Development of a magnet-assisted autopuffer GCB

The principle of a new type of GCB (gas circuit breaker) with magnetically assisted, self-gas flow, a magnet-assisted autopuffer, is presented. It is confirmed that an arc chamber using this principle is capable of high-current interruption by virtue of arc energy and of low-current interruption by virtue of magnetic arc drive. Design parameters of the arc chamber are studied using an extended simulation program. On the basis of the results, a new medium-voltage GCB rated at 24 kV, 25 kA has been developed     

10kV/2kA混合型限流熔断器用电弧触发器的分析与设计

电弧触发式混合型限流熔断器是电子测控式限流熔断器的一种更新装置,具有可靠性高、体积小、成本低等优点,但现有产品的最高额定电流只有600A,额定极限分断电流只有25kA。为此,对电弧触发式装置进行了分析,认为制约其额定电流和极限分断电流水平的关键因素是电弧触发器的动作快速性不够,提高动作快速性的有效方法是提高狭颈的载流密度。基于ANSYS 11.0软件对电弧触发器进行仿真分析和参数优化,获得了电弧触发器熔体的优化设计结构。实际制作的电弧触发器,其狭颈额定载流密度高达3 300A/mm2,可用于额定电压10kV、额定电流2kA、额定分断能力40kA的混合型限流熔断器。     

Effect of magnetic field strength and admixture gas on current interrupting capability of a CO2 rotary‐arc load‐break switch

First, current interrupting experiments were performed for a rotary‐arc type of load‐break switch filled with pure CO₂ at a total pressure of 0.1 MPa. Increase in the coil turns for generating magnetic field from 1 to 1.8, 2.5, and 3.6 (arbitrary unit) raised the current interrupting capability from 2.6 kA to 3.2, 3.5, and 4.1 kA. Second, experiments were performed for CO₂ gas mixture under the condition of 3.6 coil turns. Gases of He, O₂, N₂, and air were admixted to CO₂. Adding either He or O₂ to CO₂ at a concentration of 30% allows the switch to have higher interrupting capability than using pure CO₂. © 2009 Wiley Periodicals, Inc. Electr Eng Jpn, 167(2): 21–27, 2009; Published online in Wiley InterScience ( www.interscience.wiley.com ). DOI 10.1002/eej.20742     

一种用于真空灭弧室的磁屏蔽罩

研究了由外部接线产生的磁场对真空电弧的影响.这一横向磁场会将电弧吹向弧隙外侧,削弱了真空灭弧室的开断能力.因而提出了一种磁屏蔽罩,以避免真空电弧受到外部磁场的影响.试验结果表明,该磁屏蔽罩可有效地提高真空灭弧室的开断性能.     

增强旋弧式灭弧装置中磁感应强度的途径

本文从实验结果出发,研究了铁磁物质的存在对旋弧式灭弧装置中磁场的影响。对利用铁磁物质来提高这类灭弧装置的开断能力的可能性进行了探讨。     

Improvement of thermal interruption capability in self‐blast interrupting chamber for new 245‐kV 50‐kA GCB

Current zero measurements are performed for 245 kV‐50 kA‐60 Hz short line fault (L90) interruption tests with a self‐blast interrupting chamber (double‐volume system) which has the interrupting capability up to 245 kV‐50 kA‐50 Hz L90. Lower L90 interruption capability is observed for longer arcing time although very high pressure rise is obtained. It may be caused by higher blowing temperature and lower blowing density for longer arcing time. Interruption criteria and an optimization method of the chamber design are discussed to improve L90 interruption capability with it. The new chambers are designed at 245 kV‐50 kA‐60 Hz to improve gas density in thermal volume for long arcing time. 245 kV‐50 kA‐60 Hz L90 interruptions are performed with the new chamber. The suggested optimization method is an efficient tool for the self‐blast interrupting chamber design although study of computing methods is required to calculate arc conductance around current zero as a direct criterion for L90 interruption capability with higher accuracy. © 2009 Wiley Periodicals, Inc. Electr Eng Jpn, 167(1): 9–17, 2009; Published online in Wiley InterScience ( www.interscience.wiley.com ). DOI 10.1002/eej.20743     

