摘要 激光触发真空开关（LTVS）的电弧特性受外电路参数和触发材料的综合作用，影响其开断性能。该文基于可拆卸真空腔体搭建实验电路，改变电流频率、工作电压、电流峰值、电极结构及触发材料种类等因素，对比相

0 引言

随着真空开关技术的发展，真空开关成套设备如固体绝缘开关柜、气体绝缘开关柜在配电网已广泛应用，由于真空长间隙的饱和效应限制了其在高压领域的发展[1,2]，而环保要求日益迫切，目前很多研究者在寻求替代高压领域 SF6断路器的措施。多断口真空开关具有动态介质恢复速度快、静态击穿增益、操动功小、环保等优势，是未来高压开关的发展趋势之一[3,4]。

目前国内外研究者已在多断口真空断路器静动态绝缘特性、开断增益特性、动态均压及操动机构方面开展了较多的工作并取得了一定的成果。在此基础上，北京开关厂和西安交通大学等研制了基于72.5 kV真空灭弧室串联构成的126 kV双断口真空断路器[5]；大连理工大学研制了用于串联的光控模块式真空开关单元（FCVIM），并基于40.5 kV真空开关单元串联构成126 kV智能多断口真空断路器[6,7]；日本AE帕瓦株式会社研制了168 kV/2 000 A/40 kA罐式气体绝缘双断口真空开关[8,9]。但针对多断口真空开关磁场调控措施尚无深入、细致的研究。

目前常见的真空灭弧室的触头结构包括纵向磁场（Axial Magnetic Field, AMF）触头和径向磁场（Radial Magnetic Field, RMF）触头。电弧电流流过上述触头时，在真空间隙中产生AMF和RMF，用于调控电弧。在燃弧阶段，RMF驱使真空电弧在触头表面高速旋转，避免触头表面局部融化。AMF能够降低电弧电压，抑制高频振荡，避免阳极斑点的出现，防止集聚电弧的产生[10]。P. G. Slade[11]分析了AMF和RMF对电弧不同发展阶段的影响。其中，AMF对扩散电弧的作用机理为：AMF可以束缚等离子体沿着磁场方向做螺旋上升运动，进而减小了等离子体锥的重叠。随着 AMF的增强等离子体锥直径减小，重叠区域减小，电弧电压随着AMF的增加而减小。进一步增加AMF，等离子体锥不再重叠，分离成多个并联的独立等离子锥，等离子体锥的直径逐渐减小，等离子体锥内的碰撞造成能量损耗，进而造成电弧电压的增加[11-15]。

在大电流真空电弧阶段，AMF避免了真空电弧的集聚，进而避免阳极斑点及液滴等，并使得电弧转变为扩散电弧模式[16,17]。A. M. Chaly和H. C. W.Gundlach等[18,19]研究得到电弧电压与 AMF大小的关系，随着磁场的增加，电弧电压先减小后增大，并且存在电弧电压最小值点对应的磁场 BA*。AMF在燃弧阶段，驱使电弧等离子体沿着磁场方向螺旋上升运行，使得等离子体分布更加均匀，减小了电弧过渡模式的时间，进而进入扩散电弧模式，同时降低电弧电压。M. B. Schulman等[20]得到防止电弧集聚的临界磁场Bcir，Bcir＞3.2(Ip-9)。在前人的基础上，刘志远等[21]利用电弧图像判断阳极斑点，得到避免阳极斑点出现的临界磁场 ，所得到的临界磁场加入了触头直径参数的影响。AMF比RMF触头真空灭弧室有更大的开断能力，RMF灭弧室的弧后电流较大且分散性大[22,23]。

