摘要：

【關(guān)鍵詞】雙斷口及多斷口真空開關(guān)技術(shù),動態(tài)介質(zhì)恢復(fù),擊穿弱點,統(tǒng)計特性

【論文摘要】從雙斷口真空開關(guān)的等值模型出發(fā)，分析了雙斷口真空開關(guān)的動態(tài)介質(zhì)恢復(fù)過程，說明只要恢復(fù)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(guān)并不會因為一個滅弧室發(fā)生重?fù)舸┒鴮?dǎo)致開斷失敗。在此基礎(chǔ)上，理論推導(dǎo)得到雙斷口及多斷口真空開關(guān)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(guān)的靜態(tài)擊穿統(tǒng)計分布模型和弧后重?fù)舸┙y(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(guān)與單斷口真空開關(guān)相比開斷能力有顯著提高的機(jī)理。最后對電場應(yīng)力x的物理意義進(jìn)行了討論，說明x實質(zhì)上代表的是微粒引導(dǎo)真空間隙擊穿所需的能量。
關(guān)鍵詞：雙斷口真空開關(guān)多斷口真空開關(guān)動態(tài)介質(zhì)恢復(fù)擊穿弱點統(tǒng)計特性

1引言

真空開關(guān)是電力系統(tǒng)中的新型開關(guān)電器，其特點是利用真空作為主觸頭間的絕緣介質(zhì)和滅弧介質(zhì)，真空的極為優(yōu)異的絕緣強(qiáng)度和熄弧能力給真空開關(guān)帶來了許多優(yōu)點，使之在配電領(lǐng)域得到了廣泛的發(fā)展和應(yīng)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(guān)尚只能應(yīng)用于110kV及以下電壓等級。發(fā)展更高電壓等級的真空開關(guān)有兩種途徑：一是繼續(xù)發(fā)展單斷口型真空開關(guān)，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(guān)，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(guān)技術(shù)產(chǎn)生濃厚興趣的源泉是基于技術(shù)和經(jīng)濟(jì)兩方面的考慮。由于多斷口真空開關(guān)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(jī)理的理論研究，但這方面的研究目前國內(nèi)外都還沒有見到較為深入的報道。其理論研究的進(jìn)展緩慢制約了此技術(shù)走向工業(yè)實用化。本文試圖從雙斷口真空開關(guān)的弧后動態(tài)介質(zhì)恢復(fù)過程的研究出發(fā)，理論推導(dǎo)得到多斷口真空開關(guān)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(xué)領(lǐng)域的隨機(jī)理論和概率統(tǒng)計方法來分析雙斷口及多斷口真空開關(guān)的開斷、介質(zhì)恢復(fù)及重?fù)舸┑臋C(jī)理，所得到的結(jié)論有利于多斷口真空開關(guān)的進(jìn)一步研究。

