真空断路器高频电流开断特性的影响因素和研究方法

对影响真空断路器高频电流开断特性的一些因素做了介绍。认为这些因素的综合效应决定了真空断路器的高频电流开断特性;电流在零值附近的变化率和触头间隙在电流开断后的介质恢复速率是影响真空断路器高频电流开断性能的决定性参数。并指出了利用计算机模拟的方法研究真空断路器高频电流开断特性的必要性。     

融合连续过渡模型与Helmer模型的真空断路器开断模型研究

真空断路器广泛应用于中压等级电网中,在频繁操作场景下易出现过电压问题,而真空断路器的弧后暂态过程直接决定了其分断特性和过电压特征。为解决现有真空断路器模型难以同时对其弧后过程和高频特性仿真的问题,该文搭建了融合连续过渡模型和Helmer模型的真空断路器开断模型,并通过试验和计算确定其仿真参数。以切除35kV系统用并联电抗器为例,研究该真空断路器融合模型与连续过渡模型和Helmer模型计算结果的差异。结果表明,融合模型能够同时考虑弧后介质恢复过程中重击穿和冷间隙重击穿现象;其弧后参数计算与连续过渡模型基本一致,高频开断特性和Helmer模型较为接近。通过分析高频开断过程中的鞘层生长和重击穿情况,可以得到引起真空断路器高频重击穿的主要原因。该文仿真结果验证了所提出的真空断路器开断模型的准确性,可为真空断路器高频分断条件下的弧后鞘层发展分析和重击穿原因判断提供参考。     

真空断路器弧后仿真模型及参数优化方法研究

弧后介质恢复特性直接决定了真空断路器的开断性能,对其进行建模与仿真有助于深入理解真空断路器的开断过程。笔者在PSCAD/EMTDC中建立了基于朗缪尔探针理论的真空断路器弧后仿真模型,克服了连续过渡模型在求解时易出现数值振荡和电流截断的问题;并实现了基于模拟退火—单纯形法的参数优化方法,可有效克服单纯形法存在的可能陷入局部极小值而无法达到预期优化目标的缺点。通过不同瞬态恢复电压下弧后电流的仿真结果和试验结果,验证了仿真模型及其参数优化方法的有效性。研究成果为真空断路器开断特性的研究提供了一种有效的方法。     

机械式真空直流断路器弧后电流测量研究

机械式直流断路器弧后特性是表征其开断性能的重要参数.为获得直流开断过程中真空开关弧后电流峰值与时间、电流零点附近的di/dt、du/dt等影响规律,该文首先分析基于电流转移的机械式真空直流断路器弧后电流测量原理,设计机械式真空直流断路器弧后电流测量装置参数,搭建基于强迫过零方式的机械式直流开断实验平台,测量开断电流为1.5kA情况下机械式真空直流断路器弧后电流,讨论换向频率和恢复电压对弧后电流的影响.研究表明,基于电流转移的弧后电流测量装置可以有效测量弧后电流,弧后电流随着换向频率和恢复电压的增大而增大,恢复电压在相位上稍滞后弧后电流约100ns,且换向频率对弧后电流的影响大于恢复电压的影响,为断路器开断性能的优化研究提供了参考.     

小开距下直流真空断路器介质恢复试验及分析

介绍了一种能在小开距下分断高上升率短路电流的方法,并就其真空介质恢复特性展开试验研究。设计了等效真空介质恢复试验方案,从燃弧能量与零电压恢复时间两方面对真空介质恢复过程进行分析,得到直流真空断路器短路分断控制方法的设计依据。研制了额定1 000V/800A直流真空断路器试验样机,可在小于1ms内成功分断上升率约为20A/μs的短路电流,并将电流峰值限制在8kA以内。试验结果证明了所提出的小开距下分断高上升率短路电流的方法有效、可行。     

真空断路器瞬态恢复电压与弧后电流相互作用仿真研究

为进一步理解真空断路器开断过程中的电流零区现象,仿真分析了真空断路器开断短路故障和切除电容器组时瞬态恢复电压(transient recovery voltage,TRV)和弧后电流的相互作用。在PSCAD/EMTDC中建立了基于Langmuir探针理论的真空断路器弧后电流仿真模型,仿真结果和试验结果相符,验证了模型有效性。仿真结果表明:开断短路故障时,是否考虑弧后电流对TRV没有明显的影响,弧后电流大小则与TRV上升率成正比;切除电容器组时,弧后电流对起始TRV有显著影响,但对工频恢复电压没有影响。此外,短路类型、短路点位置、短路合闸相角、系统等效电感、电容等网络参数对TRV和弧后电流也有很大影响。研究成果有助于分析不同工况下真空断路器面临的开断考验。     

