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摘 要：本文介绍了混合断路器技术发展的历史，对真空电弧与SF6电弧相互作用机理进行了分析，重点研究了混合电路器的动态绝缘特性，为真空灭弧室和SF6灭弧室串联混合断路器的技术研究和应用提供了参考依据。
关键词：真空灭弧室；SF6灭弧室；混合断路器；技术发展
1 混合断路器的发展历史
1893年，美国人RITTENHAUSE首先发现真空对交流电流有较强的开断能力；1938年德国人GROSSE V首次提出将SF6气体作为灭弧介质；1966年日本人KAMEYAMA S以专利形式提出HCB的概念，他将单个真空灭弧室和单个压气式灭弧室进行串联开断电流；1978年美国ITE帝国公司提出了将一个15kV真空灭弧室和一个72.5kV的SF6灭弧室串联构成的HCB用于承担121kV电压等级暂态恢复电压的设想，同年提出采用真空灭弧室和旋弧式SF6灭弧室串联组成混合式断路器的发明专利。
20世纪80年代至90年代，美、日、法等国的研究者对HCB进行了大量的实验研究：1980年美国的DETHLEFSEN R等人将15kV及以上电压等级的真空灭弧室与72kV及以上电压等级的SF6灭弧室串联组成模块式HCB应用于145230kV电压等级进行实验；1999年法国施耐德电气公司BERNARD G等人对HCB的连接结构进行了改进，在正常合闸状态下，电流主要流过初级回路，开断时混合断路器负责开断电弧，合闸时混合断路器负责引入电流，当引入电流后电流由HCB转移到初级回路。
进入21世纪，随着真空灭弧室开断容量的增加及SF6灭弧室结构的更加优化，混合式断路器技术的研究主要趋向于将真空灭弧室与SF6灭弧室串联。2010年大连理工大学也投入到HCB技术的研究当中，建立了HCB仿真模型，计算了其在电流开断过程两电弧的相互作用、暂态电压分布关系，分析得到了HCB两灭弧室相互作用的关键区间，并基于此研制了基于协调操动控制技术和操动机构自适应控制技术的HCB实验样机，通过实验验证了仿真结果的正确性。
2 真空电弧与SF6电弧相互作用机理
根据真空电弧与SF6电弧的灭弧特点可以了解HCB断开电流的原理知识，从而得到真空电弧与SF6电弧的相互作用的机理。当零后电弧熄弧时，有电流经过，SF6电弧的后阻值就根据SF6电弧灭弧室内时间的改变决定，SF6电弧灭弧室的时间变化遵守能量守恒关系。根据公式（1）可以知道，公式（1）中的Rg代表的是SF6电弧的后阻值，Tg代表的是SF6电弧室的时间数值，SF6电弧燃烧时的电弧的能量值由P表示，N代表的是SF6电弧室在燃弧时消耗的能量值。真空灭弧室在整个燃弧的过程中会产生电荷鞘层，所以真空电弧与SF6电弧之间关于彼此后阻值的关系无法使用能量守恒阐述，那么为了解释真空电弧与SF6电弧之间关于彼此后阻值的关系可以利用真空电弧室的后阻值与电弧的电压的比率来表示，电压与电弧后阻值的比可以计算出Rv、Rv0，根据二者的关系可以得出公式（2）
公式（2）中的Rv代表的是真空灭弧室的电阻值；Rv0是固定常数，T表示的真空电弧室的时间参数。公式（1）和公式（2）对电弧室燃弧与后阻值的简单计算，计算结果表明真空灭弧室在出现故障时，电弧室的电流一瞬间断开，同时真空电弧室的主要任务是恢复断开的电压。当真空电弧室弧后的电流不断降低，接近零电流时，SF6灭弧室的电弧会因为热击穿原因被熄灭，熄灭后的电弧会承担阻隔状态，恢复灭弧室的部分电压。我们可以根据真空电弧室电弧的扩散公式计算电弧离子的扩算密度公式、SF6电弧室模式建立HCB模型，通过建立HCB模型可以暂时建立灭弧室电磁仿真平台，通过录入各种灭弧室仿真数据，不断研究HCB模型的特点与容量变化特征。
对真空电弧与SF6电弧相互作用机理的分析，可以通过对两种不同电弧室灭弧的特征进行细致的分析，电流在经过零后真空室时，会出现快速的电弧离子扩散与组合的现象，真空电弧离子的运动速度远远高于SF6电弧离子运动速度。但真空在强电场作用下由于场致击穿和粒子碰撞的原因，其介质强度随着间隙长度的增长出现非线性关系影响绝缘能力，然而SF6在这方而恰具有较好的特性；真空灭弧室与SF6灭弧室同时开断电流情况下，SF6灭弧室的弧后电流远小于真空电弧。SF6电弧将阻比真空电弧中电荷的流出，使SF6灭弧室承担大部分初始的暂态恢复电压（（TRV），这不利于SF6气体的介质强度恢复。分析可知，真空灭弧室的主要作用为承担电流开断后的初始恢复电压，SF。灭弧室应承担恢复电压的峰值。两灭弧室电压分配关系不是定值，二者之间存在一个承担电压的交替区间。这个区间电压交替完成的质量决定开断容量的增益。
