1　引言

　　由于系统及单机容量的不断增大，对发电机及变压器的可靠性有了更高的要求，同时为了简化电厂的运行操作，提高机组的可用率及核电厂的需要，越来越多的专家认为有必要采用发电机断路器。正是由于这种需要，从第1台发电机断路器诞生以来，它在世界范围内的使用已越来越广泛。我国也在沙角C厂等电厂的大型机组装设了发电机断路器［1］。发电机断路器目前以少油断路器和压缩空气断路器为主，从发展趋势来看，发电机断路器将以六氟化硫断路器和真空断路器为主。在这2种断路器中，从技术指标来看，目前六氟化硫断路器占优势，但是真空断路器有明显的价格优势，而且完全可能达到相应的技术指标，因此开发大容量的真空发电机断路器有良好的市场前景。发电机断路器需要具有承受大的额定电流与开断大的短路电流等能力［2］，而单个真空灭弧室很难同时满足这样的要求。目前世界上的大容量真空发电机断路器只有西门子公司生产，其中8BK41型的技术参数较高。西门子公司的解决办法是将1台参数较低的8BK40型真空断路器的三相并联起来，组成8BK41型断路器的一相，将这样的三相合成1个总体，共同承担大的额定电流和开断大的短路电流。为达到三相同步运行，采用同步控制装置和快速脱扣器达到［3］。这种方法对工艺要求较高，而且成本也高。本文提出1种新的解决方法，将承载大的额定电流的任务与开断大的额定短路开断电流的任务用2个并联单元，即真空灭弧室（VI）和真空隔离器（VD）配合完成。其中承载大的额定电流的真空隔离器拟采用梅花触头。这种方案实现起来要容易一些，而且易实现系列化。新型真空发电机断路器的工作原理为：正常工作时真空隔离器VD与真空灭弧室VI均闭合，此时额定电流大部分由VD通过。当发生故障时，VD先分开，当电流全部转到VI后，将VI打开，开断故障电流。电流能否转移及转移时间是这种方案的关键内容之一，本文设计了1个试验，对这种电流转移过程进行了模拟并作了理论分析。
2　试验系统和方法

　　试验的目的是要模拟真空发电机断路器的电流转移过程，由于电流很大，试验是在合成回路上进行的，试验接线如图1所示。

　　图中　Ci为合成回路电流源电容器；Li为电流源电抗器；K为主合闸开关。
　　当电容充电完毕后，将K闭合，就可将电流引入VD，VI支路。

　　真空隔离器VD是1种新型真空开关，正处于试制阶段，试验中用一真空灭弧室代替。由于试验中只对电流转移的原理进行模拟，因此这种代替是可行的。在试验中将电流分成9档进行测量，最大电流24kA。

3　电流转移试验结果与分析

　　对上述从小到大的9档电流进行电流转移试验，对总电流i，VD支路电流i1及VD上电压u1的测量结果表明，在本文的试验条件下，电流每次均能够成功且迅速地从VD支路转移到VI支路中去，典型示波图如图2所示。

　　图中总电流为11．8 kA正弦电流，VD支路电流为3．10 kA。触头在6．4 ms处分开。VD电流波形先按正弦规律变化，触头分开后，电流波形发生转折，从转折处到过零的时间约为1．20 ms。零点处电流波形有很小的波动，然后保持为零。VD电压波形起始处有一上升陡坡，上升到4．00 V左右呈正弦变化。在触头分开时，电压波形呈不稳定状态，然后迅速上升，出现1个脉冲，峰值约为12．5 V。在电流过零时，电压波形有1个微小波动，然后按正弦规律变化。
　　在真空发电机断路器分断过程中，2断口分开的时间差应大于电流转移所需的时间。在本文的条件下，电流转移时间为1～2 ms。

4　理论分析与仿真

　　在建立与电流转移过程有关的数学模型方面，Barkan P．［4］和陈轩恕［5］作了许多有价值的工作。他们的模型对于了解电流转移过程是有帮助的，但是这种模型有2个现象无法解释：①VD打开时为什么会起弧；②当开关VD打开时，为什么会出现电压脉冲波形。笔者在工作的文［4、5］基础上以拉普拉斯变换方法对现有的电流转移模型进行改进，并针对试验的典型情况进行求解和仿真。

