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丨科技

:論述

真空電弧過零熄滅后介質(zhì)恢復(fù)過程
的測試

研究弧隙的介質(zhì)恢復(fù)現(xiàn)象對(duì)所有開關(guān)電器來說 都具有十分重要的意義，對(duì)真空開關(guān)當(dāng)然也不例外。 當(dāng)真空開關(guān)在切斷工頻交流的過程中，在電流接近 正弦波的零區(qū)附近時(shí)，由于陽極斑點(diǎn)的不穩(wěn)定性， 可能在正弦波電流還未到達(dá)零點(diǎn)以前就熄滅，同時(shí) 電流將急劇下降到零。這時(shí)，盡管等離子體的發(fā)射 過程已經(jīng)停止，但間隙之間仍有殘余的離子、電子、 金屬蒸氣和一些微粒存在。在大電流時(shí)，電流過零 后電極還會(huì)向外蒸發(fā)金屬原子。這些殘余物質(zhì)需要 經(jīng)過一定的時(shí)間才能消失，而只有隨著殘余物質(zhì)的 逐漸消失，間隙才能承受較高的外施電壓。在實(shí)際 的電流切斷后間隙上會(huì)立即出現(xiàn)電壓的恢復(fù)過程， 如果間隙能承受住恢復(fù)電壓，就能順利地切斷電路， 否則，間隙將被恢復(fù)電壓擊穿而重新出現(xiàn)強(qiáng)電流的 電孤。因此，對(duì)間隙電強(qiáng)度恢復(fù)過程的研究，對(duì)實(shí) 際應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義。

對(duì)真空電弦過零后間隙電強(qiáng)度恢復(fù)過程的研 究，就是要找出觸頭材料、幾何尺寸、真空度和開 斷電流等對(duì)介質(zhì)強(qiáng)度恢復(fù)過程的影響，而要達(dá)到這 —目的，就必須對(duì)真空滅弧室中電弧媳滅后幾微秒 到幾百微秒內(nèi)的介質(zhì)恢復(fù)過程進(jìn)行測童。

在現(xiàn)有的測量方法中，一般就是將交流電源跨 接在被試真空滅弧室觸頭的兩端，讓其在分?jǐn)噙^程 中產(chǎn)生電弧。當(dāng)正弦電流過零（或接近過零）時(shí)切 斷電流，用快速開關(guān)隔離交流電源，然后將直流或 幾個(gè)微秒寬的脈沖電壓加到觸頭兩端，使真空滅弧 室的兩觸頭之間被擊穿。選擇在電孤媳滅后的不同 時(shí)間間隔將電壓加到觸頭兩端，并測得擊穿時(shí)的電 壓值，便可進(jìn)行大童連續(xù)的試驗(yàn)，以研究介質(zhì)強(qiáng)度 恢復(fù)與時(shí)間的關(guān)系。

在國外的一些文章中，對(duì)介質(zhì)強(qiáng)度恢復(fù)過程的 測童已給出了一定的數(shù)據(jù)和分析，但由于這些文 章并沒有給出具體的裝置實(shí)現(xiàn)方法，也沒有說明如 何解決測貴過程中所遇到的問題，因而對(duì)我們進(jìn)行

王季梅、李宏群（西安交通大學(xué)）

實(shí)際的研究并不能有很大的幫助?，F(xiàn)將我們在這方 面所做的工作介紹如下。

我們在進(jìn)行介質(zhì)強(qiáng)度測置的工作中，用我們實(shí) 驗(yàn)室合成回路⑵的電流源部分作為電源，向被試品 提供燃弧時(shí)所需的電流。圖1示出電流源的電路圖。 圖中，r為電容器組，每組電容量等于16800MF; 乙為電抗器，每組電抗值為603MH。通過投入L <7 并聯(lián)支路數(shù)的多少及充電電壓的大小，可以調(diào)節(jié)放 電電流，使之在1?60kA的范圍內(nèi)變化。放電電流 為50H_ZE弦電流。試驗(yàn)時(shí)，在被試真空開關(guān)IP觸 頭分開前先引入一個(gè)引弧電流,這由閉合開關(guān)S 1來 完成，其大小由電阻K來確定。一般調(diào)節(jié)引弧電流 在50A到200A之間。當(dāng)用呂₂短接電阻《時(shí)，預(yù)先 確定的正弦電流通過觸頭間隙。電流過零時(shí)電弧被 媳滅，整個(gè)電流波形如圖2所示。必須指出，與被 試真空開關(guān)串聯(lián)的快速隔離開關(guān)IS是與被試品同 時(shí)動(dòng)作的，當(dāng)電流過零時(shí)用它將被試品和電源分開。

