基于电流转移的断路器弧后电流测量方法葛国伟pdf解析

1、第 41 卷 第 9 期： 3156-31632015 年 9 月 30 日高电压技术High Voltage EngineeringVol.41, No.9: 3156-3163September 30, 2015DOI : 10.13336/j.1003-6520.hve.2015.09.047 基于电流转移的断路器弧后电流测量方法 葛国伟 1,2，廖敏夫 2，程 显 1，赵 岩 2，段雄英 2，邹积岩 2 （1. 郑州大学电气工程学院 ， 郑州 450000；2. 大连理工大学电气工程学院 ，大连 116024） 摘 要 ：断路器的弧后电流是断路器开断性能的重要参量，为了获取高精度、低干

2、扰的弧后电流，本文提出了一 种基于真空开关、转移电阻、保护间隙和高精度电流传感器构成的弧后电流测量方法，其中真空开关负责导通 大 电流，在电流过零前电流转移到转移电阻上，然后利用高精度电流传感器间接测量弧后电流。建立了弧后电 流装 置的电流转移过程模型，分析了电流转移完成时刻和转移电流峰值受转移电阻、电流大小和真空开关刚分 时刻的 影响。基于仿真得到弧后电流测量装置的参数，设计了弧后电流测量装置样机，对转移电阻进行了特殊 无感设计 并与保护间隙实现配合保护。最后进行了 10 kV 真空断路器在合成回路试验中的弧后电流测量，在 开断 5 kA 电流 时，弧后电流峰值为 500 mA 左右，脉宽

3、5 s，弧后测量干扰小，波形平滑。对比试验结果 和前人研究成果，验 证了基于电流转移原理的弧后电流测量装置的可行性和准确性。 关键词 ：电流转移原理；弧后电流；转移电阻；真空断路器；真空电弧；开断试验Methods of Measuring Post-arc Current Based on Current Transfer1,2 2 1 2 2 2GE Guowei , LIAO Minfu , CHENG Xian , ZHAO Yan , DUAN Xiongying , ZOU Jiyan(1. School of Electrical Engineering, Zhengzhou U

4、niversity, Zhengzhou 450000, China;2. School of Electrical Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China)Abstract ： The post-arc current of circuit breakers is one of key parameters of breaking performance. In order to gain thehigh-precision and low-interference post-arc current

5、 ， we proposed a novel method for measuring post-arc current with a device composed of vacuum switch, transfer resistance, protective gap and high-precision current sensor. The main current I mostly flows through the vacuum switch while the main current completely transfers to transfer resistance ju

6、st before the current approaches zero and the post-arc current is measured by the high-precision current sensor. The current-transfer model of the post-arc current measurement is established to gain the characteristic of the finish time and the peak value of current transfer influenced by the transf

7、er resistance, current of main circuit and the contacts breakaway time.Based on the simulation parameters, the prototype of post-arc current measuring device is set up. The transfer resistance is specially designed to make it noninductive and the coordination of protection is gained with the protect

8、ive gap. The expereimental results of post-arc current is got by the prototype in synthetic short-circuit test. The measuring result of post-arc current is accurate and hardly interfered. The peak value and pulse width are 500 mA and 5 s, respectively, when the breaking current and voltage are 5 kA

9、and 10 kV, respectively. The experimental results and previous research can verify the feasibility and accuracy of the novel post-arc current measuring device.Key words ： current transfer; post-arc current;transfer resistance;vacuum switch;vacuum arc; short-circuit breaking test Universities (DUT13T

10、Q102), China Postdoctoral Science Foundation (2014M552012, 2015T80778).0 引言断路器在开断大电流时，电流过零后由于弧隙 间残余等离子体，在暂态恢复电压 (TRV) 的作用下， 存在弧后电流。弧后电流是断路器，特别是真空断基金资助项目 ：国家自然科学基金 (51277020；51407163；51477024)； 中央高校基本科研业务费专项基金 (DUT13TQ102) ；中国博士后科学基 金(2014M552012 ；2015T80778)。Project supported by National Nature Scie

