為進(jìn)一步理解真空斷路器開(kāi)斷過(guò)程中的電流零區(qū)現(xiàn)象，仿真分析了真空斷路器開(kāi)斷短路故障和切除電容器組時(shí)瞬態(tài)恢復(fù)電壓(transient recovery voltage, TRV)和弧后電流的相互作用。在PSCAD/EMTDC 中建立了基于Langmuir 探針理論的真空斷路器弧后電流仿真模型，仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果相符，驗(yàn)證了模型有效性。仿真結(jié)果表明：開(kāi)斷短路故障時(shí)，是否考慮弧后電流對(duì)TRV 沒(méi)有明顯的影響，弧后電流大小則與TRV 上升率成正比;切除電容器組時(shí)，弧后電流對(duì)起始TRV 有顯著影響，但對(duì)工頻恢復(fù)電壓沒(méi)有影響。此外，短路類型、短路點(diǎn)位置、短路合閘相角、系統(tǒng)等效電感、電容等網(wǎng)絡(luò)參數(shù)對(duì)TRV 和弧后電流也有很大影響。研究成果有助于分析不同工況下真空斷路器面臨的開(kāi)斷考驗(yàn)。

　　引言

　　真空斷路器采用真空作為滅弧和絕緣介質(zhì)，具有熄弧能力強(qiáng)、體積小、重量輕、使用壽命長(zhǎng)、無(wú)火災(zāi)爆炸危險(xiǎn)、不污染環(huán)境等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于40.5 kV 及以下電壓等級(jí)的中壓配網(wǎng)中。

　　在真空斷路器的電流開(kāi)斷過(guò)程中，由于真空電弧電壓很小，從電流即將過(guò)零到過(guò)零瞬間，真空間隙一直充滿著高電導(dǎo)率的電弧等離子體，從而與外電路之間沒(méi)有明顯的相互作用。電流過(guò)零時(shí)真空間隙中仍然存在許多殘余粒子，包括電子、離子、金屬蒸氣和金屬液滴等。電流過(guò)零后，觸頭間的殘余電荷將在瞬態(tài)恢復(fù)電壓(transient recovery voltage,TRV)的作用下發(fā)生定向移動(dòng)，形成所謂的弧后電流。真空間隙隨著殘余粒子的不斷擴(kuò)散從高導(dǎo)電狀態(tài)迅速轉(zhuǎn)變成高阻狀態(tài)。因此，真空電弧(如殘余粒子擴(kuò)散、弧后電流等)與外電路(主要為T(mén)RV)的相互作用主要發(fā)生在電流過(guò)零后。而在SF6 斷路器中，氣體電弧與外電路的相互作用主要發(fā)生在電流過(guò)零以前。

　　由于電流零區(qū)(尤其是零后幾到幾十μs 內(nèi)的間隙狀態(tài))是真空斷路器成功開(kāi)斷的關(guān)鍵，故許多研究人員對(duì)其進(jìn)行了試驗(yàn)和仿真研究，試圖從中找到表征真空斷路器開(kāi)斷性能的特征參數(shù)。如參文對(duì)真空斷路器大電流開(kāi)斷過(guò)程的電流零區(qū)進(jìn)行了高分辨率的參數(shù)測(cè)量。仿真方面，被采用最多的是Andrews 和Varey 提出的連續(xù)過(guò)渡模型。也有研究人員對(duì)該模型進(jìn)行了一些改進(jìn)，如引入二次電子發(fā)射、離子再生項(xiàng)等。參文根據(jù)真空斷路器電流零區(qū)特性與Langmuir 探針在電氣特性上的相似性建立了基于Langmuir 探針理論的弧后電流模型。該模型借助Langmuir 探針理論中的等離子體鞘、預(yù)鞘、Bohm 判據(jù)等理論，對(duì)電流零區(qū)中“TRV 起始點(diǎn)滯后電流零點(diǎn)”的現(xiàn)象進(jìn)行了合理的解釋，這是連續(xù)過(guò)渡模型無(wú)法做到的。該模型相比連續(xù)過(guò)渡模型的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是數(shù)值穩(wěn)定性更好，從而更易于編程實(shí)現(xiàn)和移植。此外，近年來(lái)隨著低溫等離子體數(shù)值模擬技術(shù)的不斷發(fā)展，粒子模擬、混合模擬等技術(shù)在真空斷路器弧后鞘層生長(zhǎng)和弧后電流的數(shù)值仿真方面取得了較大的進(jìn)展。參文分析了弧后剩余電荷差異對(duì)雙斷口真空斷路器TRV 分配的影響機(jī)理。

　　由于真空斷路器廣泛被應(yīng)用于不同的開(kāi)斷場(chǎng)合中，故有必要分析不同工況下真空斷路器中TRV與弧后電流的相互作用，由此進(jìn)一步分析它所面臨的開(kāi)斷考驗(yàn)。本文首先在PSCAD/EMTDC 中對(duì)基于Langmuir 探針理論的弧后電流數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了Fortran 編程實(shí)現(xiàn)，并采用相關(guān)文獻(xiàn)的試驗(yàn)結(jié)果對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。然后，將該模型植入到35 kV中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中，分析了弧后電流對(duì)TRV 的影響，以及短路故障類型、短路點(diǎn)位置、短路合閘相角系統(tǒng)等效電感、電容等網(wǎng)絡(luò)參數(shù)對(duì)TRV 和弧后電流的影響。最后，分析了真空斷路器切除電容器組時(shí)弧后電流對(duì)TRV 和工頻恢復(fù)電壓的影響。

　　4、結(jié)論

　　1)在PSCAD/EMTDC 中建立了基于Langmuir探針理論的弧后電流模型，試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該仿真模型的有效性。

　　2)真空斷路器開(kāi)斷短路故障時(shí)，弧后電流對(duì)TRV 幾乎沒(méi)有影響。對(duì)A 相斷路器而言，開(kāi)斷三相短路(首開(kāi)相)、CA 相短路和CA 相接地短路時(shí)，真空斷路器面臨的開(kāi)斷考驗(yàn)相對(duì)嚴(yán)峻。開(kāi)斷近區(qū)故障時(shí)，起始TRV 上升率較高，且短路電流較大，從而弧后電流值較高，不利于真空斷路器的開(kāi)斷。此外，短路合閘相角、系統(tǒng)等效電感、電容等網(wǎng)絡(luò)等值參數(shù)對(duì)TRV 和弧后電流有顯著影響。其他2 相可采用相同的方法進(jìn)行分析，但結(jié)論可能有所不同。

　　3)真空斷路器切除電容器組時(shí)，弧后電流對(duì)初始恢復(fù)電壓有明顯影響，但對(duì)工頻恢復(fù)電壓沒(méi)有影響。故在計(jì)算重燃過(guò)電壓時(shí)可不考慮弧后電流的影響。