多断口直流真空断路器介质恢复强度研究

以126 k V模块化多断口直流真空断路器为研究对象,在连续过渡模型建模中考虑金属蒸气与离子密度的影响,给出中频真空电弧介质恢复动态数学模型;通过对其开断过程的数值仿真,得到断口间鞘层动态变化与介质恢复强度变化关系曲线以及弧后电流、瞬态恢复电压与新阴极表面电场强度分布。采用对比分析方法,研究各断口间瞬态恢复电压分配规律以及弧后介质恢复强度影响因素。研究结果表明:由于线路阻抗产生的瞬态恢复电压等因素使得各断口间开断电压及电弧能量分配不均,某一断口所受电压及电弧能量高于其他断口,金属蒸气初始密度大且弧后电流下降率较大,瞬态恢复电压上升速率更快,鞘层发展速度缓慢,新阴极表面场强较高,易发生重击穿从而导致断路器开断失败。在换流回路中采用较大电容以保证TRV合理分配,进而提高多断口直流真空断路器开断性能。     

双断口真空开关瞬态恢复电压分布特性的仿真与实验研究

双断口真空开关介质恢复特性及暂态过程均压关系的探明是其成功开断的理论依据。运用暂态分析软件ATP搭建双断口真空开关仿真平台,利用其暂态分析控制系统实现了暂态真空电弧模型,在真空开关两断口有、无均压电容的情况下分别进行故障电流开断的仿真实验。搭建两真空灭弧室串联的双断口真空开关实验模型进行瞬态恢复电压分布特性的实验研究。实验与仿真结果吻合,共同证明双断口真空开关分断是否成功主要取决于介质恢复过程断口间电压分布是否均匀,两断口间的分压关系在动态介质恢复过程中主要由电弧电阻决定,而动态介质恢复完成后主要由断口两端的电容决定。因此,低分散性操动机构的设计与灭弧室两端均压电容的选定是双断口及多断口真空开关成功开断的关键因素。     

双断口直流真空断路器延时开断仿真分析与实验

以30kV双断串联口直流真空断路器为研究对象,建立换流回路拓扑结构,采用连续过渡模型,考虑换流回路元件参数的影响,提出非同步下短路电流及暂态恢复电压计算模型,分析同步以及不同延时时间下(0.1～0.5ms)双断口直流真空断路器开断特性与暂态恢复电压分布差异。搭建机械式双断口直流真空断路器样机实验平台,在4.5kA短路开断电流下进行延时开断实验分析。仿真与实验比对分析的结果表明:由于机构分散性导致双断口直流真空断路器中的某一断口动作延时时,两个断口的暂态恢复电压分布存在差异;断口间暂态恢复电压分配不均,先动作的断口承受更高电压;延时时间0.5ms是成功开断的极限时间;延时时间越长,开断性能越劣化。     

双断口结构对特高压SF_6断路器电场分布的影响分析

特高压断路器中常采用双断口或多断口串联,但串联结构在开断过程中会产生各断口间电位分布不均的情况,导致断口电场分布发生改变。为此,基于能量扰动法求得1 100 kV双断口SF6断路器灭弧断口等效电容及断口对地等效电容,确定并联电容值,进而得到双断口分压比。再采用有限元法仿真计算了断口的非对称3维电场,定量描述、对比分析了550 kV单断口灭弧系统与1 100 kV双断口灭弧系统触头沿面电场强度,得出了不同灭弧单元的电场变化规律,以及双断口结构对电场强度分布的影响。结果表明,采用双断口串联结构时,灭弧系统的断口间电压分配不均匀,且分压比随着开断距离的增大而减小;进而导致断口间电场强度以及开断故障电路时电弧重燃风险增大。因此有必要对双断口灭弧系统断口结构进行优化设计。     

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。     

《高压电器》“真空开断技术”专题征稿启事

正为纪念王季梅先生开创中国真空开断技术之先河,展示该领域最新进展和发展趋势,促进我国真空开断技术的进一步发展,《高压电器》编辑部特邀西安交通大学王建华教授、贾申利教授和刘志远教授作为特约主编,主持"真空开断技术"专题,拟于《高压电器》2017年第3期出版。真空开断技术是以真空作为绝缘和灭弧介质的金属蒸气电弧开断技术。高真空中,电极间隙绝缘强度高,电弧电压低,弧后介质强度恢复速度快,触头电磨损速率小,这些特点使得真空开关及断路器在配电系     