11、nce Foundation of China (51277020, 51407163, 51477024), Fundamental Research Funds for Central 路器开断过程的重要参量，弧后电流可以用于判断 断路 器的开断性能 1 。 SF6 断路器的弧后电流一般在 12 A，而真空断路器的弧后电流可以达到 10 A 甚 至更高 2-3 。弧后电流的测量是国内外研究的热点，弧后电 流的测量方法主要分为以下几种：（ 1）最常用的方法是采用同轴分流器、机械 开 关和保护间隙并联，在大电流阶段，电流由机械 开关 导通，在电流过零前，电流转移到同轴分流器 上，通 过同轴分流

12、器测量弧后电流。 M. Murano 采葛国伟，廖敏夫，程 显，等：基于电流转移的断路器弧后电流测量方法3157和电流大小对电流转移完成时刻和转移电流峰值的影用两个真空开关作为机械开关，并且设计了差分测4 响。最后确定了弧后电流测量装置的参数，在此基础量和示波器触发电路 4 。Yanabu 采用此方法测量了5-6 上设计了弧后电流测量装置的样机，进行了弧后 纵磁、横磁和双断口真空断路器的弧后电流5-6 。 J.Mahdavi 提出了新型的基于斥力机构操动的带绝 部分的触头替代机械开关，同轴分流器在电流过 附近 600 s 导通，其余时间由触头结构导通电 7 。B.Blez 采用爆炸开关替代机械

13、开关，大电流 爆炸开关导通，在电流过零前，爆炸开关触发断开，电流转移到同轴分流器上8。 G. C. Damstra 采 用光纤通信与数据处理方法对弧后电流测试装置进 行了优化 9 。采用此方法测量弧后电流缺点是同轴 分流器阻抗与输出信号大小之间的矛盾，高阻抗分 流器可以获得较大的信号，可以提高测量精度，但 电流的热效应明显，又影响了测量精度。机械开关 控制精度要求较高，在电流过零前较短时间分闸， 否则同轴分流器无法承受主电路大电流。（ 2）采用高阻抗、低热容量的分流器直接测 量弧后电流， J. Kanumanns 利用同轴分流器 （30 m? ） 测量总电流和弧后电流，带宽 22 MHz 。采

14、用此方 法无法满足大电流弧后电流的测量 10 。（3）采用特殊设计的罗氏线圈测量弧后电流，KEMA 试验站设计了 M-coil 罗氏线圈每匝并联阻 尼 电阻抑制共振频率的干扰。采用罗氏线圈测量可 以实 现非电连接，消除地回路的干扰，但是罗氏线圈信号需要经过积分处理等得到电流波形，弧后 电 流相对于时间的绝对值无法准确获得 11-12 。针对传统弧后电流测量的优缺点，本文提出了 一种基于真空开关、转移电阻 （无感电阻 ）、保护间 隙和高精度电流传感器构成的弧后电流测量装置， 无感电阻负责在电流过零前电流转移到无感电阻 上，利用高精度电流传感器在低压侧测量弧后电 流。 弧后电流测量处于低压侧，而且

15、测量回路与 试验回 路无电气连接，减少对测量设备的造成的 危害，转 移电阻的特殊设计一方面可以减小转移 电阻的电 感，另一方面，当测试断路器开断失败 重燃时，康 铜丝熔断，防止丝爆喷射。本文首先分析了基于真空开关、转移电阻 （无感 电 阻）、保护间隙和高精度电流传感器构成的弧后电流测量装置的工作原理，建立了弧后电流测量装置的电 流 转移模型，分析了真空开关分闸时刻、转移电阻大电流的测试，对比仿真结果和前人弧后电流测量数据，验证了弧后电路测量装置的准确与可靠性。1 弧后电流测量原理Fig.1 Structure of the PACME1.1 弧后电流测量装置结构 弧后电流测量结构如图 1 所示

16、，其中 VIa 是真 空开关， Rsh 是转移电阻， TA1 是高精度小测量范围 电流传感器，用于测量弧后电流， SG 是保护球隙， i 为主电路电流， i1 为电弧电流， ish 为转移电阻电流。 弧后电流测量原理见图 2， Utrv 为暂态恢复电压，测 量原理是在大电流阶段，真空开关闭合，由于真空 开 关接触电阻很小 （?级 ），大电流主要通过真空开 关；在电流过零前 t0 时刻，真空开关分闸，真空开 关拉弧，弧阻较大，电流由真空开关向转移电阻转 移，在电流过零前 te 时刻，真空开关电弧熄灭，主 电路电流由并联转移电阻承担；当被试开关开断失 败 时，重燃电流较大，转移电阻上的电压升高，