　　用来分析电流转移过程的电路模型如图3所示。图3中，i为正弦电流源，i1为VD支路电流，i2为VI支路电流。R11和L1为真空灭弧室VD的等效电阻和等效电感，R12为分流器FL1的电阻与导线电阻。R2和L2为闭合触头对VI的等效电阻和等效电感，其中等效电阻R2包括导线电阻。

　　其运算电路如图4所示。首先把开关K当做1个理想开关，即K在0－时刻导通，在0＋时刻断开，这样在开关打开后可认为在断口处形成1个很大的阻抗，这个阻抗在图4中用Rh表示。与Rh相比，R11和R12均可忽略。对图4的运算电路列出方程如下

式中　U2为支路2上的端电压。

　　对式（2）进行拉普拉斯反变换，支路2上的电压u2（t）中有冲激函数出现
　u₂（t）＝k₁e^－At＋k₂cos（ωt－φ）＋k₃δ（t）    （3）

式中　k1，k2，k3，φ，A为与电路参数有关的系数。

　　这是由于当开关打开后，电感电流发生了跃变的缘故。由于开关打开后出现了冲激函数，因此可以解释图2中为什么VD打开后会出现与电流下降对应的电压脉冲波形。因而开关打开后有可能燃弧。这样就解释了前面2个问题。

　　现在把K作为1个实际开关来考虑，K打开时产生的电弧用其电弧电压代表。在图3中，把开关K用电弧电压Ea代替，用R1表示R11与R12之和，这样可列出电流转移过程的微分方程如下

　　为了得到式（4）中的各参数值，用实验方法进行测量。首先测量了电弧电压。对真空灭弧室通过一定的直流电流时，实验中为43．5 A，把灭弧室打开，产生1个直流电弧，由示波器读取数据得电弧电压为18 V。然后测量了电阻和电感。让灭弧室一直处于闭合位置，通过1个较大的正弦电流，实验中电流峰值为3．95 kA，用示波器测量试品上电压和电流波形，得到电压超前电流的相角及电压和电流的幅值，由此可计算出VD的等效电感为0．92μH，等效电阻为0．78 mΩ，VI的等效电感为1．00μH，等效电阻为1．64 mΩ。最后测量VD和VI支路电流占总电流的比例，可得出分流器电阻及导线电阻之和为3．44 mΩ。即

   E_a＝18V，R₁＝4．22mΩ，R₁₁＝0．78mΩ，

    R₁₂＝3．44mΩ，L₁＝0．92μH，

    R₂＝1．64mΩ，L₂＝1．00μH。

　　用式（4）对电流i1求解，并假设初始条件近似为i1t（0＋）＝i1t（0－），对图2情况的电流进行仿真，结果如图5所示。

    对支路1的端电压u1的求解可这样进行：当电流转移前　

　　对图2所示情况的电压仿真结果如图6所示。

    从图5和图6可以看出，仿真波形与试验波形较为接近。

5　结论
　　提出新的真空发电机断路器实现原理，将承载大的额定电流的任务与开断大的额定短路开断电流的任务用2个并联单元配合完成。在开断电流时，2个单元先后动作，完成操作任务。对采用新原理的真空发电机断路器2个单元先后动作时的电流转移情况进行试验模拟和理论分析，并针对典型情况进行了仿真。试验最大电流24 kA。试验结果表明，在本文所述的条件下，每次开断电流都能顺利转移，电流转移时间为1～2 ms。仿真结果与试验结果较为接近。

参考文献：

［1］　程朝辉．600 MW发电机组出口装设断路器问题的探讨［J］．华中电力，1999，12（1）：17－20．
［2］　刘志远，王季梅，苑舜．研制真空发电机断路器的技术问题及对策［J］．高压电器，1998，34（5）：40－44．
［3］　李建基．高压电器［M］．北京：机械工业出版社．1995．

［4］　李天和．大功率开关装置的物理基础与工程应用［M］．北京：电力工业出版社，1982．
［5］　陈轩恕，王泽文，邹积岩，等．真空断路器并联开断过程的实验研究［J］．高压电器，1998，34（5）：33－37．