Elucidation of Vacuum Arc Phenomena for Realization of Ultra-High Voltage DC Vacuum Circuit Breakers

2021 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 18H01419
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 21010:Power engineering-related
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: Kumada Akiko 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 教授 (20313009)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 稲田 優貴 埼玉大学, 理工学研究科, 助教 (00735532) ; 日高 邦彦 東京電機大学, 工学部, 教授 (90181099) ; 松岡 成居 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 助教 (10114646)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2021-03-31
• Keywords: 遮断器 / 大電流 / 直流遮断 / アークプラズマ / プラズマ温度

Outline of Final Research Achievements

We developed the system to measure the temperature distribution and particle (electron, metal vapor, and ion) density distribution of vacuum arc plasma with high temporal and spatial resolution, and measured these arc phenomena under the conditions of varying the composition ratio and microstructure of the alloy used for the electrode and the superimposed current waveform injected from an external circuit at the time of arc interruption. Arc phenomena were measured under different conditions. Although the accuracy of the electrode temperature measurement remained to be improved, we succeeded in visualizing the state of metal vapor supply at the current zero point and developed a model that qualitatively explains the vapor supply and diffusion in the arc interruption process.

Free Research Field

高電圧工学、放電プラズマ工学、電気器楽

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

真空遮断器の遮断の成否は、電流零点のアーク消弧時において、接点間に印加される再起電圧に対してアークが再発弧するかどうかで決まる。遮断動作時には、接点金属がアーク電流により加熱され金属蒸気や溶融金属液滴が噴出し、その金属蒸気内でアークプラズマが形成されるという、種々の物理現象が絡み合った複雑な事象が生じており、消弧・再発弧機構には不明確な点が多い。本研究においては、電極金属の蒸発とアークプラズマの相互作用を含めて真空アーク現象解明に資するデータを得、今後の遮断器の設計の高耐電圧化・合理化に理論的な指針を与えられると期待される。