大功率直流接触器在不同介质中开断电弧特性的实验研究

电动汽车的快速发展和航空系统供电容量的进一步提升对大功率直流接触器提出更高的要求。为了研究大功率直流接触器中密封气体的种类及压强对于接触器开断电弧特性的影响,设计了带单向气阀的桥式直流接触器样机,搭建了直流开断实验平台,测试了不同气体介质和压强下的电弧电压、电流、燃弧时间、燃弧能量等,对比分析了灭弧介质和压强对直流接触器开断特性的影响。结果表明:直流接触器燃弧过程3个阶段中,电弧在触头之间拉长阶段占据了总燃弧时间的60%以上;压强为0.3 MPa时,氢气、氮气、氦气3种气体分断200 V/1 200 A的燃弧时间分别为1.20 ms、1.42 ms和1.54 ms,氢气电弧电压的峰值远高于其他两种气体,且燃弧能量低,表现出优良的灭弧性能;压强从0.1MPa升至0.3MPa,3种气体的灭弧性能均得到显著提高,表现为燃弧时间缩短17%,燃弧能量降低约15%,电弧运动速度加快。     

不同磁场条件下直流接触器电弧开断特性的仿真研究

直流接触器是实现分断、功率切换以及故障保护等功能的关键器件。文中以某直流接触器为例,建立了直流接触器氢气电弧特性仿真的二维磁流体动力学模型,该模型综合考虑了外部负载电路、触头运动以及非均匀外部磁场等因素对接触器电弧特性的影响,仿真研究了不同磁钢厚度下密闭式直流接触器内电弧开断过程中的电流电压变化曲线以及温度场分布。研究结果表明,在不同磁钢厚度的非均匀磁场作用下,450 V/400 A、充气压力为4 atm(1 atm=101 kPa)的直流接触器内部电弧的燃弧时间有所不同,并且随着磁钢厚度增大,磁场强度变强,燃弧时间缩短,磁钢厚度为5.5 mm时的燃弧时间最短。     

电磁式开关电器的磁路

电磁式开关电器分断短路电流的效果如何在很大程度上取决于分断电流的电弧被引入灭弧室陶瓷栅片缝中的特性。在电弧均匀地进入灭弧室的情况下灭弧最可靠。这时,各陶瓷栅片经受电弧作用的程度相同。短路电流分断后,恢复电压均匀地沿灭弧室长度方向分布。电弧引入灭弧室中的均匀性取决于开关电器磁系统所产生的横向磁场磁感应强度沿灭弧室长度方向两侧弧角间的分布特性,电弧就是沿两侧弧角进入陶瓷栅片的狭缝的。     

270V直流开断特性研究与耗散功率变化的Mayr模型仿真分析

为了优化航空270V直流接触器结构设计以及预期接触器的开断容量,采用一种以栅片和磁吹系统相结合的直流接触器,进行典型负载类型下的开断性能实验,得到了感性负载情况下开断难度最大,且随着回路电感值的增大,燃弧时间和电弧熄灭时过电压峰值增加。主触点间并联RC支路虽然会增加整个燃弧时间,但能有效限制过电压的数值,且过电压峰值随并联支路电容C的增加而减小。假设燃弧过程中电弧具有对称性,并对电弧进行受力分析,提出横向磁场中电弧运动速度和消散功率的计算方法,得到一种Mayr电弧修正模型。在不同等级的阻性负载情况下,分别对燃弧过程进行数值仿真,经仿真与实验结果对比,所提Mayr电弧修正模型能够准确描述电极分断过程中电弧电压及运动速度的变化情况,为航空直流接触器的设计提供有效的参考。     

电气参数和机械参数对继电器直流电弧的影响

电气参数和机械参数是影响小型继电器直流电弧开断性能的主要因素。在实验中改变电源电压、负载条件、继电器分闸弹簧数量以及触头对数,测量继电器开断过程中直流电弧的电压电流波形,总结电弧燃弧时间和能量的规律。研究表明:电源电压升高极大地提高了电弧燃弧时间和能量;电源电压一定时,电弧的燃弧时间和能量随电流的上升而增长;电压等级较低时,继电器分断初速度对燃弧时间和电弧能量的影响不大,电压等级较高时,速度对燃弧时间和电弧能量影响较显著;双组触点分断负荷相对于单组触点的情形大大减少了电弧的燃弧时间和电弧能量,有利于减轻电弧对触头侵蚀。     

