基于PSCAD/EMTDC电力变压器有载调压仿真研究

传统机械式有载分接开关存在切换过程中产生电弧、动作速度慢等问题。为解决这一问题,需研究新型无弧有载调压分接开关。本文在PSACD/EMTDC中建立机械式有载分接开关和电力电子式有载分接开关模型,对两者的调压过程进行分析比较,计算出两种方式下有载调压过程中的能量损耗,为新型有载分接开关的研究提供了参考。     

充油密封容器内电弧对燃弧压力产生特性的影响

变压器在超、特高压输电系统中占有重要地位，变压器油箱内部电弧放电产生的过压使得变压器爆燃发生成为可能，严重威胁电网的安全稳定运行。为了探究大电流条件下电弧特征参量对燃弧故障压力产生过程的影响规律，基于自主建立的首个变压器网侧升高座电弧故障真型模拟试验平台，开展了不同油箱模型、电弧电流与电极间隙等条件下电弧故障真型模拟试验。实现了对升高座筒体上压力数据的采集，获得了不同电流与电极间隙距离的升高座内部压强时域变化曲线。基于试验研究，揭示了大电流下电弧特征对故障燃弧放电压力产生影响的物理机制，提出了升高座内部压力峰值与电弧放电功率之间的关联数理模型，给出了升高座防爆设计的试验和理论依据，推动了变压器防爆设计技术的发展。     

电力变压器无弧有载调压方案

利用传统机械式有载分接开关进行有载调压的过程中产生电弧、污染绝缘油。为解决上述问题,需研究新型无弧有载调压方案。本文在总结相关技术经验的基础上,提出电力变压器无弧有载调压解决方案,介绍了调压过程,建立了PSCAD仿真模型,给出了仿真波形。通过理论和数据分析验证了此新型无弧有载调压方案调压过程无弧、可靠。     

放电电弧电磁力计算与气体开关电极机械性能的选择

当气体火花开关闭合时,开关电极之间会产生强烈的大电流电弧,电极内部开始有电流流动。电弧电流产生的磁场和电极中的电流相互作用会产生强大的机械力冲击电极表面进而影响开关的性能。本文计算了开关电弧对电极的电磁冲击力,并对开关电极材料机械性能的选择提出了建议。     

基于爆炸波及能量平衡理论的大电流冲击电弧的冲击波超压作用分析

大电流冲击放电电弧对电极和临近物体会产生很强的冲击力。以吉瓦–百千安级气体开关为例,结合爆炸波理论和电弧通道能量平衡方程,研究讨论了电弧对电极的冲击波超压以及冲击波超压在传播过程中的衰减特性,给出了电弧通道能量不再转化为冲击波的分界点。分析计算表明,冲击放电电弧膨胀产生的冲击波超压与电弧电流上升率(di/dt)密切相关,冲击波超压会经历先缓慢衰减、后迅速衰减的过程。通过调节气体开关的电极间距以及充气气压,能够减少电弧冲击波作用于电极表面的超压。     

弧隙间距对故障电弧特性影响的试验研究

按UL1699标准搭建了试验平台及采集故障电弧测试数据,重点针对电阻性负载下的故障电弧产生与弧间距之间的影响进行了试验研究。比较了不同弧隙间距对于电弧突变电压峰值和电流零休时间的影响,为故障电弧的产生和分析研究提供了试验支撑。     

H_2和空气下的直流开断电弧的燃弧特性分析

为解决航空电器要求体积小、重量轻、开断容量大的问题,选用H2和空气开关电器样机进行试验研究,建立直流开断试验电路,分析不同气体下直流电弧的电弧电压、电流波形、燃弧时间特性,电弧能量特性及电弧相转变过程。试验结果表明,H2比空气开关电器燃弧时间短、灭弧能力强,具有应用于航空供电系统的优势。     

碳电极交流电弧伏安特性的实验研究

交流电弧伏安特性是电器开关能够可靠熄弧的关键所在。本文首先借助电弧发生装置完成了空气介质中碳材料交流电弧电压和电弧电流的测试,进而应用小波分解与重构方法获得了电弧伏安特性的数学描述。并以能量平衡原理阐释了交流电弧零休与燃弧期间的物理过程。针对实验中零休期间电弧电流为非零恒定值的现象,提出并证明了零休期间电弧可等效为恒定电容的结论。最后实验研究了电源电压和电极开距参数对起弧电流和零休时间的影响。所得结论可应用于电器开关熄弧过程中等效电路模型及暂态响应分析。     

小电流下弧根运动对空气直流电弧的影响

阴极弧根为电子发射的主要区域，弧根的运动对空气直流电弧等离子体特性有重要意义。通过电极旋转驱动阴极弧根运动，实验观测得到电极旋转情况下空气直流电弧拉弧过程电极表面烧蚀情况、扭曲的弧柱形态，同时提取并对比了直线拉弧和旋转拉弧的电弧电压上升曲线。参照临界电流试验条件，建立小电流下平行电极间三维电弧仿真模型，探究在小电流情况下，自由燃烧态电弧的演变过程。仿真结果表明：阴极弧根运动使得发射后极间带电粒子空间分布变化，间隙放电通道改变，电弧的最大温度值降低；当电弧放电通道不稳定时，极间电弧电压出现波动，电弧能量包络空间相对变小，间隙中高能粒子较少，有利于电弧能量的空间逸散。     

