真空直流开断固有介质恢复强度研究

为研究直流开断过程中触头开距、燃弧时间及电流过零时的di/dt对真空开关开断能力的影响,对真空开关分断之后的固有介质恢复强度进行了测量,即不加恢复电压下触头间隙介质的自由恢复过程。文中设计了永磁–斥力混合式快速机构,并采用转移强迫过零开断的方法,在合成回路实验系统中进行了真空小电流直流开断。搭建了用于测量弧后固有介质恢复强度的高压脉冲产生电路,在电流过零之后采用单电源高压脉冲放电法测量了不同触头开距、不同燃弧时间及不同di/dt下的触头间隙的固有介质恢复强度。研究结果表明:该文实验条件下的直流开断过程中存在一个临界开距,在此开距范围内,选择较快的分断速度和较短的燃弧时间,能够提高电流过零后电极间隙的固有介质恢复强度。同等开距同样的燃弧时间下,选择较低的反向电流过零频率能够提高电流过零后的固有介质恢复强度。     

新型直流真空断路器强迫换流分断特性

基于强迫换流原理的新型混合型直流真空断路器是解决高上升率直流短路电流分断难题的有效方式。获知短燃弧、短间隙条件下真空开关大电流分断特性是快速直流真空断路器的研制基础。利用合成实验平台,研究了采用Cu Cr50平板型触头的真空开关,燃弧时间数百微秒,触头开距不足2 mm的条件下,分断20 kA左右电流的介质强度恢复特性。实验结果表明:真空开关分断电流17 kA时,以110 A/μs的速率换流过零后,经过41μs的近似零电压阶段的恢复,可以成功抗受10 kV/mm的电场应力,但延迟击穿重燃现象时有发生;分断电流21 k A时,电场应力不足5 kV/mm时,便会发生击穿重燃。通过触头结构设计,使开关分离拉燃电弧时形成双柱乃至多柱电弧成为改善真空开关分断特性的可行方法。     

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。     

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.     

直流真空电弧强迫开断电弧形态

随着航空270V直流系统的应用,直流开关的需求逐渐增加。现阶段直流开关大多为空气开关,其开断容量较小,使用真空开关将对于提高开断容量具有一定优势。针对航空270V直流用短间隙真空灭弧室进行高频开断实验,研究了直流强迫开断的电弧电压、电流特性,分析了回路参数对直流强迫开断中平均电流变化率di/dt和弧后过电压dv/dt的影响。通过相同开断实验电流、相同电流变化率、不同触头结构情况下开断实验,分析了电弧直径动态特性。强迫熄弧过程中,平板触头电弧直径逐渐减小,纵磁触头电弧直径变化较小并在熄弧前迅速变化。针对不同电流实验,随电流升高电弧直径略有增加。起弧阶段,平板触头电弧直径随燃弧时间呈对数函数增加,而纵磁触头电弧直径基本保持不变。拟合得到平板电弧起弧时直径变化函数,随燃弧时间延长,平板触头电弧直径逐渐增大至大于纵磁触头电弧直径。     

低压断路器和接触器用真空开关管

一、概述真空开关管（又称真空灭弧室）以真空作为绝缘和灭弧介质,位于真空中的触头一旦分离,触头间将产生真空电弧。真空电弧依靠触头上蒸发出来的金属蒸气来维持,直到工频电流过零时,真空电弧的等离子体很快向四周扩散,电弧被熄灭,于是电流被分断。由于熄弧过程是...     

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。     

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。     

真空直流强迫过零开断过充特性

为研究过充对真空直流强迫过零开断的影响,基于永磁–斥力混合式快速机构和转移强迫过零开断方法,在合成回路试验系统中进行了真空小电流直流开断试验。通过搭建隔离式弧后电流测量装置及介质恢复强度测量装置,研究了过充条件下的截流电流、弧后电流及弧后介质恢复强度,得到了过充电压与前述3者之间的影响关系。研究结果表明:截流电流、弧后电流以及弧后介质恢复强度均随过充电压增大,换流频率对截流值和弧后电流的影响大于过充电压的影响,起主导作用。过充电压达到一定值后,出现第一过零点开断失败现象,在该文试验条件下,过充电压应控制在可开断成功的临界换流电容电压的4倍以内。     

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。     

基于智能模块的高压直流真空断路器研究

作为能源互联网重要组成部分的智能电网近年来发展迅速,其中高压直流输电以交流系统不可替代的优点,在可再生能源如风电与光伏发电集电网等方面具有广泛的应用前景。但目前为止,担负着控制和保护双重任务的核心组件——高压直流断路器自主研发仍存在技术瓶颈。该文通过高压直流短路开断的典型方案分析,提出了基于快速机构与联动关合的换流开断技术,给出由直流智能真空开关模块串联组成HVDC断路器的总体设计方案,为高压直流断路器的发展开辟一条新的路径。在直流真空开关分断过程分析中,分别利用连续过渡模型、Farrall公式、击穿统计特性对直流真空断路器电弧强迫过零点弧后介质恢复前期、中期及后期进行数值仿真分析,并采用对照分析方法分析介质恢复各阶段主要影响因素及其效应。该研究引用交流系统智能真空开关模块串联开断的成功经验探索HVDC短路开断新的路径,并给出了直流电弧分断过程的零区分析,可指导直流真空开关模块的开发。     