系统故障参数对真空断路器开断性能影响的建模与仿真研究

建立了基于扩散型真空电弧开断的真空断路器黑盒模型。以电流过零点为界,针对燃弧阶段建立了电弧电压模型,并根据试验数据确定了相关系数;针对弧后介质恢复阶段建立了基于朗缪尔探针理论的弧后电流模型,不同瞬态恢复电压（TRV）上升率对应的仿真结果与试验结果一致。基于所建立的模型,采用不同的方法评估了短路电流直流分量造成的真空断路器等效开断能力下降倍数,结果表明：燃弧能量法进行评估时最苛刻,转移电荷法次之,电流有效值法最轻。采用弧后电导表征真空断路器的弧后介质恢复程度,结果表明：TRV上升率主要影响弧后1.5 μs以后的介质恢复速率,而过零前短路电流下降率仅影响初始弧后介质恢复速率。最后给出了部分系统故障参数对真空断路器开断性能的影响规律。     

模块化三断口真空断路器动态分压特性

为得到基于40.5kV光控模块单元的U型三断口真空断路器的动态分压特性,给合理选择均压措施提供参考,通过低压、小电流的合成开断试验测量了该断路器弧后瞬态恢复电压(transient recovery voltage,TRV)的分配特性。同时通过试验验证了串接大电容使均压电容兼作分压器用的TRV测量方法的有效性。而对大电流弧后三断口真空断路器的TRV分配特性,基于连续过渡模型在PSCAD/EMTDC中进行了仿真分析。试验和仿真结果表明:小电流开断时,TRV分配特性与静态电压分配特性相近,静态均压设计可满足小电流开断的要求;大电流开断条件下,各断口残余电荷参数的差异可能对TRV分配产生显著影响;进行动态均压设计时,需要考虑断口不同期可能导致的TRV分配不均匀程度增大的问题。     

中压混合式直流断路器真空短间隙介质恢复特性EI北大核心CSCD

为指导混合式断路器中真空开关与IGBT的智能配合策略,并提升IGBT的短脉冲开断裕量,对中压混合式直流断路器中真空短间隙的介质恢复特性进行了研究。分析了零电压型中压混合式直流断路器的工作原理,得到IGBT承担电流的时间取决于真空短间隙介质恢复特性的结论,采用等效实验方式搭建了真空短间隙介质恢复特性试验电路,利用脉冲电压测试电流转移完成后真空短间隙的介质恢复特性,研究了开距、电流幅值、电流下降率对真空介质恢复特性的影响。试验结果表明:在电流小于4 kA时,真空短间隙平均介质恢复速度主要由开距和电流下降率决定,并通过数据处理得到了真空短间隙的介质恢复特性的数学描述,为1.5~10 kV电压等级的中压混合式直流断路器快速可靠开断提供设计依据。     

基于真空灭弧室与SF6灭弧室串联的混合断路器

论述了基于真空灭弧室和SF6灭弧室串联的混合断路器开断能力提高的原理,分析了混合断路器两灭弧室的介质恢复过程。结合混合断路器开断能力提高的机理提出了混合断路器对其操动控制机构的要求,设计了一种基于真空灭弧室与SF6灭弧室串联的光控模块式混合断路器实验模型。实验模型能满足分析混合断路器中真空灭弧室与SF6灭弧室在不同时刻协同动作开断容量增益特性的要求,其协同动作时间分散性在微秒级。实验对比了SF6断路器与基于相同SF6灭弧室串联真空灭弧室的混合断路器短路电流开断能力,证明在不增加SF6气体使用量的前提下,混合断路器具有比SF6断路器更加优越的开断能力。     