纵向与横向磁场作用下分断直流感性负载时的电弧特性实验

研究AgSnO2触头组以不同速度分断直流感性回路产生的电弧在纵向与横向磁吹作用下的特性参数.电压与电流为28V/5A,回路时间常数为2ms.吹弧磁感应强度为0～200mT,分断速度为10～50mm/s.采用高速摄像机记录电弧随时间变化的图像,同时,采用数字示波器存储电弧电压波形.研究在不同分断速度下,燃弧时间、电弧停滞...     

直流自然换流式接触器设计与均压开断研究

该文基于一种直流自然换流式接触器拓扑结构,采用承载额定电流的通流支路触头和实现电路开断的灭弧支路触头相并联的形式解决航空、航天及新能源等领域向更高电压等级发展的直流开断需求.通过理论分析和相应的实验来研究该并联拓扑结构不同支路间电流的换流特性及燃弧特性.针对电路开断过程中灭弧支路串联多断口间呈电压不均匀分布现象,提出结构调控及磁场调控两种调节方式,使用动态Mayr修正模型研究不同调控方式下灭弧触头均压开断效果.定义了一种衡量动态开断过程中串联多断口电弧电压均匀系数,得到优化灭弧触头动作特性的结构调控方式,将电压均匀系数从54.1％提升到80.1％.针对灭弧触头动作的分散性,进一步采取磁场调控方式将电压均匀系数提升到98.05％,均匀的电压分布提高了串联多断口结构的开断能力及电寿命.     

触头运动特性对直流接触器开断性能影响

为研究触头运动特性对直流接触器开断性能的影响，建立直流空气接触器电磁操动机构与灭弧系统联合仿真模型，对接触器操动机构进行运动—结构—电磁耦合仿真，得到操动机构动作过程中触头位移—行程曲线，并与电弧磁流体模型相耦合，仿真得到了直流空气接触器从机构运动到触头打开电弧形成、弧根运动直至熄灭的全过程。讨论了接触器操动机构参数变化对开断性能的影响，并通过电弧现象背后的物理场变化分析了开断过程中重击穿现象产生的原因。结果表明：操动机构驱动动触头进而带动电弧完成了电弧拉伸、弧根转移以及被栅片切割等重要电弧演变过程；反力弹簧和触头弹簧预压力增大有利于提高触头的分断速度，加速电弧熄灭，但分断速度过高有可能导致电弧重击穿现象发生，其根本原因是栅片入口处产生的顺时针气流漩涡；通过控制触头的分断速度和灭弧室栅片区磁场分布，实现了对重击穿现象的抑制。     

基于CCD高速摄影仪的直流电弧实验研究

针对大容量中压直流断路器故障电流开断过程,利用CCD高速摄影装置对电弧运动过程进行了影像捕捉。该实验是在1 400 V直流开断实验平台上完成,分别在矩形和V型两种不同灭弧室结构下进行直流断路器开断实验,并对比两者的开断特性。结果发现灭弧室结构对灭弧性能有重要影响,矩形灭弧室与V型灭弧室对燃弧过程的影响差别很大。通过检测电弧影像的实验研究对大容量中压直流断路器的设计具有重要的指导意义。     

直流配电网低压侧稳定燃弧阈值电压研究

分布式电源、电力电子技术以及直流负荷的大规模应用推动了直流配电网的发展,但直流电弧因没有过零点难以自行熄灭,严重威胁了直流配网的安全性.该文搭建了含直流低压母线(最大电压值380V)、电弧发生器与负荷的模拟实验平台,设计电弧实验以探究阻感负载下电弧的稳定燃烧点,以及阻性和感性负荷对燃弧过程和电弧特性的影响,得到了最大等效负荷(电阻280Q、电感30mH)时直流电弧的稳定燃弧电压阈值.将电弧的伏安特性与电压平衡方程式相结合,对电弧稳定燃烧点和电弧燃炽时间进行理论推导,建立了低电压直流电弧的稳定燃弧阈值电压数学模型,并通过Matlab数值拟合方法验证了模型的准确性.该模型分析数据与实验数据的相关系数为0.9924,可以较好地反映低压阻感性负载稳定燃弧的电压阈值,为确定直流配电网的供电电压及低压直流电弧的稳定燃弧条件提供工程参考.     

