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高壓直流系統(tǒng)以其經(jīng)濟(jì)性、穩(wěn)定性和可調(diào)節(jié)性等優(yōu)勢，在諸多輸電領(lǐng)域具有良好的發(fā)展前景，基于換流原理的高壓直流開斷方法，通過在斷口疊加反向的高頻電流，使電弧電流過零后熄滅，是高壓直流開斷的有效方式之一。
經(jīng)典研究認(rèn)為高壓戶內(nèi)外真空斷路器開斷電流的極限在于其電流變化率di/dt，有學(xué)者通過多種換流支路參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗并得出結(jié)論：基于換流原理的高壓戶內(nèi)外真空斷路器的開斷極限由所開斷的電流值和換流時間決定。
有學(xué)者利用CMOS高速攝像機(jī)觀測了基于換流原理的高壓真空直流開斷過程中電弧的形態(tài)及轉(zhuǎn)移過程，結(jié)果表明當(dāng)注入同等的電弧能量，換流頻率選擇較低時，電流轉(zhuǎn)移時間變長，電弧形態(tài)演化較慢，有利于電弧熄滅后電極間隙介質(zhì)絕緣強(qiáng)度的恢復(fù)。但在開斷數(shù)十kA的大電流時，電極急劇加熱，在電極間隙將產(chǎn)生更多的金屬蒸氣和離子，相比電流轉(zhuǎn)移時間的影響，電流零點(diǎn)時刻的粒子密度更大程度上取決于開斷電流的大小。
目前基于換流原理的高壓直流真空開斷研究較多，但缺少換流投入時刻、換流時間與最小安全開距等換流參數(shù)的概念及細(xì)節(jié)的深究，結(jié)論也缺少足夠的論證。
隨著快速操動機(jī)構(gòu)的發(fā)展，機(jī)械式斷路器已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)快速開斷，技術(shù)更加成熟。基于換流原理的機(jī)械式高壓戶內(nèi)外真空斷路器，其換流時間與最小安全開距的配合是決定開關(guān)能否成功開斷的關(guān)鍵，最小安全開距是機(jī)械式高壓戶內(nèi)外真空斷路器設(shè)計的重要參考依據(jù)。此外，某種意義上可以認(rèn)為換流時間和最小安全開距是決定電弧熄滅后兩電極間的介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度的關(guān)鍵因素之一。
換流時間與換流電流幅值及電弧電流過零前電流變化率相關(guān)，二階微分方程無法解出含動態(tài)真空電弧特征的開斷過程。大連理工大學(xué)電氣工程學(xué)院、國網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院的研究人員，以基于換流原理的機(jī)械式高壓戶內(nèi)外真空斷路器為研究背景，定義并分析了換流時刻、換流時間、換流比等換流參數(shù)以及它們與最小安全開距的關(guān)系，通過直流開斷實(shí)驗分析不同換流參數(shù)對開斷性能的影響。
圖1 基于換流原理的機(jī)械式高壓戶內(nèi)外真空斷路器的基本結(jié)構(gòu)
圖2 直流開斷實(shí)驗回路
研究人員最后得出以下結(jié)論：
1）換流時刻選擇過早會導(dǎo)致電弧因觸頭開距不足而重燃，實(shí)驗條件下，換流頻率3kHz，開斷5kA直流電流，換流時刻最早約為0.193ms，最小安全開距約為0.60mm。
2）當(dāng)換流頻率和換流比一定時，隨著開斷電流幅值的增大，換流時間不變，斷口恢復(fù)電壓增大而介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度較低，對最小安全開距的要求近似呈線性增長。
3）當(dāng)換流比相同時，隨著換流頻率的增加，換流時間明顯縮短，加重開斷負(fù)擔(dān)。此時最小安全開距與換流電容預(yù)充電壓及斷口恢復(fù)電壓相關(guān)。
4）當(dāng)換流頻率相同時，隨著換流比的增加，對最小安全開距有更高的要求。