《高压电器》“真空开断技术”专题征稿启事

正为纪念王季梅先生开创中国真空开断技术之先河,展示该领域最新进展和发展趋势,促进我国真空开断技术的进一步发展,《高压电器》编辑部特邀西安交通大学王建华教授、贾申利教授和刘志远教授作为特约主编,主持"真空开断技术"专题,拟于《高压电器》2017年第3期出版。真空开断技术是以真空作为绝缘和灭弧介质的金属蒸气电弧开断技术。高真空中,电极间隙绝缘强度高,电弧电压低,弧后介质强度恢复速度快,触头电磨损速率小,这些特点使得真空开关及断路器在配电系     

双断口真空断路器的动态介质恢复协同特性

多断口真空断路器的串联断口间动态介质恢复协同作用对其弧后特性、开断能力有影响。为此搭建了双断口真空断路器试验样机,进行了合成回路试验,旨在得到双断口真空断路器的动态介质恢复协同特性。研究了不同间隙、不同触头结构、不同均压电容对动双断口真空断路器开断能力的影响,得到了不同组合方式下的开断增益特性,试验结果表明:双断口真空断路器最佳的组合方式是横纵组合方式且横磁触头在高压侧,这是由于这种组合电压分布更加均匀,由于真空间隙的变化影响电压分布特性,进而得到横纵组合方式最佳的间隙配合特性。通过试验得到了不同触头结构灭弧室的组合均压电容大小对开断能力的影响,均压电容选取在500~2 000 p F为宜,且两个纵向磁场触头结构组合在同期动作下开断能力最强。     

双断口真空断路器开断速度对电压分布的影响

多断口真空间隙串联可以充分发挥真空短间隙绝缘恢复速度快、低碳环保等优点,但存在断口电压分布不均的问题,在断口两端并联过大的均压电容会增加弧后电流,限制双断口真空开关的开断能力。该文旨在寻找一种自均压方式,减少均压电容的使用。研究了双断口串联真空间隙两组触头在相同的真空环境下,燃弧期间开断速度对电压分布的影响机理。设计了双断口可拆式真空灭弧室,采用Maxwell电磁仿真软件,对静态情况下的电压分布进行了仿真。搭建了单腔体双断口真空断路器合成回路实验平台,对双断口相同速度和不同速度开断过程的断口电压分布进行了实验研究。实验结果表明,改变开断速度能改善高双断口真空断路器电压分布均匀性,为提高双断口真空断路器开断能力提供了借鉴。     

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。     

机械式高压直流真空断路器换流参数研究

基于换流原理的机械式高压直流真空断路器,是高压直流系统短路开断的有效方式之一,电弧熄灭后断口间介质恢复强度能否耐受恢复电压是决定其开断性能的关键,因此换流时间与最小安全开距的配合成为其设计的重要参考依据。该文利用直流开断实验平台,实验研究了高压直流真空开断系统样机在不同换流时刻、开断电流幅值、换流频率、换流电流与开断电流的幅值比(换流比)下的换流时间和最小安全开距。结果表明:换流时刻选择过早会导致电弧因开距不足而重燃,在实验条件下,换流频率3kHz,开断5kA直流电流,最小安全开距约为0.60mm;随着开断电流幅值的增加,最小安全开距近似线性增大;随着换流频率或换流比的增大,换流时间均将明显减小,对最小安全开距的要求也随着断口恢复电压的增加而更高。     

126 kV三断口真空断路器暂态恢复电压特性研究

正以126 kV模块化多断口直流真空断路器为研究对象,基于多断口真空电弧开断过程的数学模型,结合四阶龙格-库塔方程对三断口直流真空断路器开断过程进行数学解析,对因机构分散性导致各个断口不能进行同步开断情况下各断口TRV进行数值模拟。有效提高多断口直流断路器同步开断能力,可提高其开断性能及开断成功率。     

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。     

具有串并联结构的模块化多断口真空断路器静动态电压分布特性

为向基于光控模块的多断口真空断路器的静态、动态绝缘特性设计提供参考,建立三维有限元分析模型,计算126 kV U型布置的三断口真空断路器的静态电位分布和真空灭弧室内部的电场分布。利用110 kV振荡型合成试验回路,进行低电压、小电流三断口串联断路器样机的开断试验,测量三断口的瞬态恢复电压分布。计算和试验结果表明:三断口真空断路器的静态和动态电压分布不均匀,高压端断口的静态分压超过65%,串联样机进行试验时底部可以不安装支架;高压端断口的动态分压(瞬态恢复电压峰值)超过60%,1 000 pF均压电容可以满足低电压、小电流开断均压要求,高电压、大电流开断情况需进一步验证。     