2雙斷口真空開關(guān)的動態(tài)介質(zhì)恢復(fù)過程

對于單斷口真空開關(guān)，真空滅弧室的弧后介質(zhì)恢復(fù)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(dǎo)電狀態(tài)逐漸恢復(fù)為高阻絕緣狀態(tài)的過程。真空滅弧室的弧后介質(zhì)強(qiáng)度恢復(fù)特性直接決定了真空滅弧室的分?jǐn)嗄芰?，因而一直為廣大研究者所關(guān)注，在這方面做了大量的研究。真空滅弧室的弧后介質(zhì)強(qiáng)度恢復(fù)包括固有介質(zhì)強(qiáng)度恢復(fù)和動態(tài)（實際）介質(zhì)強(qiáng)度恢復(fù)兩個方面的內(nèi)容[11]。固有介質(zhì)強(qiáng)度恢復(fù)特性是指滅弧室在沒有暫態(tài)恢復(fù)電壓作用下的恢復(fù)特性，是一種理想狀態(tài)下的恢復(fù)特性，也是研究實際介質(zhì)恢復(fù)特性的基礎(chǔ)。而在實際的運行條件下，真空斷路器在分?jǐn)嚯娏骱螅瑪嗫趦啥肆⒓磿艿娇焖偕仙臅簯B(tài)恢復(fù)電壓（TRV）的作用，這種條件下的介質(zhì)恢復(fù)稱為動態(tài)（實際）介質(zhì)恢復(fù)。對于雙斷口真空開關(guān)而言，其動態(tài)介質(zhì)恢復(fù)過程與單斷口真空開關(guān)是截然不同的。2.1雙斷口真空開關(guān)的等值模型雙斷口真空開關(guān)技術(shù)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(guān)的合成試驗回路。電流源有效值25kA，電壓源恢復(fù)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(guān)，當(dāng)合成回路的恢復(fù)電壓加上時，由于加在真空間隙兩端的恢復(fù)電壓的變化率非常高（恢復(fù)電壓的平均上升率可達(dá)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(guān)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(guān)的動態(tài)介質(zhì)恢復(fù)過程雙斷口真空開關(guān)的動態(tài)介質(zhì)恢復(fù)過程與單斷口真空開關(guān)是不同的。在雙斷口真空開關(guān)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(fù)電壓較高的滅弧室先發(fā)生重?fù)舸４藭r，只要恢復(fù)電壓的峰值和上升速度低于某一極限值，整個雙斷口開關(guān)并不會因為一個滅弧室發(fā)生重?fù)舸┒鴮?dǎo)致開斷失敗。這是因為另一個真空滅弧室的介質(zhì)強(qiáng)度仍可能高于此時的恢復(fù)電壓，它還可以承受整個恢復(fù)電壓一個比較短的時間，當(dāng)重?fù)舸┑恼婵諟缁∈业慕橘|(zhì)恢復(fù)以后，共同完成分?jǐn)噙^程。圖3為典型雙斷口真空開關(guān)恢復(fù)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(fù)電壓為-49kV時，發(fā)生了重?fù)舸?，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(fù)電壓，其電壓值從-18kV很快增加至-78kV。在區(qū)間②，VI2介質(zhì)恢復(fù)很快，而且能夠承擔(dān)一部分恢復(fù)電壓。這里，可以看到VI1承受了超過-60kV的恢復(fù)電壓12ms，最后其恢復(fù)電壓下降為-60kV。在③點，VI1發(fā)生重?fù)舸?，電壓降?，這時由介質(zhì)已經(jīng)恢復(fù)的VI2來承受整個恢復(fù)電壓，同時VI1的介質(zhì)也迅速得到恢復(fù)。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(nèi)完成的。如果其中的一個真空滅弧室首先發(fā)生電弧重?fù)舸?，而另外一個滅弧室又不能承受陡增的全部恢復(fù)電壓，或者其承受的時間太短，使得先重?fù)舸┑臏缁∈医橘|(zhì)還來不及恢復(fù)，那么兩個真空滅弧室就會相繼重?fù)舸?，最終導(dǎo)致雙斷口真空開關(guān)的開斷失敗。2.3弧后介質(zhì)恢復(fù)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(fù)過程中的真空間隙同恢復(fù)結(jié)束后的真空間隙的最大區(qū)別。因而殘余物是如何擴(kuò)散的將是研究恢復(fù)過程的主要問題。實際上，真空開關(guān)的弧后實際介質(zhì)強(qiáng)度恢復(fù)是一個多種因素作用的過程，可以分為三個階段：以介質(zhì)恢復(fù)與暫態(tài)恢復(fù)電壓（VTR）互相作用為主的恢復(fù)前期；以金屬蒸氣密度n(t)為主導(dǎo)的恢復(fù)中期及真空間隙達(dá)到全恢復(fù)至靜態(tài)耐壓特性的恢復(fù)后期。一般來說，有暫態(tài)恢復(fù)電壓情況下的弧后介質(zhì)強(qiáng)度恢復(fù)時間主要考慮前兩個時期。在恢復(fù)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(qiáng)的場致發(fā)射擊穿主導(dǎo)了恢復(fù)前期的過程及介質(zhì)恢復(fù)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(qiáng)度，由于暫態(tài)恢復(fù)電壓隨時間變化，該電場也隨時間變化，當(dāng)該場強(qiáng)大于無燃弧情況下?lián)舸┧璧膱鰪?qiáng)時，間隙將被擊穿。對于雙斷口真空開關(guān)，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(qiáng)并不相同，因此當(dāng)其中一個滅弧室的場強(qiáng)超過間隙的擊穿場強(qiáng)時，可能會引發(fā)此滅弧室的重?fù)舸?。而如果另一滅弧室的場?qiáng)達(dá)不到擊穿場強(qiáng)，并不一定會引起它的擊穿。鞘層發(fā)展結(jié)束后才開始以金屬蒸氣的衰減為主導(dǎo)的類似固有恢復(fù)的過程。真空開關(guān)的實際介質(zhì)恢復(fù)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(dǎo)的固有恢復(fù)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(zhì)恢復(fù)特性，從而必然使得雙斷口真空開關(guān)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(guān)不同滅弧室承受暫態(tài)恢復(fù)電壓（VTR）不同，以動態(tài)恢復(fù)的觀點來看，當(dāng)承受VTR低的某一滅弧室恢復(fù)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(guān)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(guān)在不同VTR（VTR1<VTR2）下測得的介質(zhì)恢復(fù)特性。滅弧室觸頭為縱磁結(jié)構(gòu)，中心場強(qiáng)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(guān)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(fù)雜的過程，常常不是一個單一因素的擊穿機(jī)理，而是幾個因素同時起作用，難以準(zhǔn)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(dǎo)致?lián)舸┑摹霸础?，它是存在于電極表面、在電場應(yīng)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(guān)兩個滅弧室恢復(fù)電壓分布的不均勻性進(jìn)一步增強(qiáng)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(jī)的，且隨著外加電場應(yīng)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(guān)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(guān)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(dǎo)如下：單斷口真空開關(guān)的擊穿電壓與電極距離的關(guān)系有兩種不同的表達(dá)式。在距離較小時，擊穿電壓和電極距離成線性關(guān)系，而在電極距離較大時，擊穿電壓和電極距離的關(guān)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(guān)的設(shè)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(guān)的擊穿電壓與間隙距離的關(guān)系為考慮到單斷口真空開關(guān)的真空間隙距離相比雙斷口真空開關(guān)的每個滅弧室的間隙長增加了一倍，單斷口真空開關(guān)擊穿電壓和電極距離的關(guān)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(guān)等值電路圖，當(dāng)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(shè)已知P（A）、P（B）。當(dāng)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(gòu)成所謂的“雙斷口（間隙）系統(tǒng)”。當(dāng)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(shè)進(jìn)行分析。文[9]提出真空間隙的擊穿與陽極表面的弱點有關(guān)，而陽極表面單位面積內(nèi)的弱點數(shù)與極間電壓U及陽極表面場強(qiáng)U/s（s為極間距離）有關(guān)，即與電場應(yīng)力U2/s=x有關(guān)。因此，描述真空間隙擊穿特性的將是x。顯然，當(dāng)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(yīng)力x的概率分布將是一個極小值分布。根據(jù)試驗結(jié)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(rèn)為某一斷口擊穿并不能導(dǎo)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(rèn)為雙斷口系統(tǒng)擊穿，因此，事件的相互關(guān)系是特殊地，當(dāng)在理想狀態(tài)下，認(rèn)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(rèn)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(guān)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(dǎo)得到的式(11)和(12)可見，無論是雙斷口真空開關(guān)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(jié)構(gòu)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(jié)果也說明了這個結(jié)論的正確性[6~12]。