建立HCB等效电路模型在弧后电流过程真空电弧利用快速的介质恢复特性承担绝大部分初始恢复电压，其电弧阻抗为R，此时SF6介质强度恢复速度较慢仍有较小弧后电流流过，电弧阻抗R较小；但随着其介质强度的恢复R逐渐增加与真空灭弧室共同完成弧后电流开断。此后，灭弧室间电压分布由其断口间电容比值决定。
3 混合断路器的动态绝缘特性
HCB的动态绝缘特性主要指其开断电流后两断口的介质强度恢复特性和电压分布特性。当两灭弧室未并联均压电容时，真空灭弧室对地电容比SF6灭弧室小，开断过程后期真空灭弧室两端电压较高出现高频击穿放电，进而影响HCB开断特性，在真空两端并联非线性电阻可以有效的限制电压。
将传统72kV真空灭弧室与168kV SF6灭弧室串联进行开断实验，发现在开断电流过程中，如果开断电流值一定而、di的值超过某一极限时，开断将会失败，证明不成功的开断在一定程度上取决于、di比值而非恢复电压。认为真空灭弧室和SF6灭弧室串联组成HCB比多个真空灭弧室串联组成多断口真空断路器在承担瞬态恢复电压、断口间电压分布和操动机构同期性方而都更加经济可行；文同样实验证明HCB开断过程中的恢复电压初始值可由真空灭弧室承担，而较高的弧后稳态保持电压可SF6灭弧室承担；实验证明在短路电流过零前，SF6灭弧室能够（相比只使用真空灭弧室的情况）减小真空灭弧室的、di值，在电流过零后的5-us，真空灭弧室对延迟SF6灭弧室的瞬态恢复电压有积极作用，开断过程中，开断失败的主要原因是由于电流过零后10us内真空灭弧室发生重燃。
参考文献
[1]程显，段雄英，廖敏夫，陈建华，邹积岩.混合断路器大电流开断过程中真空电弧与SF6电弧相互作用的仿真[J].高电压技术，2012（6）.
[2]程显，廖敏夫，段雄英，邹积岩.基于真空灭弧室与SF6灭弧室串联的混合断路器动态介质恢复特性[J].电力自动化设备，2012（5）.
关键词：真空灭弧室；SF6灭弧室；混合断路器；技术发展
1 混合断路器的发展历史
1893年，美国人RITTENHAUSE首先发现真空对交流电流有较强的开断能力；1938年德国人GROSSE V首次提出将SF6气体作为灭弧介质；1966年日本人KAMEYAMA S以专利形式提出HCB的概念，他将单个真空灭弧室和单个压气式灭弧室进行串联开断电流；1978年美国ITE帝国公司提出了将一个15kV真空灭弧室和一个72.5kV的SF6灭弧室串联构成的HCB用于承担121kV电压等级暂态恢复电压的设想，同年提出采用真空灭弧室和旋弧式SF6灭弧室串联组成混合式断路器的发明专利。
20世纪80年代至90年代，美、日、法等国的研究者对HCB进行了大量的实验研究：1980年美国的DETHLEFSEN R等人将15kV及以上电压等级的真空灭弧室与72kV及以上电压等级的SF6灭弧室串联组成模块式HCB应用于145230kV电压等级进行实验；1999年法国施耐德电气公司BERNARD G等人对HCB的连接结构进行了改进，在正常合闸状态下，电流主要流过初级回路，开断时混合断路器负责开断电弧，合闸时混合断路器负责引入电流，当引入电流后电流由HCB转移到初级回路。
进入21世纪，随着真空灭弧室开断容量的增加及SF6灭弧室结构的更加优化，混合式断路器技术的研究主要趋向于将真空灭弧室与SF6灭弧室串联。2010年大连理工大学也投入到HCB技术的研究当中，建立了HCB仿真模型，计算了其在电流开断过程两电弧的相互作用、暂态电压分布关系，分析得到了HCB两灭弧室相互作用的关键区间，并基于此研制了基于协调操动控制技术和操动机构自适应控制技术的HCB实验样机，通过实验验证了仿真结果的正确性。
2 真空电弧与SF6电弧相互作用机理