基于低能量直流的真空断路器短路开断能力评估

针对目前真空断路器无法在现场进行短路开断能力评估的问题,提出一种利用低能量直流对真空断路器短路开断能力的评估方法。首先分析真空断路器的基本结构和电弧开断原理,得出工程实践中真空断路器开断故障电流失败的原因;其次使用小容量直流高电压、直流大电流模拟真实情况,在断路器触头间注入可控的直流电流和直流电压,通过检测断路器分闸过程电气量变化时间来评估断路器的极限开断能力。对安徽某变电站VS1-12真空断路器进行现场测试,结果表明低能量直流法能有效评估真空断路器短路开断能力,适合现场对断路器短路开断能力的筛查评估。     

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

真空断路器和SF6断路器串联的混合断路器,可有效利用真空和SF6气体两种介质不同的灭弧特性实现更大短路电流的分断。为研究两种电弧的相互任用,运用ATP软件及其TACS工具建立了系统实验仿真平台、12kV真空断路器与40.5kV SF6断路器的电弧模型;将仿真结果与实验波形结合通过数学方法分别求得实用的真空电弧和SF6电弧模型参数;搭建了实用真空电弧模型与SF6电弧模型串联的混合断路器模型。通过设定不同的系统仿真参数,研究开断过程中真空电弧和SF6电弧的相互作用及真空断路器与SF6断路器的分压关系;分析两断路器不同时刻分断的协同特性与介质恢复过程;量化研究混合断路器的断流容量增益特性。仿真结果证明,真空断口首先承担恢复电压有利于SF6断口的介质强度恢复;两断口间的电压分布关系主要由电弧电阻与断口间电容决定;在不增加SF6气体使用量的情况下混合断路器具有比SF6断路器更大的断流能力。研究结果为大容量混合断路器的设计提供了理论依据。     

基于真空灭弧室和SF_6灭弧室串联的混合断路器技术发展与研究现状

在归纳国内外高压开关研究现状的基础上,综述了混合断路器技术的发展历史与研究现状,分析了真空电弧与SF6电弧的相互作用机理,研究了混合断路器的动态绝缘特性并得到混合断路器中两灭弧室相互作用的关键区间,对比说明了现有混合断路器样机的结构及控制特点,阐明了进一步研究混合断路器技术亟需解决的主要问题。认为应尽快探明两灭弧室触头动作的最优控制策略,得出不同开断容量的SF6灭弧室与真空灭弧室串联后其开断容量增益曲线,为混合断路器的工业化应用提供重要的理论基础。     

Extending the Application Field of Vacuum Circuit Breakers to Generators for Capacities up to 400 MW

The progress that has been achieved in the development and manufacture of vacuum circuit breakers opens the possibility of using them for a wider range of applications at power plants, including as generator circuit breakers. Such characteristics of modern vacuum circuit breakers as increased breaking capacity and high switching life are factors that make them closer in competitiveness to SF6 circuit breakers for generators with capacities up to 400 MW. The article considers problem aspects relating to clearing of short-circuit faults in the generator voltage circuits and interruption of out-of-phase making currents and no-load currents of generator transformers. Conditions leading to a longer period of time to the moment at which the switched current crosses zero are considered. It is pointed out that, unlike the IEC/IEEE Standard 62271-37-013, GOST (State Standard) R 52565-2006 does not specify the requirements for generator circuit breakers in full. The article gives the voltage drop values across the arc for different design versions of vacuum circuit breaker contacts and shows the effect the arc in a vacuum circuit breaker has on the time delay to the moment at which the current crosses zero. The standardized parameters of transient recovery voltage across the generator circuit breaker contacts are estimated along with the contact gap electric strength recovery rates ensured by modern arc quenching chambers. The switching overvoltages arising when vacuum circuit breakers interrupt short-circuit currents and no-load currents of generator transformers are analyzed. The article considers the most probable factors causing the occurrence of switching overvoltages, including current chopping, repeated breakdowns of the circuit breaker contact gap, and virtual current chopping. It is found that, unlike repeated breakdowns and virtual current chopping, an actual current chopping does not give rise to dangerous switching overvoltages. The article also determines the vacuum circuit breaker application field boundaries in which dangerous switching overvoltages may occur that would require additional measures for limiting them.     

