1、第 41 卷 第 9 期：3156-3163高電壓技術Vol.41, No.9: 3156-31632015 年 9 月 30 日High Voltage EngineeringSeptember 30, 2015DOI: 10.13336/j.1003-6520.hve.2015.09.047基于電流轉移的斷路器弧后電流測量方法葛國偉 1,2，廖敏夫 2，程顯 1，趙巖 2，段雄英 2，鄒積巖 2（1. 鄭州大學電氣工程學院，鄭州 450000；2. 大連理工大學電氣工程學院，大連 116024）摘 要：斷路器的弧后電流是斷路器開斷性能的重要參量，為了獲取高精度、低干擾的弧后電流，本文提出了

2、一 種基于真空開關、轉移電阻、保護間隙和高精度電流傳感器構成的弧后電流測量方法，其中真空開關負責導通大 電流，在電流過零前電流轉移到轉移電阻上，然后利用高精度電流傳感器間接測量弧后電流。建立了弧后電流裝 置的電流轉移過程模型，分析了電流轉移完成時刻和轉移電流峰值受轉移電阻、電流大小和真空開關剛分時刻的 影響。基于仿真得到弧后電流測量裝置的參數，設計了弧后電流測量裝置樣機，對轉移電阻進行了特殊無感設計 并與保護間隙實現配合保護。最后進行了 10 kV 真空斷路器在合成回路試驗中的弧后電流測量，在開斷 5 kA 電流 時，弧后電流峰值為 500 mA 左右，脈寬 5 s，弧后測量干擾小，波形平滑。

3、對比試驗結果和前人研究成果，驗 證了基于電流轉移原理的弧后電流測量裝置的可行性和準確性。關鍵詞：電流轉移原理；弧后電流；轉移電阻；真空斷路器；真空電弧；開斷試驗Methods of Measuring Post-arc Current Based on Current TransferGE Guowei1,2, LIAO Minfu2, CHENG Xian1, ZHAO Yan2, DUAN Xiongying2, ZOU Jiyan2(1. School of Electrical Engineering, Zhengzhou University, Zhengzhou 450000, C

4、hina;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 the high-precision and low-interference post-arc current，we proposed a novel method for

5、 measuring post-arc current with a device composed of vacuum switch, transfer resistance, protective gap and high-precision current sensor. The main cur-rent I mostly flows through the vacuum switch while the main current completely transfers to transfer resistance just before the current approaches

6、 zero and the post-arc current is measured by the high-precision current sensor. The cur-rent-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 transfer resistance, current of main

7、circuit and the contacts breakaway time.Based on the simulation parameters, the prototype of post-arc current measuring device is set up. The transfer resis-tance is specially designed to make it noninductive and the coordination of protection is gained with the protective gap. The expereimental res

8、ults 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 and 10 kV, respectively. The e

9、xperimental 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 test0引言斷路器在開斷大電流時，電流過零后由于弧隙 間殘余等離子體，在暫態恢復電壓(TRV)的作用下， 存在弧

10、后電流。弧后電流是斷路器，特別是真空斷基金資助項目：國家自然科學基金(51277020；51407163；51477024)；中央高校基本科研業務費專項基金(DUT13TQ102)；中國博士后科學基 金(2014M552012；2015T80778)。Project supported by National Nature Science Foundation of China (51277020, 51407163, 51477024), Fundamental Research Funds for Central Universities (DUT13TQ102), China Postd

11、octoral Science Foundation (2014M552012, 2015T80778).路器開斷過程的重要參量，弧后電流可以用于判斷 斷路器的開斷性能1。SF6 斷路器的弧后電流一般在 12 A，而真空斷路器的弧后電流可以達到 10 A 甚至更高2-3。弧后電流的測量是國內外研究的熱點，弧后電 流的測量方法主要分為以下幾種：（1）最常用的方法是采用同軸分流器、機械 開關和保護間隙并聯，在大電流階段，電流由機械 開關導通，在電流過零前，電流轉移到同軸分流器 上，通過同軸分流器測量弧后電流。M. Murano 采葛國偉，廖敏夫，程 顯，等：基于電流轉移的斷路器弧后電流測量方法31