Characteristics of the Arc Voltage of a High‐Current Air Arc in a Sealed Chamber

The effect of the arc voltage on various factors of design and control was investigated for high currents in order to develop design guidelines for circuit breakers. In this study, the dependence on such factors, namely, the current, arc length, electrode surface area, and internal pressure of the arc voltage, was evaluated quantitatively. As a result of the evaluations, it was estimated that the arc voltage near the electrode surface rises linearly with the arc current and the power ?0.8 of the surface area, and that the voltage in the arc column rises as the 0.3 power of the pressure increase. We confirmed the validity of the estimated voltage characteristics by comparison with the generated voltage in an actual arc‐extinction chamber. The characteristics of the estimated voltage can provide effective guidelines for the design of arc extinguishing chambers. © 2013 Wiley Periodicals, Inc. Electr Eng Jpn, 186(1): 34–42, 2014; Published online in Wiley Online Library ( wileyonlinelibrary.com ). DOI 10.1002/eej.22487     

压缩灭弧防雷装置灭弧效果的研究

为解决输电线路防雷问题,提出一种压缩灭弧防雷方法,发明了一种与绝缘子并联的压缩灭弧防雷装置。为验证其灭弧的有效性,首先利用Ansys Fluent有限元分析软件对纵向气流熄灭电弧的作用过程进行了仿真分析,表明装置触发后会产生速度峰值为500 m/s的有效膨胀灭弧气流迅速作用于电弧,从而加速电弧对流散热破坏电弧等离子体动态平衡,使电弧在0.2 ms内极快速熄灭。然后通过试验对仿真结果进行了验证,证明压缩灭弧防雷装置能在冲击电弧的起点就快速响应,并迅速产生高速气流作用于冲击电弧,使冲击电弧迅速熄灭,破坏后续工频电弧通道,实现"建弧无通道"的灭弧效果。并结合实际应用效果与试验和仿真,三者共同佐证了装置的灭弧效果。     

一种新型电弧故障断路器的研究

介绍了电弧在低压电路中产生的原因,使用电弧发生器复现了串联电路电弧发生时的情况,实测出电弧电流波形,从时域和频域两方面分析了电弧波形的特性。结合现有电弧故障断路器的检测原理,提出了一种基于频域算法的电弧检测新理念,并简述了该新型电弧故障断路器的检测原理。最后,阐述了电弧故障断路器的未来发展趋势。     

电力开关中电弧的产生机理及其灭弧措施

电弧作为气体放电的一种形式,在工业中既有有利的一面,也有危害的一面。本文就高压开关触头间电弧的产生机制及电弧熄灭的方式进行了总结与分析,以使人们对电弧的危害有更加清楚的认识,为今后预防电力开关电弧故障提供参考。     

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。     

电弧电压及燃弧时间的分析研究

本文根据电弧基本理论，对银基触头材料开断电阻性负载的电弧电压及燃弧时间进行了实验研究，通过分析比较得出，开断电流越大，燃弧时间越长，电弧电压的变化遵循交流电弧的伏安特性的结论。     

关于判断变压器电弧放电及电弧放电兼过热故障的三比值编码问题

对目前应用 DGA 技术判断变压器内部电弧放电及电弧放电兼过热故障的三比值编 码存在的问题进行了研究探讨,通过诊断实例提出了看法。     

SF_6旋转电弧的重燃和弧后介质恢复的试验研究

本文采用合成回路技术研究了SF_6旋转电弧的电流零区现象,分析了两类电流过零现象和电弧重燃的不同类型,并得出了在残余磁场与电场共同作用下介质强度的恢复结果。     

一种用于大功率电弧加热器的等离子电弧模型

基于著名的电弧黑金模型--麦也尔电弧模型(Mayr arc model)和克西电弧模型(Cassie arc model),提出了一种改进的等离子电弧模型.在原模型基础上,丰富了电弧模型参数,使模型不仅能反映大功率直流电弧加热器稳定工作时的电气特性,还能反映加热器工作时弧室中气流量变化对电弧的影响.本文还对麦也尔电弧模...     

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。