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以上研究主要以单断口真空断路器为对象，相关研究结果为多断口真空断路器的应用奠定了一定的基础。然而，由于多断口真空断路器是多个真空间隙串联而成，其布置方式、触头结构和磁场等条件对各个断口电弧形态演变规律、弧后动态电压分布与介质恢复过程也将产生较大的影响。目前针对多断口真空开关磁场调控的需求与机理研究较少，本文首先提出了多断口真空开关协同效应概念，基于协同效应，分析了多断口真空开关磁场调控目标与单断口真空灭弧室的区别。然后搭建了磁场调控试验研究平台，研究了不同脉宽、不同时刻AMF和横向磁场（Transverse Magnetic Field, TMF）对电弧发展及弧后特性的影响规律，并研究不同组合磁场对动态电压分布的影响，得到了多断口真空开关磁场调控的需求与机理，为多断口真空开关磁场调控措施优化设计奠定了基础。

1 多断口真空开关磁场调控需求分析

1.1 多断口真空开关协同效应概念

多断口真空开关协同效应的概念如图1所示，VI2和VI1为串联真空开关。燃弧阶段，由于多断口串联电弧的非同期性和电弧发展的随机性，各个断口电弧发展不一致，电弧模式、等离子体密度、温度及电极表面温度不可能完全相同，存在一定的差异性。尽管串联电弧的电流一致，但由于电弧发展不一致使得电弧电压不同，进而各个断口电弧注入能量不同。由于电弧记忆效应的作用，燃弧阶段各个断口电弧发展不一致必然引起零区微观特性的差异性分布。在零区阶段，各个断口零区微观特性包括残余等离子体密度、阴极斑点熄灭位置、阳极表面温度等存在差异。零区微观特性是弧后各种粒子迁移输运、鞘层发展过程的初始条件，其差异性分布影响弧后电流、电荷等弧后特性，阳极表面温度衰减和鞘层发展过程等，进而影响弧后动态电压分布于动态介质恢复强度，最终决定了多断口真空开关的开断能力。

图1 多断口真空开关协同效应概念
Fig.1 Synergy effect in multi-break VCBs

多断口真空开关协同效应的核心是燃弧阶段电弧发展、零区微观特性和弧后阶段的相互关联与影响。其中电弧记忆效应为燃弧阶段电弧发展与零区微观特性的纽带，零区微观特性为弧后阶段提供了初始条件。协同效应的调控目标是实现动态电压分布与动态介质恢复（动态绝缘）的协同，进而获得最大的开断能力。

基于上述协同效应的概念，可知多断口真空开关最根本的调控方式应该在燃弧阶段，比如磁场调控、非同期协同控制等，而弧后阶段通过均压措施改善电压分布特性的本质是补偿或者抵消燃弧阶段、零区差异性影响和杂散电容参数的影响。

1.2 多断口真空开关磁场调控需求分析

目前针对单断口真空灭弧室的磁场调控研究较多，常用的磁控触头包括AMF和RMF触头。当电流流过触头时，产生RMF或AMF，RMF驱使电弧高速旋转，避免了触头表面局部高温和熔融，AMF磁场使得真空电弧在触头间分布均匀，并避免阳极斑点、阳极熔池等现象。总之，单断口真空灭弧室的磁场调控目标是降低触头烧蚀、提高电气寿命和开断能力。基于多断口真空开关协同效应，多断口真空开关磁场调控的目标与单断口真空灭弧室有所不同，除了上述单断口的调控目标外，更重要的是控制串联电弧等离子体的一致性，避免零区特性的差异性分布对弧后动态电压分布及动态介质恢复特性造成不利的影响，实现动态电压分布与动态绝缘的协同效应。

终上所述，多断口真空开关磁场调控目标是通过对燃弧阶段串联电弧的调控，实现各个断口动态电压按照动态介质恢复强度分布，即实现各个断口的极限开断能力，进而实现多断口真空开关的最大增益。