双断口真空断路器开断特性的试验与仿真研究

为分析双断口真空断路器的开断特性,建立了双断口真空断路器的合成开断试验平台和基于一种改进真空电弧模型的电磁暂态仿真平台。对开断电流、电弧电压、燃弧时间和瞬态恢复电压(transient recovery voltage,TRV)分配比例等参数进行了试验测量,通过仿真诊断等离子体参数,对试验结果进行了机理分析。结果表明:过长的燃弧时间会导致过大的燃弧能量和转移电荷,可能使电弧发生集聚;高压断口的延迟分闸会造成弧后残余等离子体特性的差异,从而加剧双断口真空断路器TRV分配的不均匀性;这2种情况均不利于开断。此外,双断口真空断路器均压电容的取值除了考虑TRV均匀分布外,还应兼顾弧后阴极表面电场分布的一致性,过大的均压电容反而不利于开断。因此,燃弧时间及其同步控制和合理均压电容值的选取是双断口真空断路器成功开断的关键。     

直流真空电弧形态演变的动态影响因素研究

基于新型永磁斥力混合高速操动机构和转移回路强迫过零开断的方法,在合成回路系统中进行了真空电弧直流开断实验。利用CMOS高速摄像机观测直流开断过程中不同转移电流频率下真空电弧的燃烧及转移过程,采用图像处理技术提取了电弧图像特征,得到了不同转移电流频率下强迫过零阶段电弧的形态变化,不同燃弧时间下的电弧形态变化以及不同预充电电压下的电弧形态变化,并对电弧形态变化的原因进行了分析。分析结果表明,注入同等的电弧能量,转移电流频率较低时,电弧形态演化过程长,有利于熄弧后电极间隙介质绝缘强度的恢复;电压过充对电弧形态的演变过程影响较小;燃弧时间较长时,电弧处于大面积稳定燃烧状态的时间较长,产生的金属蒸汽越多,不利于开断。     

真空电弧中阳极斑点现象的分析

在真空电弧中出现阳极斑点现象对真空开关来说是一个不祥之兆,往往会使触头严重熔化,并且会产生过量的金属蒸气。当用真空开关开断工频交流电路时,这些过量的金属蒸气还会在触头间于电流过零后持续一段时间,它将使介质恢复的速度降低,从而可能使真空开关开断失败。下面分析出现阳极斑点现象的有关问题。     

基于改进型直流真空断路器弧后暂态仿真及介质恢复特性分析

应用于大电流、高di/dt分断环境的直流真空断路器,以绝缘恢复为主要特征的弧后暂态过程直接影响其分断特性.在鞘层发展过程中,弧后阴极表面电场强度及功率密度是引起电弧重燃的两种因素,为探究熄弧后真空断路器恢复电压变化规律,该文首先从提升弧后介质恢复能力的角度出发,在燃弧电流峰值约23kA、熄弧电流变化率约300A/μs的...     

双断口40.5kV真空容性开断最佳燃弧时间确定试验研究

为了分析双断口真空容性开断在断口非同期动作条件下的最佳燃弧时间,文中分析了双断口真空容性开断断口电压分布特性,研究了开断过程断口过电压计算表达式。采用电路原理分析方法,从理论上计算了不同燃弧时间下的断口过电压值。并对实际样机真空开断重燃特性进行了试验验证。基于理论计算结果及试验结果,给出了40.5 kV双断口真空永磁机构容性负载投切真空断路器燃弧时间参考值。     

双断口真空断路器配合特性仿真与试验

针对目前多断口真空断路器多采用并联均压电容,均压可能存在运行隐患的问题,通过研究双断口真空断路器间隙,配合和不同横磁(TMF)触头和纵磁(AMF)触头真空灭弧室组合取缔均压电容得到最佳的开断能力。基于真空电弧连续过渡模型建立了双断口真空断路器仿真模型,通过仿真与合成回路试验,研究了不同燃弧时间、不同期性和不同组合方式对开断能力的影响。仿真得到横纵组合方式具有最强的开断能力,且非同期动作(高压侧滞后动作)具有更强的开断能力,并得到了双断口真空断路器最佳间隙配合特性。试验结果验证了仿真结果,并且证明了双断口真空断路器非同期动作存在电压分布反转和开断突变区间。最后得到双断口真空断路器优化方案——对真空灭弧室的优化和非同期间隙的最佳配合,实现自均压效果进而取缔均压电容,为多断口真空断路器的发展提供了新的思路与方法。