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。     

交流接触器最佳分断区域的探讨

为抑制交流接触器分断过程的电弧,以触头电压为研究对象,在大量试验的基础上对不同分断时刻触头电压的变化趋势及电流过零后的熄弧情况进行了研究。利用小波能量谱分析了不同电流、不同功率因数情况下交流接触器在电流过零前1 ms内不同分断区域的电弧电压能量时谱,统计和分析电弧电压第一次过零前后的变化趋势和特征。对交流接触器最佳分断区域进行探讨并提出以触头电压过零后300μs内的高尺度小波能量时谱最大值作为电弧重燃与否的判断依据。确定了电流过零前0.4~0.6 ms和0.9~1.0 ms两个最佳分断区域并提出了基于分断时刻tf及小波能量时谱幅值E4的交流接触器自适应分断控制策略。     

基于电流转移特性和磁吹的新型弧后电流测量装置研制

为满足断路器开断过程中弧后电流的高精度测量,该文提出基于电流转移特性和磁吹的新型弧后电流测量方法,通过实验研究真空电弧电流转移特性和磁吹对电流转移特性的影响,得到真空电弧电流转移特性和磁吹的影响规律。进而,设计新型弧后电流测量装置的结构和智能控制系统,在合成试验中新型弧后电流测量装置的分流电阻承受最大电流小于500A,并联真空开关在主电流过零前200μs电弧熄灭,验证了弧后电流测量装置的有效性。该装置测量带宽为15MHz,测量精度为0.3%,对并联真空开关控制精度要求低。实验结果表明新型弧后电流测量装置的有效性和准确性,为断路器弧后特性研究提供有效支撑。     

真空断路器用于直流开断研究综述

真空开关因为其耐压强度高、介质恢复速度快,在很多直流开断的场合,常采用真空开关作为基本开断单元,利用强迫过零的原理实现直流电路的开断。文中对真空开关用于直流开断方面的研究进行综述,包括强迫过零真空直流开断的原理分析,真空断路器直流开断能力研究,尤其是关键开断参数,如恢复电压的du/dt,电流变化率di/dt(包括电流下降阶段平均值以及电流开断时刻的瞬时值)以及开断电流幅值的极限及其相互关系;同时,对至今为止世界各国开发研制的典型直流开断装置的情况也进行了介绍;最后,对于未来真空直流开断在高压直流电网中的应用研究给出建议。     

高压跌落式熔断器过零延时灭弧结构设计

为开发能带负荷分合闸的高压熔断器,设计具有过零延时灭弧结构的10 kV高压跌落式熔断器,并对其开断过程展开研究。现有的熔断器带载分合闸时,触头间易产生电弧引起触头烧蚀,甚至发生电弧持续燃烧无法分断;串联高压硅堆后,相同条件下有载开断过程可靠性得到大幅上升,有效切断电弧能量注入,使触头间“零休”延长,错过弧后快速上升恢复电压,促进触头间隙介质绝缘恢复,对降低触头间隙击穿概率、改善弧后介质恢复特性十分有利。     

真空灭弧室零区剩磁补偿装置及效果

为研究纵磁真空灭弧室零区剩磁对电弧发展、弧后介质恢复强度的影响,建立10kV杯状纵磁触头真空灭弧室的暂态磁场模型,分析不同开距时零区剩余磁场分布和相位滞后情况,得到涡流对零区剩余磁场的影响规律。在此基础上,设计纵磁触头真空灭弧室零区剩磁补偿装置,该装置可实现脉宽0.5ms、磁场强度范围-50m T～50m T的自动补偿。搭建纵磁触头真空灭弧室零区剩磁补偿试验研究平台,通过高速CMOS相机拍摄电弧发展演变过程,采用弧后电流测量装置获得弧后特性参数,研究不同补偿磁场条件下的电弧发展过程、弧后电流和开断能力的影响规律。研究表明:电流为10kA时,杯状纵磁真空灭弧室零区剩磁为11.91～22.93mT,相位滞后为0.46～0.92ms,通过实验验证了零区剩磁补偿后开断能力提高了7.8%,所作研究为纵磁真空灭弧室触头优化和零区剩磁补偿提供了参考依据。     

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。     

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。     

真空开关开断单相感性小电流的操作过电压

本文介绍了真空开关开断单相感性小电流的试验方法和计算机模拟的计算方法。通过试验和模拟计算,获得了ZN—6/600真空开关有关截流、触头间隙击穿和电流高频过零熄弧的随机特性,分析了一些电路条件对真空开关开断感性小电流时的操作过电压的影响。