12、57用兩個真空開關作為機械開關，并且設計了差分測 量和示波器觸發電路4。Yanabu 采用此方法測量了 縱磁、橫磁和雙斷口真空斷路器的弧后電流5-6。 J. Mahdavi 提出了新型的基于斥力機構操動的帶絕 緣部分的觸頭替代機械開關，同軸分流器在電流過 零附近 600 s 導通，其余時間由觸頭結構導通電 流7。B.Blez 采用爆炸開關替代機械開關，大電流 由爆炸開關導通，在電流過零前，爆炸開關觸發斷 開，電流轉移到同軸分流器上8。G. C. Damstra 采 用光纖通信與數據處理方法對弧后電流測試裝置進 行了優化9。采用此方法測量弧后電流缺點是同軸 分流器阻抗與輸出信號大小之間的矛盾，高

13、阻抗分 流器可以獲得較大的信號，可以提高測量精度，但 電流的熱效應明顯，又影響了測量精度。機械開關 控制精度要求較高，在電流過零前較短時間分閘， 否則同軸分流器無法承受主電路大電流。（2）采用高阻抗、低熱容量的分流器直接測 量弧后電流，J. Kanumanns 利用同軸分流器(30 m)測量總電流和弧后電流，帶寬 22 MHz。采用此方 法無法滿足大電流弧后電流的測量10。（3）采用特殊設計的羅氏線圈測量弧后電流， KEMA 試驗站設計了 M-coil 羅氏線圈每匝并聯阻 尼電阻抑制共振頻率的干擾。采用羅氏線圈測量可 以實現非電連接，消除地回路的干擾，但是羅氏線圈信號需要經過積分處理等得到電流

14、波形，弧后電 流相對于時間的絕對值無法準確獲得11-12。針對傳統弧后電流測量的優缺點，本文提出了 一種基于真空開關、轉移電阻(無感電阻)、保護間 隙和高精度電流傳感器構成的弧后電流測量裝置， 無感電阻負責在電流過零前電流轉移到無感電阻 上，利用高精度電流傳感器在低壓側測量弧后電流。 弧后電流測量處于低壓側，而且測量回路與試驗回 路無電氣連接，減少對測量設備的造成的危害，轉 移電阻的特殊設計一方面可以減小轉移電阻的電 感，另一方面，當測試斷路器開斷失敗重燃時，康 銅絲熔斷，防止絲爆噴射。本文首先分析了基于真空開關、轉移電阻(無感 電阻)、保護間隙和高精度電流傳感器構成的弧后電流 測量裝置的工作

15、原理，建立了弧后電流測量裝置的電 流轉移模型，分析了真空開關分閘時刻、轉移電阻大 小和電流大小對電流轉移完成時刻和轉移電流峰值 的影響。最后確定了弧后電流測量裝置的參數，在此 基礎上設計了弧后電流測量裝置的樣機，進行了弧后電流的測試，對比仿真結果和前人弧后電流測量數 據，驗證了弧后電路測量裝置的準確與可靠性。1弧后電流測量原理1.1弧后電流測量裝置結構弧后電流測量結構如圖 1 所示，其中 VIa 是真 空開關，Rsh 是轉移電阻，TA1 是高精度小測量范圍 電流傳感器，用于測量弧后電流，SG 是保護球隙， i 為主電路電流，i1 為電弧電流，ish 為轉移電阻電流。 弧后電流測量原理見圖 2，

16、Utrv 為暫態恢復電壓，測 量原理是在大電流階段，真空開關閉合，由于真空 開關接觸電阻很小( 級)，大電流主要通過真空開 關；在電流過零前 t0 時刻，真空開關分閘，真空開 關拉弧，弧阻較大，電流由真空開關向轉移電阻轉 移，在電流過零前 te 時刻，真空開關電弧熄滅，主 電路電流由并聯轉移電阻承擔；當被試開關開斷失 敗時，重燃電流較大，轉移電阻上的電壓升高，SG 導通，重燃電流由 SG 導通。傳統的測量方法是采 用同軸分流器，但測量原理都是電流轉移原理。1.2弧后電流測量裝置原理分析弧后電流測量的核心是電流轉移過程，電流由 真空開關向轉移電阻轉移的時間為 t，t0 是真空開 關剛分時刻，te