17、SG 导 通，重燃电流由 SG 导通。传统的测量方法是采 用 同轴分流器，但测量原理都是电流转移原理。1.2 弧后电流测量装置原理分析 弧后电流测量的核心是电流转移过程，电流由 真空开关向转移电阻转移的时间为t， t0 是真空开关刚分时刻， te 是电弧电流转移完成时刻。转移时 间 t 的大小决定了真空开关的刚分时刻t0 ，而转移完成时刻 te 决定了流过转移电阻的电流大小，转移 电阻电流的大小一方面决定了电阻的功率，另一方 面也决定了弧后电流测量电流传感器 TA1 的量程， TA1 量程的选取对测量弧后电流精度有限制。综上 所述，为了得到弧后电流测量装置的最佳的结构参 数，需要对电流转移过程

18、进行分析，分析转移电阻Rsh，电流幅值 I m，真空开关刚分时刻 t0 的影响。1.3 电流转移过程模型 电流转移模型如图 3 所示， g 是真空开关电弧 电导， gsh 是转移电阻电导， G 是真空开关， I 是正 弦电流源。真空开关电弧模型采用 Mayr 电弧模图 1 弧后电流测量结构3158高电压技术2015, 41(9)型13 ，基于电路分析建立电流转移过程的数学模型见式 (1)- 式 (4) ，其中 g 表示电弧电导， u 表示电弧 电压， i1 表示电弧电流， P 表示电弧散热功率， 表 示电弧时间常数， i 表示主电路电流， ish 表示转移 电阻电流。式 (1) 是 Mayr

19、电弧模型，描述了电弧电 导 g 与电弧电压 u，电弧电流 i1，电弧散热功率P和电弧时间常数 的关系。当电弧功率 ui 大于散热功率 P，电弧温度升高，电弧热游离加强，电弧电 导增加，当电弧功率 ui 小于散热功率 P ，电弧温度 降低，电弧热游离减弱，电弧电导减小，电弧趋于 灭，但由于电弧能量积累引起电弧温度升高或者 增加需要一个过程，时间常数 就是控制参数；Fig.2 Principle of post-arc current measurement(2)是电弧电流与转移电阻电流之间的分流关系；是电弧电压与电弧电导、电弧电流的关系；式(4)是主电路电流模型。1 dg dln g 1 ( u

20、i1 - 1) g dt dt Pi1 i - g shui1ugi I m sin(t)将式(2)(3)代入式 (1)得到电弧电导与主电路电熄 电导式(3)(1)(2)(3)(4)流 i 的关系见式(5)，综合式 (4)、(5)和电弧电导初值 g(0)即可建立电流转移过程的模型见式 (6) 。利用 阶 Runge-Kutta 对电流转移过程的模型进行数值求 解，即可得到电弧电导的变化关系。dg g ui2g i g 2( ( )1) gP g gsh - 1) g -1)2 -1)dt ( P -2 g i ( P ( g gsh)i I m sin( t)2 g( Pi ( g g )g2

21、 -1) P ( g gsh )(5)dgd t(6)1 000 S电流在电弧电导与转移电阻电导之间分配，g(0)于真空开关电弧存在截流现象，一般截流值在几安左右14，在电流过零前，随着电弧电导的减小，电弧电流逐渐减小，当电流 2 A 认为电弧熄灭，另一 方面测量弧后电流的电阻较小， 当电弧电导0.000 01 S 认为电弧熄灭，因而得到电弧熄灭的判 据见式 (7)和 (8)。i 2(7)图 3 电流转移模型Fig.3 Simplified circuit of current transfer1.4 弧后电流测量装置电流转移特性 弧后电流测量装置的电流转移过程主要受转 移电阻电导 gsh 大

22、小、主电路电流幅值 Im 和真空开 关刚分时刻 t0 的影响，而电弧电流转移完成时刻te决定了流过转移电阻的电流峰值Ishm，转移电阻的电流峰值 Ishm 决定了电流传感器 TA1 的量程。选用TA1 的量程越小，测量较小的弧后电流越准确。图 4 是在 I m=10 kA 和 t0=5 ms 时得到的 te 与 gsh 的关系，在 gsh10 S 时， te 趋近饱和，基本保持不变。这说明在 gsh 较大时，电弧电流转移到并联转移电 阻上较快，然后电弧熄灭，电流由并联转移电阻承 担。传统弧后电流测量采用同轴分流器 ( 电阻在 m?级)一般是这种情况，这就要求真空开关在电流过零前较短时间 (一般