机电混合式有载分接开关电弧电流转移过程

为阐明电弧电流转移的过程、机理和影响因素,确定不同半导体器件转移电弧电流的差异,针对机电混合式有载分接开关测试平台进行了试验研究。在理论分析影响电弧电流转移速率关键参数的基础上,分别建立了基于快速控制原型系统的无分流机制及有分流机制电路,获取了固定开断相位下电弧电流的转移参数。通过功率器件测试电路,得到晶闸管(silicon controlled rectifier,SCR)、金属氧化物半导体场效应管(metal oxide semiconductor field effect transistor,MOSFET)和绝缘栅双极性晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)的特性参数,确定了电弧电流转移条件及工作机理。通过汇总3种功率器件的关键参数,总结了不同器件在电弧电流转移及开通过程方面的差异。研究结果表明:MOSFET并联支路可实现电弧电流转移参数最优,开关燃弧能量在10-3 J量级,分别约为IGBT和SCR结构相应参数的6.4%和9.3%,电弧电流转移时间50μs,分别约为IGBT和SCR的85.3%和61.1%。该项工作可为后续研究基于全控器件的机电混合式有载分接开关样机提供参考。     

无弧有载调压变压器方案的研究

本文对三种无弧有载调压变压器的技术方案进行了深入的研究.分析了晶闸管与机械开关相结合的无弧有载分接开关的灭弧机理和灭弧特性,论述了晶闸管控制串联调压变压器的工作原理和调压性能.通过物理模拟试验明确了它们不同的灭弧效果和动态响应特性.经过对三种方案的比较,提出晶闸管控制串联调压变压器是无弧有载调压的最佳方案.     

变压器升高座区域电弧故障与压力特性研究

变压器是特高压输电系统中的重要设备,变压器油箱内电弧放电故障引起的压强陡升将引起变压器燃爆事故,严重威胁电力系统的安全稳定运行。目前,尚缺乏针对高电压、大容量变压器升高座区域的电弧放电故障试验研究,燃爆过程不明晰,变压器防爆性能提升受到限制。通过搭建变压器网侧升高座区域油箱内的电弧放电故障真型模拟试验平台,进行大电流、高爆燃容量模拟短路试验,实现了对电弧放电故障后箱体内部压力上升过程和传递特性的测试试验;通过收集升高座筒壁上不同点位压强数据,得到不同燃弧能量下升高座内部压强时域变化曲线,分析电弧能量、电流与压力的关系,以及升高座、油箱及出线装置等结构对压力传递特性的影响过程。试验结果表明,电弧能量与电弧电流是影响升高座内升压的重要因素,电流从20kA增加至40kA时,筒壁上压强峰值将从0.79MPa增加至1.17MPa;同时,压力释放装置对于防止燃爆事故发生非常关键。试验研究初步阐明了变压器类设备油箱内部短路故障压力产生与传递的物理机制,对变压器防爆设计具有重要的指导意义。     

密闭腔体内部故障电弧的辐射特性

辐射在密闭开关柜内部故障电弧的能量传递过程中占据重要的角色,和故障燃弧引起的压力上升和能量平衡密切相关。本文采用具有平坦光谱灵敏度的热电堆和超快速响应的光电倍增管相耦合的方法,对密闭腔体内部空气故障电弧的辐射特性进行测量,定量分析了不同测试条件对故障电弧辐射能、焦耳热以及辐射占焦耳热比重的影响。结果表明:随着电弧电流、充气压或电极间距增加,电弧辐射能量均趋于增长;关于辐射占焦耳热比重,电弧电流大小只对燃弧初期的辐射比重有较大影响,燃弧最终的辐射比重几乎与电弧电流大小无关;随着充气压增大,电弧电压的增长速度超过了电弧辐射的增大速度,因此辐射占焦耳热比重减小;而随着电极间距增加,辐射占焦耳热比重以低于线性的速度增大。     

不同机电混合式有载分接开关工作特性实验研究

为阐明机电混合式有载分接开关(EHOLTC)的工作特性,确定不同半导体器件切换过程的差异,针对不同半导体器件的EHOLTC工作特性进行了实验研究。选用晶闸管、金属氧化物半导体场效应管(MOSFET)和绝缘栅双极型晶体管(IGBT)作为研究对象,利用级绕组取电方式作为控制电源,搭建了3种实验样机平台。结合实验数据,分别计算了各器件工作参数及功耗数据。实测数据表明,EHOLTC燃弧能量约为机械式OLTC燃弧能量的1‰,能够有效抑制燃弧,MOSFET单元转移电弧电流能力最强。功率器件损耗接近过渡电阻损耗的5%,以IGBT单元损耗最低。全控器件换流时间较短,因换流点相位存在不确定因素,有承受高压的风险,可考虑用于中性点调压。从经济和安全角度,半控件具有一定优势。     