17、 是電弧電流轉移完成時刻。轉移時 間 t 的大小決定了真空開關的剛分時刻 t0，而轉移 完成時刻 te 決定了流過轉移電阻的電流大小，轉移 電阻電流的大小一方面決定了電阻的功率，另一方 面也決定了弧后電流測量電流傳感器 TA1 的量程， TA1 量程的選取對測量弧后電流精度有限制。綜上 所述，為了得到弧后電流測量裝置的最佳的結構參 數，需要對電流轉移過程進行分析，分析轉移電阻 Rsh，電流幅值 Im，真空開關剛分時刻 t0 的影響。1.3電流轉移過程模型電流轉移模型如圖 3 所示，g 是真空開關電弧 電導，gsh 是轉移電阻電導，G 是真空開關，I 是正 弦電流源。真空開關電弧模型采用 May

18、r 電弧模圖 1弧后電流測量結構Fig.1Structure of the PACME3158高電壓技術2015, 41(9)型13，基于電路分析建立電流轉移過程的數學模型 見式(1)式(4)，其中 g 表示電弧電導，u 表示電弧 電壓，i1 表示電弧電流，P 表示電弧散熱功率， 表 示電弧時間常數，i 表示主電路電流，ish 表示轉移 電阻電流。式(1)是 Mayr 電弧模型，描述了電弧電 導 g 與電弧電壓 u，電弧電流 i1，電弧散熱功率 P 和電弧時間常數 的關系。當電弧功率 ui 大于散熱 功率 P，電弧溫度升高，電弧熱游離加強，電弧電 導增加，當電弧功率 ui 小于散熱功率 P，電

19、弧溫度 降低，電弧熱游離減弱，電弧電導減小，電弧趨于 熄滅，但由于電弧能量積累引起電弧溫度升高或者 電導增加需要一個過程，時間常數 就是控制參數； 式(2)是電弧電流與轉移電阻電流之間的分流關系； 式(3)是電弧電壓與電弧電導、電弧電流的關系；式(4)是主電路電流模型。1 dg=dln g=1(ui11)(1)g dtPdti1 = i g shu(2)u =i1(3)gi = I m sin(t)(4)將式(2)(3)代入式(1)得到電弧電導與主電路電圖 2弧后電流測量原理Fig.2Principle of post-arc current measurement圖 3電流轉移模型Fig.3

20、Simplified circuit of current transfer流 i 的關系見式(5)，綜合式(4)、(5)和電弧電導初值1.4 弧后電流測量裝置電流轉移特性g(0)即可建立電流轉移過程的模型見式(6)。利用 4弧后電流測量裝置的電流轉移過程主要受轉階 Runge-Kutta 對電流轉移過程的模型進行數值求移電阻電導 gsh 大小、主電路電流幅值 Im 和真空開解，即可得到電弧電導的變化關系。關剛分時刻 t0 的影響，而電弧電流轉移完成時刻 tedgguigi 2g2決定了流過轉移電阻的電流峰值 Ishm，轉移電阻的1dt = (P 1) = ( gP ( g + gsh ) 1

21、)=電流峰值 Ishm 決定了電流傳感器 TA1 的量程。選用gi 2g(1)(5)TA1 的量程越小，測量較小的弧后電流越準確。P ( g + gsh )2圖 4 是在 Im=10 kA 和 t0=5 ms 時得到的 te 與 gshi = I m sin(t)的關系，在 gsh<10 S 時，隨著 gsh 的增大，te 迅速減gi 2gdg小。在 gsh>10 S 時，te 趨近飽和，基本保持不變。d t = ( P ( g + gsh )2 1)(6)這說明在 gsh 較大時，電弧電流轉移到并聯轉移電= 1 000 Sg(0)阻上較快，然后電弧熄滅，電流由并聯轉移電阻承電流在

22、電弧電導與轉移電阻電導之間分配，由擔。傳統弧后電流測量采用同軸分流器(電阻在 m于真空開關電弧存在截流現象，一般截流值在幾安級)一般是這種情況，這就要求真空開關在電流過零左右14，在電流過零前，隨著電弧電導的減小，電前較短時間(一般 1 ms)分閘，對真空開關動作分散弧電流逐漸減小，當電流<2 A 認為電弧熄滅，另一性要求較高，而且通過分流器的電流較大，需要分方面測量弧后電流的電阻較小， 當電弧電導流器有較高的熱容量。在 gsh 較小的情況下，在真<0.000 01 S 認為電弧熄滅，因而得到電弧熄滅的判空開關分閘后，gsh 承擔的電流較小，主要電流由電據見式(7)和(8)。弧承擔