2 多断口真空开关磁场调控试验平台

2.1 试验电路

双断口真空开关磁场调控试验回路如图2所示，其中Li和 Ci为合成回路的电流源，Lv和Cv构成合成回路的电压源，R0和C0为调频电路用于调节TRV的振荡频率，AB为辅助开关，CB为合闸开关，G为点火球隙，合成回路的容量为 110 kV/50 kA[24]。VI1和VI2构成双断口真空断路器试验样机，每个真空灭弧室通过亥姆霍兹线圈施加 AMF，均压电容CG1和CG2并联在双断口真空断路器两端，均压电容为400 pF，Pt2和Pt1采用泰克P6015A高压探头，其输入电容为3 pF，远小于均压电容，并用于测量双断口真空断路器开断后的总 TRV和低压侧的TRV。在高压侧真空灭弧室 VI2的弧后电流由新型弧后电流测量装置 PACME2、均压电容电流测量传感器 CTc2与光纤隔离数据采集系统 FTS构成，PACME2采用光纤通信智能控制系统实现高电位的智能操动，而为了提高光纤数据采集的精度，采用ISOBE5600隔离系统，该系统的带宽为20 MHz，传输速度为100 m/s。

图2 双断口真空开关试验电路
Fig.2 Test circuit of double-break VCBs

磁场调控研究试验样机如图 3所示，外加磁场由亥姆霍兹线圈产生，纵向磁场线圈与透明真空灭弧室同轴布置，如图3b所示；横向磁场与真空灭弧室垂直布置，如图3a所示，真空断路器样机采用永磁操动机构驱动。真空灭弧室为透明真空灭弧室，其额定电流为1 250 A，开断电流为20 kA，额定电压为 10 kV，真空灭弧室触头是 AMF触头结构，触头半径为22.5 mm。高速相机是Motion Pro X4，帧数为20 000 fps。

2.2 随意带负荷拉开分支线路隔离刀闸，或带负荷拉开配电变压器的高压跌落保险，造成刀闸间弧光短路而引发谐振。

图3 磁场调控研究试验样机
Fig.3 Prototype of VCBs with magnetic arc control

2.2 试验方法

脉冲磁场的施加时刻如图4所示，10.0 ms的AMF施加时刻与开断主电流保持一致，5 ms的AMF脉冲磁场峰值施加时刻分别在燃弧区间为5 ms和 0 ms。其中 t0、t1和 t2对应 5 ms的 AMF磁场调控时刻，topen对应真空开关分离时刻，IB1和IB2分别是周期10.0 ms和5.0 ms的脉冲磁场线圈电流，TRV为双断口真空断路器总暂态恢复电压，UVI2和UVI1分别是高、低压侧暂态恢复电压。控制双断口真空断路的燃弧时间为 7 ms，分别对双断口真空断路器的高、低压侧施加不同类型和不同时刻的AMF磁场，测量双断口真空断路器的电压分布及弧后电流，研究磁场调控对双断口真空断路器电压分布的影响。

图4 双断口真空开关磁场调控示意图
Fig.4 Schematic diagram of pulsed AMF arc control

试验研究过程分为两部分，首先研究不同脉宽、施加时刻的外加磁场EMF（AMF或RMF）对电弧发展及弧后特性的影响规律；然后通过不同组合的磁场调控研究磁场调控对动态电压分布特性的影响规律。

3 多断口真空开关磁场调控试验结果

3.1 磁场调控对电弧发展及弧后特性的影响

1）AMF磁场对电弧发展及弧后特性影响。

在电流为15 kA、TRV为18 kV、磁场线圈电流为45 A、脉冲AMF磁场强度为100 mT时，燃弧时间为7 ms，改变脉冲AMF磁场施加时刻，以电流开断零点为原点，脉冲磁场峰值与原点的时间差分别为6.8 ms、4.8 ms、2.8 ms和 0 ms，分别如图5a～图5d所示，I为主电流，TRV为暂态恢复电压，IB为磁场线圈电流，在开断过程中利用高速CMOS相机拍摄电弧图像，以便分析脉冲 AMF磁场不同时刻对电弧发展演变过程的影响。

图5 不同磁场调控时刻的开断波形
Fig.5 Waveforms of breaking test in different pulsed AMF control moments