旋弧式灭弧装置中电弧运动速度的研究

通过试验,测量了电弧的旋转速度,并讨论了电弧的旋转速度对旋弧式灭弧装置的开断性能的影响。     

SF_6断路器开断能力数值预测方法研究综述

综述了SF6断路器极限开断能力以及介质开断能力的数值预测方法的最新研究进展。电流过零前200 ns的电弧电导(G200)是判断断路器热开断能力的一个重要参数,为计算G200,对电弧特性进行模拟,在燃弧阶段采用磁流体动力学模型,而在接近电流零区采用Mayr模型,从而建立相应的电路模型来确定电弧时间常数和电弧功率损耗系数等参数,以分析高压断路器的热开断能力。为判断电击穿能力,需要根据电弧过零时灭弧室内的每一点的压力和温度值,确定对应点的临界击穿场强分布Ec,同时计算在暂态恢复电压作用下灭弧室内的电场分布Ea,然后通过比较灭弧室内各处Ea和Ec的值,就可以判断出灭弧室内不同区域电击穿几率的大小。     

外部接线对横磁场触头结构真空断路器开断能力影响的分析

计算了手车结构中外部接线对真空灭弧室弧柱的电动力,认为横磁触头结构真空断路器在开断大电流时,外部接线产生的电动力是导致开断失败的主要原因。建议尽量缩短真空灭弧室两端径向引出线的长度,以减少外部接线对灭弧室开断能力的影响。     

轴向磁场控制的旋转电弧开关的研制

开关在脉冲功率技术中极其重要，其已成为制约脉冲功率技术发展的主要技术瓶颈。为了满足高电压、大电流、高电荷转移量、电极烧蚀小、寿命长的要求，文中设计了一个由轴向磁场控制的旋转电弧间隙开关，研究了其电磁场分布及轴向磁场下电弧的运动机制，并进行了初步实验。结果表明此开关中的电弧确实在轴向磁场控制下做旋转运动，且运动速度很快，不需要对触发脉冲进行陡化就能得到纳秒级脉冲。实验放电波形比较稳定，分散性为2ns；开关电极表面的烧蚀小，有利于延长开关的寿命；开关工作参数为：电压23kV，单脉冲能量0.314MJ，峰值电流100kA，电荷转移量27.3C/脉冲。     

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。     

Controllability of arc jet from arc horns with slits

Ultrahigh-voltage transmission lines must be protected from lightning surges and the large-current fault arcs which follow. Horns which are installed at the jumpers on the strain towers have a role in protecting the insulators from the fault arcs by coordinating insulation strength and holding large-current fault arcs between the horns. Although a flat surface of the electrode tip with a small diameter effectively meets these requirements, it results in the deterioration of corona discharge depressing capabilities in a steady state on power transmission lines. To improve corona discharge depressing capabilities and to reduce deflection of arc jets, finally two types of hemispherical-shaped arc horn electrodes with slits are developed. The arc jet control performance of those horns was disclosed experimentally as follows:

• (1) Two types of arc horn electrodes with our or six slits show remarkable arc jet control performance in the current of larger than 5 kA.
• (2) The addition of a rod-type central electrode at the center of the hemispherical-shaped electrodes results in the considerable extension of arc jet controllability in the wider current zone by containing the arc spot within the tip area of the central electrodes.

Based on the foregoing results, arc horn electrodes with slits have been designed and utilized for practical application.     

