混合型直流真空断路器小间隙下的分断特性

混合型直流真空断路器技术是舰船电力系统短路保护的有效方式,其换流参数的优化设计取决于真空灭弧室的分断特性。利用可拆卸真空灭弧室,研究了直径为45 mm 的CuCr50平板触头在直流3~5 kA,燃弧时间约为50μs,触头开距约0.5 mm 的分断过程中,灭弧室电流下降过零变化率di/dt对电弧性能的影响。实验结果表明：di/dt>90 A/μs时,灭弧室电流过零后继续流通;di/dt<60 A/μs 时,灭弧室电流过零截止,电弧熄灭,可以为介质恢复过程创造近似零电压的恢复条件。实验条件下,经过约50μs的近似零电压恢复过程,真空间隙介电强度恢复到静态耐压水平,击穿电压幅值主要受触头表面状态的影响。实验结果可以用于指导低压混合型直流真空限流断路器的研发。     

直流真空断路器大电流强迫换流分断特性分析与验证

基于有源强迫换流技术实现的直流真空断路器容易向中高压大容量场合拓展,是直流分断技术发展的重要方向。针对10 kV级直流真空断路器,进一步分析了大电流换流分断特性,并开展了换流分断过程的试验研究。研究结果表明:在燃弧电流峰值23 kA、电弧电流下降率300 A/μs条件下,真空断路器无法在电弧电流零点可靠熄弧分断,且真空间隙的弧后介质恢复过程存在一定的随机性和分散性。为了改善大电流弧后介质恢复特性,提出了串联二极管的直流真空断路器换流分断方案,利用二极管的反向阻断作用为大电流真空电弧提供一段"零休"时间。相同分断参数条件下的对比试验结果显示,在二极管反向阻断期间,尽管真空间隙可能会不断地重复进行"介质恢复–介质击穿–介质恢复"过程,但在此阶段的介质击穿不会导致电弧重燃,真空间隙最终均能在换流电容电压变为正极性前建立足够的介质强度,实现对直流大电流的可靠分断;同时在试验条件下,被试真空断路器弧后至少需要85μs才能完全恢复介质强度。     

基于人工过零技术的直流真空分断过程分析及验证

针对人工过零直流真空分断过程,分析研究了影响真空分断特性的主要因素,并通过试验样机对直流真空分断过程进行了验证。研究结果表明,通过提高直流短路故障识别及快速真空开关分断速度降低弧后触头间隙的初始金属蒸汽浓度,在快速真空开关支路串联饱和电抗器减小电流过零后的电流变化率,为快速真空开关并联阻容缓冲电路减缓弧后暂态恢复电压的上升过程,设计快速真空开关动触头的最佳位移曲线并确定最佳燃弧区间避免换流分断过程中产生阳极斑点,从而改善大电流真空电弧后介质恢复特性,提升分断性能。研究成果为开发工程实用的直流真空断路器奠定了实践基础。     

燃弧时间对混合型直流真空断路器分断特性的影响

利用可拆卸真空灭弧室,研究了直径45mm的Cu Cr50平板触头,在不同的燃弧时间下采用强迫换流法分断2~5k A直流的特性,通过高速摄像机对分断过程进行了拍摄。实验结果表明,分断引燃电弧的过程存在单弧柱和双弧柱两种情况。燃弧时间小于2ms,换流电流投入时,电弧有一定程度扩散但依旧为桥柱形状态。单弧柱情况燃弧面积小于电极表面,过电压作用下的重燃点多为原电弧引燃处;双弧柱情况电弧分布占据电极的面积增加,分断性能提高。燃弧时间大于2.5ms,换流电流投入时触头间隙中电弧已完全扩散且相对均匀,重燃点随机分布。结合前人对不同触头结构下电弧形态演化规律的认识,讨论得出横磁型触头结构适于直流分断的结论。     

混合型真空限流断路器短燃弧短间隙下的介质强度恢复试验研究

介质强度恢复特性是制定新型混合型真空限流断路器分断策略和设计其换流参数的重要参考依据。该文搭建了合成试验平台,对直径45mm平板CuCr50触头的真空灭弧室在直流20kA、短燃弧、运动短间隙下的介质强度恢复特性开展了试验研究。在触头以平均速度为3m/s分离的过程中,针对不同的燃弧时间,在电流以约为220A/μs的速率下降、强迫过零后的不同时刻施加上升率约为400V/μs的测试电压,以获得对应燃弧时间的介质强度恢复特性。研究结果表明:在100μs的燃弧时间内,触头间隙的介电强度均能以很快的速度恢复到静态耐压水平;燃弧时间增大到320μs时,触头间隙的介电强度很久不能恢复;燃弧时间继续增长,触头间隙是否被击穿具有不稳定性。由此得到了断路器的设计原则:在100μs的燃弧时间内,增大燃弧时间可使触头承压时的开距增加,提高真空灭弧室电流过零后的电压耐受裕度。     