高速CMOS相机设置为20 000 fps，即每50 μs拍摄一张电弧图像，图5试验过程中拍摄到的电弧图像如图6所示，图5试验波形与图6电弧发展演变过程一一对应，其中图6a～图6d分别对应的脉冲AMF 磁场施加时刻为 6.8 ms、4.8 ms、2.8 ms和 0 ms，而在电弧图像中的原点为12.95 ms或13.00 ms，所以对应的磁场施加时刻分别为 6.15 ms、8.2 ms、10.15 ms和12.95 ms。电弧模式由弧柱扩散电弧完全转变为扩散电弧的过程见图6中虚线框内的电弧图像，随着磁场施加时刻靠近零区，电弧由弧柱扩散电弧向扩散电弧的转变更慢，即在弧柱电弧模式时施加 AMF磁场更有利于电弧形态向扩散电弧转变，特别是在触头分离后，弧柱电弧模式（电弧过渡模式时）初期较强的 AMF磁场加速了电弧向扩散电弧转变。在零区时间AMF磁场，如图6d所示，随着工频电流的减小，电弧已完全转变为扩散电弧，零区 AMF磁场束缚了等离子体的扩散，将增加零区的残余等离子体密度。

图6 不同脉冲磁场调控时刻的电弧发展演变过程
Fig.6 Vacuum arc development in different pulsed AMF control moments

在磁场强度为 150 mT时，外电路参数保持不变，改变磁场施加时刻，得到了脉冲4 ms的AMF磁场施加时刻对弧后电荷的影响如图 7所示，tAMF表示脉冲磁场施加时刻。由图7 可知，磁场时刻越远离零区，弧后电荷越小，即零区AMF增加了弧后电荷，弧柱电弧模式 AMF磁场能够加速电弧模式向扩散电弧转变，进而有利于降低弧后电荷，提高弧后动态绝缘特性。

图7 脉冲AMF磁场施加时刻对弧后电荷的影响
Fig.7 Influence of pulsed AMF control moments on the post arc charge

2）TMF磁场对电弧发展及弧后特性影响。

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在TMF为100 mT时，电弧发展演变过程如图8a所示。在7.70 ms，弧柱电弧形成，然后在TMF磁场的作用下，随着电流减小，阴极附近电弧向左侧移动，阳极附近电弧向右偏转，增加了电弧长度。阴极附近的电弧运动方向与阴极斑点的倒退运动方向一致。在10.50 ms，电弧完全转变为扩散电弧模式，电弧熄灭过程，由于阴极斑点的倒退运动，电弧主要分布在触头表面的左侧，并且阴极斑点在触头表面左侧边缘熄灭。

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图8 同相位TMF对电弧发展影响
Fig.8 Influence of the synchronous TMF on the vacuum arc development

当TMF为200 mT时，电弧发展演变过程如图8b所示。在5.75 ms，金属熔融桥形成。在6.55 ms，金属熔融桥崩裂，弧柱电弧在7.75 ms形成并向右侧移动，弧柱电弧运动到触头边缘，运动方向与安倍力方向一致。在8.00 ms，金属蒸气电弧发展到透明真空灭弧室的玻璃外壳，在玻璃外壳上形成金属溅射区域，然后金属溅射区域逐渐增大，在9.45 ms，金属溅射区域最大，金属溅射区域温度较高，在电弧熄灭过程中仍然存在，阴极斑点最后在触头表面右侧熄灭。

在TMF为100 mT时，弧后电流如图9a所示，弧后电流峰值为0.29 A。在TMF为200 mT时，弧后电流峰值为1.40 A，弧后电流时间为6 μs，弧后电流远大于无BMF或BMF较小的情况，具体见图9b。这是由于弧柱集中在触头右侧局部，对触头表面烧蚀严重，特别是在零区附近，电弧熄灭过程较慢，造成零区残余等离子体密度更高。

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图9 同相位TMF对弧后电流影响
Fig.9 Influence of the synchronous TMF on the post arc current

3.2 磁场调控对动态电压分布的影响

双断口真空开关的电压分布不均匀系数为

制造业集聚与生产性服务业集聚形成的动因和集聚效应存在差异，在探讨产业集聚、技术创新与经济增长的关系时，本文采用分行业分析的实证策略：（1）分别检验制造业集聚、生产性服务业集聚与经济增长是否存在非线性关系； （2）引入制造业集聚、生产性服务业集聚与技术创新的交互项，分析其交互作用对地区经济增长的影响。建立模型 （1）～（4），具体回归结果如表1所示。