3.3、弧后重?fù)舸┙y(tǒng)計分布模型雙斷口真空開關(guān)的重?fù)舸┛赡墚a(chǎn)生高值的過電壓，對系統(tǒng)設(shè)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(guān)的重?fù)舸┑陌l(fā)生機(jī)理做深入的研究，本節(jié)在3.1節(jié)雙斷口真空開關(guān)靜態(tài)擊穿統(tǒng)計特性研究的基礎(chǔ)上，考慮間隙恢復(fù)過程和暫態(tài)恢復(fù)電壓的作用，對雙斷口真空開關(guān)的重?fù)舸┑陌l(fā)生概率及其時間分布做了進(jìn)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(jìn)行描述?？紤]到介質(zhì)恢復(fù)過程中，間隙的絕緣強(qiáng)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(yīng)力x0應(yīng)是時間的函數(shù)，它由恢復(fù)開始時的零逐漸上升到全恢復(fù)時的x0，由此可得出雙斷口真空開關(guān)滅弧室在介質(zhì)恢復(fù)期間的重?fù)舸┌l(fā)生概率為根據(jù)實驗結(jié)果[15]，最小電場應(yīng)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(fù)時間常數(shù)。根據(jù)雙斷口真空開關(guān)的重?fù)舸┠Ｐ?13-a)和(13-b)，雙斷口真空開關(guān)的弧后重?fù)舸┑慕y(tǒng)計概率都要比單斷口的擊穿統(tǒng)計概率要小。對應(yīng)于2.2節(jié)中雙斷口真空開關(guān)的動態(tài)介質(zhì)恢復(fù)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(jìn)行解釋：當(dāng)雙斷口真空開關(guān)中的一個斷口發(fā)生重?fù)舸r，另外一個斷口可能并沒有發(fā)生重?fù)舸?，它還可以承受恢復(fù)電壓一個較短的時間，等待重?fù)舸┑臄嗫谟幸欢ǖ慕橘|(zhì)恢復(fù)，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(guān)不一定會發(fā)生重?fù)舸?。由此可進(jìn)一步推知串聯(lián)的斷口越多，其重?fù)舸┙y(tǒng)計概率也越低。n個斷口串聯(lián)時的弧后重?fù)舸┠Ｐ蜑?/p>