23、，在電流過零前，電弧電流熄滅，電流轉移i1 2(7)到轉移電阻上，這樣通過轉移電阻的電流較小，可g 105(8)以利用高精度電流傳感器測量弧后電流。本文采用葛國偉，廖敏夫，程 顯，等：基于電流轉移的斷路器弧后電流測量方法3159測試弧后電流的方法是后者，所以轉移電阻電導應該<10 S。在 Im=10 kA 和 gsh=0.1 S 時得到 te 與 t0 的關系見圖 5 所示，在 t0<9.6 ms 時，隨著真空開關剛分時刻 t0 的增加，電弧電流轉移完成時刻 te 基本不變；在 t0>9.6 ms 時，te 隨著 t0 的增加而迅速增加。在實際情況下，很難控制真空開關分閘時刻

24、在 9.610 ms之間，所以選擇 t0 在 210 ms 之間任意時間動作，te 總>9.69 ms，以 10 kA 電流計算，轉移電阻的最大電流是在 te 的電流 ie 大概為 3 A 左右，這對于測試弧后電流并確保其精確度提供了便利。圖 4 te 與 gsh 的關系基于弧后電流測量主要應用于斷路器短路開Fig.4Relation curve of te and gsh斷試驗中，短路開斷容量一般在幾十 kA，本文選用50 kA 作為最大測量范圍，在 gsh=0.1 S，Im=50 kA和 t0=5 ms 的情況下，得到電流轉移過程如圖 6 所示。在真空開關分閘后，由于電弧電流較大，仍

25、能維持電弧燃燒，電弧電流與轉移電阻電流按照電弧電導與轉移電阻電導關系分流，在電流過零前(9.995 ms)電流轉移完成，轉移電阻的最大電流是在te 的電流 ie，大約為 20 A。2弧后電流測量裝置2.1測量裝置系統組成弧后電流裝置由真空斷路器 VCB、保護球隙圖 5 te 與 t0 的關系SG、轉移電阻 Rsh 和電流傳感器 TA1 構成，具體結Fig.5Relation curve of te and t0構如圖 7 所示，其中真空滅弧室采用玻璃縱磁真空滅弧室，其電壓等級 10 kV、開斷電流 20 kA，電流傳感器 TA1 采用安捷倫 1 147 A 電流探頭，測量峰值 30 A，帶寬

26、50 MHz，測量精度 1%15；弧后電流測量處于低壓側，而且測量回路與試驗回路無電氣連接，減少對測量設備造成的危害；轉移電阻采用康銅絲制成的無感電阻。2.2真空開關真空開關由縱磁透明玻璃真空滅弧室構成，采用玻璃真空滅弧室是為了通過高速相機拍攝電弧圖像，以便知道電弧熄滅過程，進而驗證電流轉移過程。由于縱磁真空開關的電壓弧壓較為穩定，一般圖 6 電流轉移過程零區圖在 20 V 左右，有利于電弧電流由真空開關向轉移電Fig.6Zero region of current transfer阻的轉移，避免轉移過程不穩定。2.3轉移電阻絕緣套管兩側，一方面可以減小轉移電阻的電感，轉移電阻是測量弧后電流的關鍵部件，根據第另一方面，當測試斷路器開斷失敗重燃時，康銅絲1 節的分析選用阻值 10 。轉移電阻結構見圖 8 所熔斷，防止絲爆噴射。示，康銅絲由絕緣套管封裝，并由陶瓷端蓋固定于假設轉移電阻消耗的能量 WRsh 轉化為熱能消3160高電壓技術2015, 41(9)耗。式(10)和(11)是轉移電阻質量和體積的表達式， 式(12)是康銅絲電阻計算式16-17。根據表 1 康銅絲 材料參數和式(9)(12)計算結果選用康銅絲直徑 d 和長度 l 分別為 0.2 mm 和 0.5 m(s 為截面面積)。轉 移電阻為 7.8 ，轉