圖1合成回路電流源部分

is—快速隔離開關(guān)_：IP—被試滅弧笮

圖2 試驗(yàn)中的電流波形

1 一引弧電流；2—預(yù)定的正弦電流

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圖4 脈沖變壓器磁心

圖7 幾套放電設(shè)備依次放電產(chǎn)
生脈沖時(shí)的主脈沖變壓器

真空電弧電流過零嫌滅后，觸頭間隙介質(zhì)開始
恢復(fù)，這時(shí)可將脈沖發(fā)生器所產(chǎn)生的脈沖電壓在一
定的延時(shí)后加在被試品兩端。對(duì)于恢復(fù)過程較短的
試品，可采用圖3所示的脈沖發(fā)生器。圖中，(:，和
C₁都預(yù)先充好電，當(dāng)晶闡管接到同步檢零及延時(shí)
裝置發(fā)來的觸發(fā)信號(hào)時(shí)就導(dǎo)通,使C,向脈沖變壓器
T,的黡邊放電。這樣在T,的明邊就會(huì)輸出一個(gè)較
離的觸發(fā)點(diǎn)火球篇的脈沖電壓，該電壓使點(diǎn)火球麒
G導(dǎo)通。這樣，就在主脈沖變壓器T_j的副邊得到一
個(gè)講變振蕩型的脈沖電壓。將該電壓加在被試品兩
纗，并使被試品擊穿，測得擊穿電壓的輻值，便可
得到該時(shí)刻的介質(zhì)理度。

Cl

圖3脈沖發(fā)生器

T,、T:—脈沖變壓器；

G—點(diǎn)火空氣球陳

主脈沖變壓器T_j是用鐵氧體環(huán)狀磁心繞制而 成的。在試驗(yàn)中將兩個(gè)相同的脈沖變壓器串聯(lián)使用 以減小變壓器線匝間的電壓值。磁心的尺寸如圖4 所示。在繞制脈沖變壓器時(shí)，要注意線租間和線匝 與磁心的絕緣問思。我們對(duì)幾種匝數(shù)比進(jìn)行了試 驗(yàn)，最后選定原邊為2 E,副邊為30匝，這樣在<：₂ 充電為8500V時(shí)可得到6〇kV的脈沖電壓。電壓的 波形如圖5所示。該波形的第一個(gè)上升沿約為30 kV/ns。

圖5空載脈沖變壓器輸出波形 第一個(gè)波®于第二個(gè)波是由于有初始*化，做幾次 脈沖后便可消失。照片中»形上部由于a出照相機(jī) 所拍范困而被截?cái)?o:p>

在上面已經(jīng)提到，這種脈沖發(fā)生器可用于恢復(fù) 過程完成較快的試品，因?yàn)檫@時(shí)若每一個(gè)半波都梢 間隙擊穿，只用一套放電設(shè)備便可得到恢復(fù)特性曲 線。這時(shí)的波形如圖6所示。如果我們只要單邊的 恢復(fù)電壓時(shí)，可在真空滅孤室兩端并聯(lián)一高壓整» 硅堆，這樣就可把相反的電壓短掉。

圖6前幾個(gè)波擊穿*后間篇的情況

對(duì)于恢復(fù)過程較長的試品（如幾百微秒以上） 可以在上述的脈沖變壓器原邊再加上幾套放電設(shè) 備，’這樣在不同的延時(shí)時(shí)刻使每一套放電設(shè)備依次 放電，便可得到幾個(gè)脈沖。這時(shí)脈沖變壓器的電路