4、電場應(yīng)力x的物理意義：

一般認(rèn)為，在長間隙真空中，擊穿是由金屬微粒引起的，只有到達(dá)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(qiáng)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(dá)對面電極的微粒動能為由此可見，只有當(dāng)電場應(yīng)力x達(dá)到一定值時，才能保證微粒在向?qū)γ骐姌O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(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，才能使微粒本身發(fā)生完全熔化和蒸發(fā)，蒸發(fā)出來的金屬蒸氣導(dǎo)致真空間隙的全面擊穿。因此，電場應(yīng)力實質(zhì)上代表的是微粒引導(dǎo)真空間隙擊穿所需的能量。

5、結(jié)論

（1）雙斷口真空開關(guān)的動態(tài)介質(zhì)恢復(fù)過程與單斷口真空開關(guān)是不同的。只要恢復(fù)電壓的峰值和上升速度低于某一極限值，整個雙斷口開關(guān)并不會因為一個滅弧室發(fā)生重?fù)舸┒鴮?dǎo)致開斷失敗。這是因為另一個真空滅弧室的介質(zhì)強(qiáng)度仍可能高于此時的恢復(fù)電壓，它還可以承受整個恢復(fù)電壓一個比較短的時間，當(dāng)重?fù)舸┑恼婵諟缁∈业慕橘|(zhì)恢復(fù)以后，共同完成分?jǐn)噙^程；

（2）理論推導(dǎo)得到了多斷口真空開關(guān)相對于單斷口真空開關(guān)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(guān)還是n個斷口串聯(lián)起來的多斷口真空開關(guān)，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(dǎo)得到多斷口真空開關(guān)的靜態(tài)擊穿統(tǒng)計分布模型及弧后重?fù)舸┙y(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(jī)理進(jìn)行合理的解釋，采用多斷口的真空開關(guān)相比于單斷口真空開關(guān)有更好的開斷性能，是發(fā)展高電壓等級真空開關(guān)的有利途徑；

（6）對電場應(yīng)力x的物理意義進(jìn)行了討論，說明電場應(yīng)力x實質(zhì)上代表的是微粒引導(dǎo)真空間隙擊穿所需的能量。