Relationship between current waveform just before current zero and interruption ability of high‐speed VCB

A high‐speed vacuum circuit breaker which forces the fault current to zero was investigated. The test circuit breaker consisted of a vacuum interrupter and a high‐frequency current source. A vacuum interrupter with an axial magnetic field electrode and a disk‐shaped electrode was tested. The arcing period of the high‐speed vacuum circuit breaker is much shorter than that of a conventional circuit breaker. The arc behavior of the test electrodes immediately after the contact separation was observed by a high‐speed video recorder. The relation between the current waveform just before the current zero point and the interruption ability was investigated experimentally by varying the high‐frequency current source. The results demonstrate the interruption ability and the arc behavior of the high‐speed vacuum circuit breaker. Effective current interruption is made possible by a low current period just before the current zero point, even though the arcing time is short and the arc is concentrated. © 2010 Wiley Periodicals, Inc. Electr Eng Jpn, 172(2): 20–27, 2010; Published online in Wiley InterScience ( www.interscience.wiley.com ). DOI 10.1002/eej.20915     

不同故障下串联谐振式FCL对高压断路器恢复电压的影响

为了使串联谐振式故障电流限制器(series resonance type fault current limiter,SRFCL)能在超高压电网中投入实际应用,采用电磁暂态仿真计算软件ATP-EMTP,研究分析了500 kV电网中在母联处加入串联谐振式FCL对高压断路器在开断不同短路故障时恢复电压的影响。计算结果表明:加入串联谐振式FCL后,当断路器开断出线端短路故障时,恢复电压上升率提高了18%,第一参考电压提高了2.6%。当开断近区故障时,90%额定短路电流和75%额定短路电流条件下,恢复电压起始部分的上升率分别下降了19.26%和25.6%,峰值分别下降了11.05%和15.73%。当开断母线短路故障时,串联谐振式FCL对母联上断路器恢复电压的上升率有显著的影响,加入之后恢复电压上升率比加入之前提高了13.1倍,第一参考电压提高了78.5%。在母线出现短路情况下,恢复电压上升率与第一参考电压的大幅提高将严重影响断路器的开断,在串联谐振式FCL的应用过程中需要加以考虑和解决。     

低压真空断路器的大电流开断技术

低压真空断路器具有无火灾爆炸危险、良好的环境适应性,以及寿命长、维护量小等一系列优点。低压真空断路器的开断能力与触头直径之间呈线性关系,其极限开断能力取决于电流过零时的触头表面温度。当它开断大的短路电流时,一般采用与电弧轴向垂直的横向磁场真空电弧控制技术,使集聚态真空电弧在触头表面上快速旋转,减轻时局部触头区域的烧蚀。在低压真空断路器中CuCr触头材料显示出最好的性能。低压真空断路器将在煤矿、化工、冶金、纺织、采矿等时断路器有较高环境要求的领域中占有一席之地。     

城市轨道交通1 800 V高速混合式直流断路器研制

为解决城市轨道交通直流牵引系统短路故障电流上升率高、短路峰值大、难以快速开断的问题,设计了1800 V/10 kA高速混合式直流断路器,并提出了其高速开断策略。高速混合式直流断路器整体方案选用零电压型混合式直流断路器拓扑结构,采用快速斥力机构提升断路器响应速度,重点对真空电弧电流转移特性、真空短间隙介质恢复特性与绝缘栅双极型晶体管(IGBT)短脉冲开断裕量等关键基础特性进行研究,得到上述关键特点的影响规律,基于此提出了混合式直流断路器高速开断策略和算法。研制了1800 V/10 kA高速混合式直流断路器,进行了初步实验验证,研究结果表明,高速开断策略可实现全分断时间小于2 ms,并通过理论推导得到IGBT短脉冲开断裕量可以达到5倍以上。     

高压开关设备的状态维修技术

金属开关柜柜内和手车触头温升、断路器机械特性及断路器触头电弧烧损是造成开关柜设备故障的重要原因,对它们进行有效的实时监测是实现开关设备维护方式转换的关键。介绍了CG2061型高压断路器触头温升在线测量系统原理及应用,永磁操动机构断路器远方监视技术及断路器触头电弧烧损监测技术。分析了断路器分闸动作时线圈电流波形与动铁心位移关系。列举了断路器短路开断电流与开断次数的计算方法。指出了将运行成熟的在线监测技术纳入设计和制造中,可以降低电器产品在线监测单元的安装费用,减少不必要工作。