研究背景

SF6氣體具有優異的絕緣與滅弧性能，廣泛應用于110kV及以上電壓等級系統中，但 SF6氣體溫室效應、廢氣污染等問題限制了其長久使用，且國際上對低碳、減排等環保意識也在不斷增強，1997年《京都議定書》也明確表示將SF6列為限制排放的6種溫室氣體之一。因此，亟需尋求環保型氣體替代 SF6。

國內外研究學者針對SF6替代氣體進行了大量研究，其研究方向主要分為三類：①混合氣體；②合成氣體；③單一常規氣體。在眾多SF6替代氣體中，CO2被認為具有較大發展潛能。

CO2氣體雖發展潛能較大，但其動態介質恢復速度依然十分緩慢，針對 CO2氣體較差的介質恢復強度，本文以串聯晶閘管充當快速導通換流環節、以分閘電阻充當限流環節，提出了采用串聯晶閘管與限流電阻串聯的電流轉移提升CO2氣體斷路器動態介質恢復強度的方法。

論文所解決的問題及意義

綜上，針對CO2氣體較差的介質恢復強度，本文以串聯晶閘管充當快速導通換流環節、以分閘電阻充當限流環節，提出了采用串聯晶閘管與限流電阻串聯的電流轉移提升 CO2氣體斷路器動態介質恢復強度的方法。

首先對基于電流轉移的CO2氣體斷路器結構與工作原理進行介紹，而后基于相關文獻數據，利用暫態分析軟件 ATP-EMTP對基于電流轉移的CO2氣體斷路器進行開斷仿真測試，在此基礎上搭建試驗平臺對基于電流轉移的CO2氣體斷路器動態介質恢復特性開展試驗研究，獲得不同提前過零時間下CO2氣體斷路器動態介質恢復強度，討論不同提前過零時間下 CO2氣體斷路器動態介質恢復強度增益效果，選取 “最優”轉移電阻及相應的“最優”提前過零時間實現CO2氣體斷路器“最優”動態介質恢復強度。試驗結果可為大容量CO2氣體斷路器研制奠定基礎。

基于電流轉移的CO2氣體斷路器試驗樣機

論文方法及創新點

（1）提出了基于電流轉移的CO2氣體斷路器的拓撲結構，并對其工作原理進行分析，在CO2氣體斷路器開斷過程中，由于轉移支路在主電流過零前完成了電流轉移，即CO2氣體斷路器在電流過零前電弧熄滅，提前過零為CO2氣體斷路器創造了大于幾百微秒的動態介質恢復時間，可大大提高主電流過零后的動態介質恢復強度，進而提高其開斷能力。理論分析了基于電流轉移的CO2氣體斷路器的可行性。

（2）基于電磁暫態仿真軟件ATP-EMTP搭建了CO2氣體斷路器開斷仿真模型，進行了有無電流轉移時CO2氣體斷路器開斷仿真測試。經過仿真結果對比可知，增加電流轉移可為主開關創造幾百微秒介質恢復期，可彌補 CO2氣體斷路器較差的介質恢復強度，故仿真結果足以證明增加電流轉移可在一定程度上提高CO2氣體斷路器動態介質恢復強度。

（3）搭建試驗電路，對有無電流轉移時CO2氣體斷路器動態介質恢復特性進行測試，通過試驗驗證了其可行性；并探究了不同轉移電阻對CO2氣體斷路器動態介質恢復強度的影響規律，得到了200~250mΩ轉移支路電阻為“最優”轉移電阻，CO2氣體斷路器提前過零時間 0.8~1.2ms為“最優”提前過零時間，可實現CO2氣體斷路器“最優”動態介質恢復強度。試驗結果可為大容量 CO2氣體斷路器研制奠定基礎。

結論

（1）仿真分析得到：無電流轉移時，CO2氣體斷路器在第一個過零點開斷失敗；增加電流轉移后，CO2氣體斷路器在電流過零前400μs轉移完成，最終開斷成功。可見增加電流轉移可在一定程度上提高CO2氣體斷路器動態介質恢復強度。

（2）對比試驗結果可知，無電流轉移時，CO2氣體斷路器在電流過零后1ms其耐壓水平不足10kV；增加電流轉移后，CO2氣體斷路器動態介質恢復強度隨提前過零時間增加逐漸增大。在電流轉移創造的1.2ms提前過零時間下，電流過零后1ms時其耐壓水平已達20kV以上，基本為無轉移情況2倍以上，已基本滿足一定的絕緣要求。可見增加電流轉移可大大提高CO2氣體斷路器動態介質恢復強度。

（3）通過不同轉移電阻大小對CO2氣體斷路器介質恢復特性影響，建議選取200~250mΩ轉移支路電阻為“最優”轉移電阻，此時CO2氣體斷路器提前過零時間0.8~1.2ms為“最優”提前過零時間，可實現CO2氣體斷路器“最優”動態介質恢復強度。試驗結果可為大容量CO2氣體斷路器研制奠定基礎。

作者和團隊介紹

程顯教授

程顯，博士，鄭州大學電氣工程學院教授、博士生導師，河南省輸配電裝備與電氣絕緣工程技術研究中心主任。主要從事高壓斷路器開斷與電弧等離子調控技術、新型電力開關裝備開發及其高可靠性應用等研究工作。近5年主持國家自然科學基金項目、中國博士后特別資助項目、國網公司科技項目子課題、河南省國際科技合作項目十余項，研究成果獲河南省科學技術進步獎1項、河南省科學技術普及成果獎1項河南省第四屆自然科學學術獎1項、河南省教育廳科技成果獎2項；發表論文70余篇(SCI、EI檢索50余篇)，獲專利授權8項；獲河南省優秀博士后研究人員、河南省電機工程優秀青年工程師、河南省高等學校青年骨干教師等榮譽多次。社會兼職包括：國家自然科學基金面上項目評議人、教育部專業學位水平評估論文評價專家、中國電工技術學會等離子體及應用專委會委員、中國真空學會《真空科學與技術學報》理事、河南省電機工程學會高電壓與輸變電專委會委員。

鄭州大學輸配電裝備與電氣絕緣科研團隊依托河南省輸配電裝備與電氣絕緣工程技術研究中心、河南省智能電力裝備與系統控制工程實驗室等研究平臺，長期從事高壓智能電器、電力設備絕緣監測、環保型開關電器、高電壓放電等離子體應用、電弧建模與診斷、中壓直流開斷技術等方面的研究工作。現有教授高工1名，教授1名，副教授2名，講師2名，博士研究生2名，碩士研究生30名。近年來課題組先后獲得國家自然科學基金、中國博士后基金、國家重點實驗室基金、河南省科技項目、國家電網科研項目資助。