电极间距对真空电弧电压及阳极熔池旋转速度影响的实验研究

在可拆卸真空灭弧室中对纯铜杯状纵向磁场电极分别进行了间距10,16,20mm的大电流(有效值为10,20kA)燃弧实验,用高速摄影仪拍摄电极间的电弧形态及阳极表面熔池的旋转运动,并测量了电弧电压波形。以实验测量为基础,分析研究了真空电弧在不同间距下的电弧电压特性、阳极表面熔池旋转运动。实验结果表明,随着电极间距的增大,电弧逐渐向不稳定态发展并且电弧电压逐渐增大。阳极表面熔池半径及金属液体旋转速度随着电极间距的增大而增大。电极间距10mm的熔池旋转线速度大约为0.664m/s,熔池半径大约为14.5mm;而电极间距16mm的熔池旋转线速度为1.204m/s,熔池半径大约为15.6mm。     

电极材料和直径对真空电弧电压和阳极活动影响的实验研究

电极间的燃弧过程能够反映真空开关的开断特性及机制,采用实验手段分析和研究了不同电极直径和材料下真空电弧中的电极过程。在可拆卸真空灭弧室中,分别对直径为41、58 mm的纯铜和CuCr30的杯状纵向磁场电极进行了间距10 mm的大电流(有效值为10、12.5、15及17.5 kA)燃弧实验,用高速摄影仪拍摄电极间的电弧形态和阳极活动,并测量了电弧电压波形。以实验测量为基础,分析研究了真空电弧在不同电极直径以及铜和CuCr30材料下的电弧电压特性、阳极活动特性。实验结果表明:电极直径和材料与真空开关的开断性能有着密切的关系;随着电极间直径增大,电弧电压减小,电弧稳定、扩散态好,阳极斑点形成的电流阀值高,电极的开断能力较大。     

高库仑量大电流脉冲闭合开关的研制

脉冲能源系统的关键元件之一是高库仑量大电流的脉冲闭合开关。该文设计改进了轴向磁场控制的旋转电弧开关，没有触发电极，并且采用电流在轴向沿内电极均匀分流和磁镜磁场的结构设计，使电弧稳定在电弧稳定区。详细分析电弧的受力，给出开关电弧的理论旋转速度，开关的电极、磁场线圈和触发系统的优化设计保证开关具有良好的工作性能。对开关的大电流试验的回路进行了方案和参数设计，在基本特性试验后开关共进行了7次大电流试验，发现开关电极烧蚀非常轻微，有明显的电弧旋转痕迹。实验结果表明采用电流在轴向沿内电极均匀分流和磁镜磁场的结构设计，使电弧稳定在电弧稳定区，电弧不会像前版开关中一样很快的被轴向力推向端部，减轻了端部绝缘被电弧损坏的可能。     

旋转电弧开关及其电弧运动速度特性

为满足脉冲功率技术对闭合开关高电压、大电流、高电荷转移量、电极烧蚀小、寿命长的要求,设计了一种轴向磁场控制的旋转电弧开关。利用有限元软件分析开关间隙中驱弧磁场的位形及大小,得到间隙中磁感应强度与开关结构参数及电流大小的关系。采用B-dot探针测量电弧的旋转速度。实验电源为时序放电回路,在开关上得到近似梯形状的电流波形,实验中电流为18～72 kA,磁感应强度为0.104～0.628 T。通过改变上下线圈的匝数,得到在不同驱弧磁场下电弧的运动速度,并与其他旋转电弧开关的运动速度进行比较。对实验数据进行拟合,可知电弧运动速度与间隙中的轴向磁感应强度大小成指数关系。该关系表明,所设计的开关中,电弧运动速度可以由间隙中的驱弧磁场惟一确定,这与外部磁场驱弧方式相比有很大的区别。     

继电器,微动开关触头燃弧时间与电弧能量关系的研究

在改变负载电流,时间常数等参数的情况下,用专用的微机控制与高速采集系统累计继电器与微动开关触头通断过程的燃弧时间与电弧能量。分析这些参数的变化对燃弧时间与电弧能量的影响。建立了分断过程的燃弧时间与电弧能量的关系式,并通过了试验验证。本文的目的是研究能否根据燃弧时间与电弧能量的大小来评价试品的性能。根据触头间释放电弧能量的总和相等的原则,探求快速等价试验的方法。     

基于IGBT的配电变压器有载调压开关参数设计及分析

对比了机械式、混合式和全电力电子式配电变压器有载调压开关(OLTC)的结构特点,提出了一种基于绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的配电变压器OLTC电路结构和控制方案,给出了该OLTC主电路IGBT器件、过渡电路和吸收电路的参数设计方法,推导了所设计OLTC的有功损耗计算式。所提方案克服了机械式OLTC动作慢、切换产生电弧等缺点,可辅助配电变压器实现快速、无弧的有载调压。搭建了仿真模型和实验平台,对OLTC的调压性能进行了测试,分析了开关参数对其有功损耗及IGBT承受电流电压的影响,将仿真、实验和理论计算结果对比,验证了所提有载调压方案的有效性。