一种高开断能力两级纵向磁场电极结构的真空灭弧室

设计了一种两级纵向磁场电机结构的真空灭弧室，对其三维磁场颁地计算分析，并将这种电极结构进行了装管试验，试验表明这种电极结构在燃烧弧期间的电弧电压降低，它的开断能力与其他结构相比有大幅度提高。     

旋弧式SF_6断路器开断高压直流电流性能的实验研究

将一个未充电的电容器并联在断路器两端,当电容量为60μF、断路器的气体压力为0.3MPa时,旋弧式SF_6断路器能够开断的直流电流约为360A,燃弧时间约为25ms。增大旋弧灭弧室的磁场强度有可能使开断电流进一步提高。     

自能式SF_6断路器在不同气压下的开断过程

对自能式SF_6断路器在不同气压下的开断过程进行了分析,得到了不同气压下操动机构的运动特性、膨胀室的状态参数、灭弧室内的气流场和电弧的动态特性.部分计算结果与试验值进行了比较,二者基本吻合.     

高电压大容量真空灭弧室电弧特性的测量与研究

以线圈式纵磁结构63kV、40kA真空灭弧室为实验对象,在4种定弧隙燃弧情况下(10、20、30、40mm),测量了电流峰值时对应弧压值与电流的关系、开距对噪声分量电压的影响、弧压特性与主屏蔽罩电位特性的异同。在变弧隙燃弧情况下,测量刚分电流对电弧特性的影响。最后对实验结果进行了分析。     

SF_6/N_2混合气体灭弧室中电弧阻塞效应的分析研究

分析研究了SF_6/N_2混合气体电弧阻塞现象。结果显示,相同电弧电流下,SF_6/N_2混合气体弧柱和热边界区直径分别大于SF_6气体,在电流半波中阻塞时间延长。此外,混合气体电弧能量密度高于SF_6,而弧柱焓流率则低于SF_6的相应值,因而在电流峰值附近更易造成能量在上游的聚积,使电弧对喷口的阻塞作用加强,影响灭弧与介质恢复过程。为了提高混合气体灭弧室的气吹灭弧能力,应对灭弧室结构参数和其他工作条件重新予以调整和确定。     

SF_6旋弧式断路器瞬态吹弧磁场的数值分析

本文用数值方法研究SF_6旋弧式断路器的吹弧磁场。由于断路器的开断过程是一种瞬态过程,采用基于有限差分技术的Crank-Nicolson方法计算吹弧装置的瞬态电磁场,计算结果与实验数据十分吻合。通过在不同条件下对吹弧磁场的数值分析,找出了铜套结构参数与磁场的关系,研究了主电流在不同合闸相角时与含有直流分量情况下的瞬态磁场特性,特别是对电弧零区磁场的分析,提出了在电弧电流过零瞬间获得最大磁场的途径。     

改进混合型限流断路器限流特性及换流电弧能量分析

混合型限流断路器兼备了机械开关良好的静态特性和固态开关无弧快速分断的动态特性,是国际上断路器研究的新方向。为了对高di/dt电流下混合型限流断路器的换流电弧能量进行分析,在已研制出的两种混合型限流断路器样机基础上,开展了相同实验线路参数和设定动作值条件下的两种限流断路器方案的对比实验。改进方案可将电流上升率di/dt为18A/μs的短路电流限制到7.5kA,分断动作时间1ms,相比于初始方案,改进方案分断速度更快,限流能力更强。进而计算了2种方案在不同短路电流上升率下的换流电弧能量,并分析了电弧能量对触头烧蚀特性的影响。改进方案能够有效地降低换流电弧能量,减小电弧对触头的烧蚀,提高触头寿命。研究表明改进方案更适合需要多次分断高di/dt短路电流的应用场合。     

横磁触头真空灭弧室中收缩型电弧的运动与形态转变

本文论述了横磁触头真空灭弧室开断实际短路电流时的零前过程,开断电弧的一般特性,着重介绍了起始金属桥爆炸引燃的收缩型电弧的停滞现象,收缩型电弧的运动特性及其转变成扩散型电弧的条件等问题。