23、 1 ms)分闸，对真空开关动作分散 性要求较高，而且通过分流器的电流较大，需要分流器有较高的热容量。在 gsh 较小的情况下，在真 空开关分闸后， gsh 承担的电流较小，主要电流由电 弧承担，在电流过零前，电弧电流熄灭，电流转移5g 10到转移电阻上，这样通过转移电阻的电流较小，可(8)以利用高精度电流传感器测量弧后电流。本文米用71994-2015 China Acidc(nic Journal Electronic Publishing Hdllsc. All rights reserved. 11Lip;/ki.nci3159葛国伟，廖敏夫，程 显，等：基于电流转移的断路器弧后电流测

24、量方法测试弧后电流的方法是后者，所以转移电阻电导应 该10 S。在 Im=10 kA 和 gsh=0.1 S 时得到 te 与 t0 的关系 见图 5 所示，在 t09.6 ms 时， te 随着 t0 的增加而迅速增加。在实 际情况下，很难控制真空开关分闸时刻在 9.610 ms 之间，所以选择 t0 在 210 ms 之间任意时间动作， t e总9.69 ms，以10 kA 电流计算，转移电阻的最大 电流是在 te 的电流 ie 大概为 3 A 左右，这对于测试 弧后电流并确保其精确度提供了便利。基于弧后电流测量主要应用于断路器短路开 断试验中，短路开断容量一般在几十 kA ，本文选用 5

25、0 kA 作为最大测量范围，在 gsh=0.1 S，Im=50 kA 和 t0=5 ms 的情况下，得到电流转移过程如图 6 所 示。在真空开关分闸后，由于电弧电流较大，仍能 维持电弧燃烧，电弧电流与转移电阻电流按照电弧 电导与转移电阻电导关系分流，在电流过零前(9.995 ms)电流转移完成，转移电阻的最大电流是在 te 的电流 i e，大约为 20 A。2 弧后电流测量装置2.1 测量装置系统组成弧后电流装置由真空断路器 VCB 、保护球隙 SG、转移电阻 Rsh 和电流传感器 TA1 构成，具体结 构如图 7 所示，其中真空灭弧室采用玻璃纵磁真空 灭弧室，其电压等级 10 kV 、开断电

26、流 20 kA，电流 传感器 TA1 采用安捷伦 1 147 A 电流探头，测量峰 值 30 A，带宽 50 MHz ，测量精度 1%15；弧后电流 测量处于低压侧，而且测量回路与试验回路无电气 连接，减少对测量设备造成的危害；转移电阻采用 康铜丝制成的无感电阻。2.2 真空开关 真空开关由纵磁透明玻璃真空灭弧室构成，采 用玻璃真空灭弧室是为了通过高速相机拍摄电弧图 像，以便知道电弧熄灭过程，进而验证电流转移过 程。由于纵磁真空开关的电压弧压较为稳定，一般 在 20 V 左右，有利于电弧电流由真空开关向转移电 阻的转移，避免转移过程不稳定。2.3 转移电阻 转移电阻是测量弧后电流的关键部件，根

27、据第1 节的分析选用阻值 10 ? 。转移电阻结构见图 8 所 示，康铜丝由绝缘套管封装，并由陶瓷端盖固定于图 4 te 与 gsh 的关系Fig.4 Relation curve of te and gsh图 5 te 与 t0 的关系Fig.5 Relation curve of te and t0图 6 电流转移过程零区图Fig.6 Zero region of current transfer绝缘套管两侧，一方面可以减小转移电阻的电感，另一方面，当测试断路器开断失败重燃时，康铜丝熔断，防止丝爆喷射。假设转移电阻消耗的能量 WRsh 转化为热能消3160高电压技术2015, 41(9)电流， 弧后电流测量装置可以测试合成回 路开断试验的弧 后电流，并能够承受重燃 电流。面面积 )。转 移电阻为 7.8 ? ，转移电阻温升为 349，尚未超出康铜丝适用范围。WRsh2I 2 R t cm sh(9)m V(10)V sl(11)R k