根据真空电弧与SF6电弧的灭弧特点可以了解HCB断开电流的原理知识，从而得到真空电弧与SF6电弧的相互作用的机理。当零后电弧熄弧时，有电流经过，SF6电弧的后阻值就根据SF6电弧灭弧室内时间的改变决定，SF6电弧灭弧室的时间变化遵守能量守恒关系。根据公式（1）可以知道，公式（1）中的Rg代表的是SF6电弧的后阻值，Tg代表的是SF6电弧室的时间数值，SF6电弧燃烧时的电弧的能量值由P表示，N代表的是SF6电弧室在燃弧时消耗的能量值。真空灭弧室在整个燃弧的过程中会产生电荷鞘层，所以真空电弧与SF6电弧之间关于彼此后阻值的关系无法使用能量守恒阐述，那么为了解释真空电弧与SF6电弧之间关于彼此后阻值的关系可以利用真空电弧室的后阻值与电弧的电压的比率来表示，电压与电弧后阻值的比可以计算出Rv、Rv0，根据二者的关系可以得出公式（2）
公式（2）中的Rv代表的是真空灭弧室的电阻值；Rv0是固定常数，T表示的真空电弧室的时间参数。公式（1）和公式（2）对电弧室燃弧与后阻值的简单计算，计算结果表明真空灭弧室在出现故障时，电弧室的电流一瞬间断开，同时真空电弧室的主要任务是恢复断开的电压。当真空电弧室弧后的电流不断降低，接近零电流时，SF6灭弧室的电弧会因为热击穿原因被熄灭，熄灭后的电弧会承担阻隔状态，恢复灭弧室的部分电压。我们可以根据真空电弧室电弧的扩散公式计算电弧离子的扩算密度公式、SF6电弧室模式建立HCB模型，通过建立HCB模型可以暂时建立灭弧室电磁仿真平台，通过录入各种灭弧室仿真数据，不断研究HCB模型的特点与容量变化特征。
对真空电弧与SF6电弧相互作用机理的分析，可以通过对两种不同电弧室灭弧的特征进行细致的分析，电流在经过零后真空室时，会出现快速的电弧离子扩散与组合的现象，真空电弧离子的运动速度远远高于SF6电弧离子运动速度。但真空在强电场作用下由于场致击穿和粒子碰撞的原因，其介质强度随着间隙长度的增长出现非线性关系影响绝缘能力，然而SF6在这方而恰具有较好的特性；真空灭弧室与SF6灭弧室同时开断电流情况下，SF6灭弧室的弧后电流远小于真空电弧。SF6电弧将阻比真空电弧中电荷的流出，使SF6灭弧室承担大部分初始的暂态恢复电压（（TRV），这不利于SF6气体的介质强度恢复。分析可知，真空灭弧室的主要作用为承担电流开断后的初始恢复电压，SF。灭弧室应承担恢复电压的峰值。两灭弧室电压分配关系不是定值，二者之间存在一个承担电压的交替区间。这个区间电压交替完成的质量决定开断容量的增益。
建立HCB等效电路模型在弧后电流过程真空电弧利用快速的介质恢复特性承担绝大部分初始恢复电压，其电弧阻抗为R，此时SF6介质强度恢复速度较慢仍有较小弧后电流流过，电弧阻抗R较小；但随着其介质强度的恢复R逐渐增加与真空灭弧室共同完成弧后电流开断。此后，灭弧室间电压分布由其断口间电容比值决定。
3 混合断路器的动态绝缘特性
HCB的动态绝缘特性主要指其开断电流后两断口的介质强度恢复特性和电压分布特性。当两灭弧室未并联均压电容时，真空灭弧室对地电容比SF6灭弧室小，开断过程后期真空灭弧室两端电压较高出现高频击穿放电，进而影响HCB开断特性，在真空两端并联非线性电阻可以有效的限制电压。
将传统72kV真空灭弧室与168kV SF6灭弧室串联进行开断实验，发现在开断电流过程中，如果开断电流值一定而、di的值超过某一极限时，开断将会失败，证明不成功的开断在一定程度上取决于、di比值而非恢复电压。认为真空灭弧室和SF6灭弧室串联组成HCB比多个真空灭弧室串联组成多断口真空断路器在承担瞬态恢复电压、断口间电压分布和操动机构同期性方而都更加经济可行；文同样实验证明HCB开断过程中的恢复电压初始值可由真空灭弧室承担，而较高的弧后稳态保持电压可SF6灭弧室承担；实验证明在短路电流过零前，SF6灭弧室能够（相比只使用真空灭弧室的情况）减小真空灭弧室的、di值，在电流过零后的5-us，真空灭弧室对延迟SF6灭弧室的瞬态恢复电压有积极作用，开断过程中，开断失败的主要原因是由于电流过零后10us内真空灭弧室发生重燃。
参考文献
[1]程显，段雄英，廖敏夫，陈建华，邹积岩.混合断路器大电流开断过程中真空电弧与SF6电弧相互作用的仿真[J].高电压技术，2012（6）.
[2]程显，廖敏夫，段雄英，邹积岩.基于真空灭弧室与SF6灭弧室串联的混合断路器动态介质恢复特性[J].电力自动化设备，2012（5）.