表示為Weibull函數(shù)的尺度參數(shù)η，δA、δB統(tǒng)一表示為Weibull函數(shù)的形狀參數(shù)δ，則有雙斷口真空開關的靜態(tài)擊穿統(tǒng)計聯(lián)合概率分布函數(shù)為由以上推導得到的式(11)和(12)可見，無論是雙斷口真空開關還是n個斷口串聯(lián)起來，其擊穿的統(tǒng)計概率都要比單斷口的擊穿統(tǒng)計概率要小，而且串聯(lián)的斷口越多，其靜態(tài)擊穿統(tǒng)計概率越低。因此，采用雙斷口及多斷口結構可以顯著提高整個間隙的真空絕緣特性，從而得到更高的電壓耐受特性。而在實際上，許多研究者的實驗結果也說明了這個結論的正確性[6~12]。3.3弧后重擊穿統(tǒng)計分布模型雙斷口真空開關的重擊穿可能產(chǎn)生高值的過電壓，對系統(tǒng)設備運行和電網(wǎng)及人身安全造成威脅，因此有必要對雙斷口真空開關的重擊穿的發(fā)生機理做深入的研究，本節(jié)在3.1節(jié)雙斷口真空開關靜態(tài)擊穿統(tǒng)計特性研究的基礎上，考慮間隙恢復過程和暫態(tài)恢復電壓的作用，對雙斷口真空開關的重擊穿的發(fā)生概率及其時間分布做了進一步的研究。如前所述，在靜態(tài)條件下，雙斷口真空滅弧室的擊穿統(tǒng)計特性可用式(11)進行描述。考慮到介質恢復過程中，間隙的絕緣強度是隨著時間的增加而逐漸增加的[12,14]，即滅弧室所能耐受的最小電場應力x0應是時間的函數(shù)，它由恢復開始時的零逐漸上升到全恢復時的x0，由此可得出雙斷口真空開關滅弧室在介質恢復期間的重擊穿發(fā)生概率為根據(jù)實驗結果[15]，最小電場應力x0(t)是隨時間的變化近似的可用一指數(shù)函數(shù)來描述，即式中τ為恢復時間常數(shù)。根據(jù)雙斷口真空開關的重擊穿模型(13-a)和(13-b)，雙斷口真空開關的弧后重擊穿的統(tǒng)計概率都要比單斷口的擊穿統(tǒng)計概率要小。對應于2.2節(jié)中雙斷口真空開關的動態(tài)介質恢復過程的分析，利用本文提出的擊穿統(tǒng)計概率的理論能夠較好地進行解釋：當雙斷口真空開關中的一個斷口發(fā)生重擊穿時，另外一個斷口可能并沒有發(fā)生重擊穿，它還可以承受恢復電壓一個較短的時間，等待重擊穿的斷口有一定的介質恢復，然后共同完成開斷過程（見圖3），從而使得整個雙斷口真空開關不一定會發(fā)生重擊穿。由此可進一步推知串聯(lián)的斷口越多，其重擊穿統(tǒng)計概率也越低。n個斷口串聯(lián)時的弧后重擊穿模型為

4電場應力x的物理意義

一般認為[13,14]，在長間隙真空中，擊穿是由金屬微粒引起的，只有到達電極表面的微粒具有一定能量時才會引起真空擊穿。位于理想電極表面半徑為r的球狀微粒所帶有的電荷為[13]式中E為電極表面的電場強度，ε0為真空的介電常數(shù)。則此微粒初始動能為0，穿過電位差為U的間隙后，到達對面電極的微粒動能為由此可見，只有當電場應力x達到一定值時，才能保證微粒在向對面電極的運動過程中能夠獲得足夠的動能，微粒和電極碰撞時，動能轉變?yōu)闊崮埽拍苁刮⒘１旧戆l(fā)生完全熔化和蒸發(fā)，蒸發(fā)出來的金屬蒸氣導致真空間隙的全面擊穿。因此，電場應力實質上代表的是微粒引導真空間隙擊穿所需的能量。

5結論

（1）雙斷口真空開關的動態(tài)介質恢復過程與單斷口真空開關是不同的。只要恢復電壓的峰值和上升速度低于某一極限值，整個雙斷口開關并不會因為一個滅弧室發(fā)生重擊穿而導致開斷失敗。這是因為另一個真空滅弧室的介質強度仍可能高于此時的恢復電壓，它還可以承受整個恢復電壓一個比較短的時間，當重擊穿的真空滅弧室的介質恢復以后，共同完成分斷過程。（2）理論推導得到了多斷口真空開關相對于單斷口真空開關的擊穿電壓最大可能增大倍數(shù)Kn。（3）無論是雙斷口真空開關還是n個斷口串聯(lián)起來的多斷口真空開關，其擊穿的統(tǒng)計概率都要比單斷口的擊穿統(tǒng)計概率要小，而且串聯(lián)的斷口越多，其靜態(tài)擊穿統(tǒng)計概率越低。（4）引入“擊穿弱點”的概念，理論推導得到多斷口真空開關的靜態(tài)擊穿統(tǒng)計分布模型及弧后重擊穿統(tǒng)計模型。（5）利用所得到的擊穿統(tǒng)計模型能對多斷口的開斷機理進行合理的解釋，采用多斷口的真空開關相比于單斷口真空開關有更好的開斷性能，是發(fā)展高電壓等級真空開關的有利途徑。（6）對電場應力x的物理意義進行了討論，說明電場應力x實質上代表的是微粒引導真空間隙擊穿所需的能量。

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