基于改进型直流真空断路器弧后暂态仿真及介质恢复特性分析

应用于大电流、高di/dt分断环境的直流真空断路器,以绝缘恢复为主要特征的弧后暂态过程直接影响其分断特性.在鞘层发展过程中,弧后阴极表面电场强度及功率密度是引起电弧重燃的两种因素,为探究熄弧后真空断路器恢复电压变化规律,该文首先从提升弧后介质恢复能力的角度出发,在燃弧电流峰值约23kA、熄弧电流变化率约300A/μs的等级上先后开展不同试验方案,并在连续过渡型鞘层数学建模基础上做出一定修缮,引入触头开距动态变化过程和电弧有效直径变量,依据改进后电弧模型指导换流回路参数设计.最后将PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真与分断试验现象进行等价对比分析,显示试验过程中真空断路器弧后电弧重燃趋势与仿真结果较为贴合,且通过仿真结果可判定重击穿的类别,从而验证了改进后真空断路器弧后电磁暂态建模的精确性.     

混合型直流真空断路器触头技术——现状与发展

基于强迫换流原理的混合型直流真空断路器(hybrid direct current vacuum circuit breaker,HDCVCB)是直流开断技术的有效方式之一,其参数设计及开断能力决定于真空灭弧室的特性。介绍了混合型直流真空断路器的典型拓扑结构及其工作原理,对真空电弧理论和真空灭弧室触头结构的研究概况进行了阐述。分析了直流分断中电流波形与交流中的正弦波不同、电流下降率大、燃弧时间可控等特点,得到了其分断能力与换流电流投入时电弧形态和电极状态密切相关的结论。对不同触头结构下的真空电弧形态演化规律,不同条件下的真空灭弧室的强迫换流分断特性与介质恢复规律等实验研究工作进行了综述,最后对直流真空灭弧室的研发进行了展望。     

平板触头分离过程直流真空电弧形态与电压特性

基于强迫换流原理的混合型直流真空断路器是直流开断技术的有效方式之一,其参数设计及开断能力与电弧形态演化密切相关。利用可拆卸真空灭弧室,对直径为45?mm的CuCr50平板触头,在1~8?kA的近似恒定直流条件下分离过程中真空电弧的形态演化规律和电弧电压特性进行了研究。实验结果表明:触头分离初期,电弧集聚在电弧引燃处;随着开距的增加,电弧逐渐扩散。当电流小于5?kA时,电弧始终呈扩散型,电弧电压噪声较小;当电流大于5?kA,电弧能扩散到整个触头表面,但电弧初始引燃处多发展成阳极亮斑,且燃弧时间大于1.5?ms后,电弧电压噪声分量急剧增加。实验结果可以用于指导混合型直流真空负荷开关的设计。     

新型强迫换流型限流断路器真空介质强度的恢复特性

为了保证新型强迫换流型真空直流限流断路器关断短路电流的可靠性,对该型断路器分断过程的真空介质恢复特性进行研究。设计了与断路器关断过程等效的介质恢复试验方案,通过等效试验结果和理论推演公式的拟合,得到了新型强迫换流型限流断路器真空灭弧室触头打开过程的动态介质强度恢复规律。研究结果表明:减小燃弧能量、提高触头运动速度可提高真空灭弧室介质的临界击穿电压;综合考虑燃弧时间与燃弧能量及触头开距的关系,随着燃弧时间的增加,真空灭弧室临界击穿电压先减小后增大。所得介质恢复规律可以作为新型断路器优化设计的参考依据。     

高压气体断路器弧后电流特性的实验研究

弧后介质热恢复特性对断路器开断能力有着显著的影响,该文旨在通过实验手段研究不同因素对高压气体断路器弧后电流特性的影响。首先以126 kV SF6断路器为原型设计了实验样机,之后在不同触头分开时电流相位θ(20°、50°、80°),预期短路电流值I(12、18 kA)及腔体充气压力P(0.5、0.6及0.7 MPa)下进行了一系列开断实验,利用高分辨率的零区设备采集零区电弧电流。结果表明:间隙电弧重燃概率随θ增加而增大,当I=18 kA且P=0.5 MPa时,θ为20°时间隙未发生击穿,而θ分别为50°和80°时弧隙击穿且弧后电流的上升速率分别为1.03和2.08 A/μs;弧后电流及其上升速率随I的增大而增加,当θ=80°且P=0.6 MPa,I为12、18 kA时所对应的弧后电流上升速率分别为1和2.05 A/μs;当θ=80°且I=12 kA时,弧后剩余电流随着P的增大趋向于减小。气体的热开断能力与临界弧后电流存在对应关系,一定程度上可以考虑将弧后电流的临界值作为弧后热击穿的判据。