当 Kn=0时，表示各个断口电压分布均匀；当Kn＞0时，表示断口承受电压比平均电压高。

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在开断电流为10 kA，TRV为30 kV的情况下，磁场强度为200 mT，按照表1的磁场调控方式进行了双断口真空开关的开断试验，可以得到双断口真空开关断口间的电压分布情况，在无磁场调控的情况下得到的电压分布及不均匀系数分布如图10所示。电压分布不均匀系数的动态变化Kn是根据双断口真空开关实时电压分布由式（1）计算得到，并将电压分布不均匀系数分别表示为初始阶段电压不均匀系数Kn1和稳定阶段电压分布不均匀系数 Kn2。初始阶段电压分布不均匀系数由初始TRV峰值电压分布不均匀系数表征，而稳定阶段电压分布不均匀系数由衰减振荡结束后的电压分布不均匀系数表征[22]。

表1 双断口真空开关脉冲磁场组合方式
Tab.1 Combination of pulsed AMF arc control in double-break VCBs

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图10 初始阶段和稳定阶段电压分布情况
Fig.10 The voltage distribution and voltage unevenness without AMF arc control

双断口真空开关在不同磁场类型和不同调控时刻的双断口真空开关的磁场调控组合见表 1。上标a表示脉冲磁场（10 ms），磁场施加时刻在燃弧阶段，上标b1、b2分别对应燃弧时间5 ms和0 ms脉冲磁场（5 ms）的施加时刻的情况。

按照表1的磁场调控方式进行多断口真空断路器的开断试验，得到初始阶段和稳定阶段电压分布不均匀系数的关系，如图11所示，纵坐标表示电压分布不均匀系数，横坐标表示磁场调控的方式，其中图11a是初始阶段的电压分布不均度，图11b是稳定阶段的电压分布不均匀系数。由图11可知，不同磁场调控方式对初始阶段和稳定阶段的电压分布有着重要的影响。从图11a中初始阶段的电压分布不均匀系数情况可以看出，在无磁场调控的情况下，初始电压分布不均匀系数为 18.5%，即高压侧比均匀分布电压多承受 18.5%的电压，而且磁场调控方式2的效果最好，磁场调控方式6的效果最差。从图11b中可以看出磁场调控方式4的效果最好，磁场调控方式6的效果最差。综合初始阶段和稳定阶段电压分布的均匀系数可知，组合方式2是对双断口真空开关电压分布效果最好的磁场调控方式。

图11 不同磁场组合方式下电压分布情况
Fig.11 Initial and stable voltage unevenness with different AMF combinations

不同组合 AMF磁场对多断口真空断路器动态电压分布的影响机理为：AMF磁场电弧调控影响了零区特性，零区特性影响弧后电荷等弧后特性，而不平衡弧后电荷是造成多断口真空断路器电压分布不均匀的主要原因。然后分别从初始阶段和稳定阶段电压分布分析了不同组合AMF磁场调控的效果，以动态电压分布为调控目标，多断口真空断路器的最佳磁场调控方式是同相位AMF磁场。

4 结论

多断口真空开关磁场调控的机理为AMF磁场调控电弧影响了零区特性，零区特性影响弧后电荷等弧后特性，而不平衡弧后电荷影响动态电压分布。多断口真空开关的磁场调控的目标是通过对燃弧阶段串联电弧的调控，实现各个断口动态电压分布与动态介质恢复强度的协同，进而得到最大的开断能力。

研究了同相位AMF磁场、脉冲AMF磁场调控时刻对电弧发展演变过程及弧后特性的影响，在弧柱模式能够加速电弧向扩散电弧转变，进而降低弧后电流与电荷；在零区扩散电弧时，AMF磁场束缚了电弧等离子体的扩散，增加了弧后电流与电荷。

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磁场调控可以改善多断口真空开关动态电压分布，同相位AMF磁场可以获得较好的动态电压分布，但磁场调控对动态介质恢复特性的影响、动态电压分布与动态介质恢复强度的协同调控有待进一步的研究。