如圖7所示。

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上面給出了現(xiàn)有脈沖發(fā)生雜的輸出脈沖波形，
該波形是一個(gè)振蕩型的，這主要是因?yàn)槊}沖變壓器
的原邊是用空氣點(diǎn)火間陳接通電路的。由于空氣點(diǎn)
火間s導(dǎo)通后的介質(zhì)恢復(fù)過程很鏝，a而期使c,和
T ₂長時(shí)間地接通。如果只要一個(gè)單脈沖（至少在擊
穿時(shí)是這樣)，空氣點(diǎn)$球«««必須用真空觸發(fā)間陳
來代替。            ，

在上述的整個(gè)過程中，最重要的就是如何將脈

沖發(fā)生器準(zhǔn)時(shí)投入使用。在我們的試膾中，是用電 壓比較器來檢測電流過零點(diǎn)，然后經(jīng)所需的M時(shí)后 觸發(fā)晶閘管。由于需要得典準(zhǔn)確的過零時(shí)刻，因此 必須使電壓比較器的標(biāo)準(zhǔn)靖的電壓足夠地小，且在 輸入的電路上不能加#1波器。這就產(chǎn)生一個(gè)非常嚴(yán) 重的問題，即誤動(dòng)作。因?yàn)樵谠?span id="yygsuuwme" class="29pt">tt時(shí)毎一個(gè)輔助開 關(guān)或較大的接觸器的動(dòng)作都會(huì)在電壓比較器的輸入 埔產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)使其翻轉(zhuǎn)，這也是在大電流場合期 電控制的一個(gè)難以解決的問鼉〇為了克服誤動(dòng)作， 我們根據(jù)實(shí)際的特殊情況設(shè)計(jì)了間步檢零延時(shí)電路 路，如圖8所示。

圖9同步裝置輸入墻的波形 A間為干擾信號(hào)

遲，這是由于ft體管、晶》管及點(diǎn)火間朦1»有一定 的鏟時(shí)。在我們的電賂中，從電流過零颺發(fā)出觸發(fā) 晶IW管信號(hào)之間的鱖時(shí)小于1*MS，ftM管的導(dǎo)通時(shí) 間小于IMS，點(diǎn)火間Ht導(dǎo)通的時(shí)間是不定的，一般 在1~20卵之間（這是根據(jù)所拍的照片來瘺定的， 這里認(rèn)為示波1»的K時(shí)可以ft略不計(jì))•>如果需要電 流過零后零點(diǎn)幾個(gè)微秒里的恢ft電壓，就必須在電 流過零前某一時(shí)》就使網(wǎng)步裝置動(dòng)作，這ttll事比 較ft雜的實(shí)IHHt和控M電路。

圖8間步檢零％時(shí)電路

現(xiàn)在根據(jù)輸入埔得到的電壓波形來分析電路的

工作。輸入端所得到的信號(hào)波形如田9所示，電流
信號(hào)前區(qū)間中的波形就是輔助開關(guān)動(dòng)作時(shí)產(chǎn)生的
千擾信號(hào)，它一般會(huì)引起同步裝置的誤動(dòng)作。但采

用圖8所示的電路后，就可防止這類干擾倌號(hào)的破
壞作用。當(dāng)電壓比較器輸入端有大于零的電位時(shí)，

電容器C•上就開始充電，只有C上的電壓被充至大
于穩(wěn)壓管W的穩(wěn)壓值時(shí)，在輸入靖電位小于等于零
時(shí)，電路的輸出端才會(huì)發(fā)出觸發(fā)脈沖。由于選擇了
適當(dāng)?shù)?span id="yygsuuwme" class="29pt">/f C值，使在時(shí)間內(nèi)C上的電壓小于穩(wěn)壓
管的穩(wěn)壓值。這樣雖然在r,內(nèi)有輸入靖電位為零的
時(shí)_，但并不發(fā)生觸發(fā)》沖，這樣就起鰂了抗干擾

的作用•這種電路也可用于其它大電Jt場合H電控              囲1〇實(shí)際所測的籌分波形

像齡情況                                               *〉鷹時(shí)約78ms丨b>鷹時(shí)約KMMa

^V⁰ ^^                                            O駑時(shí)的78ns丨d>嫌時(shí)約l〇4|ia

應(yīng)當(dāng)注童的是，控_電||中總有一定的時(shí)間延              ^e)      全長為80kV,    時(shí)麵,毎格

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