相控真空断路器的最佳燃弧区间研究

最佳燃弧区间的确定是相控真空断路器应用于短路电流开断时必须解决的问题之一。针对真空断路器弧后介质强度恢复过程的2个主要阶段:鞘层发展阶段和金属蒸气衰减阶段,分别建立了数学模型,提出了采用特征参数来表征它在2个不同阶段的开断能力。仿真分析了燃弧时间对这些特征参数即开断能力的影响,从而得到了最佳燃弧区间。通过对比10 kV和35 kV系统用真空断路器最佳燃弧区间的试验研究结果,证明了仿真分析的有效性。     

融合连续过渡模型与Helmer模型的真空断路器开断模型研究

真空断路器广泛应用于中压等级电网中,在频繁操作场景下易出现过电压问题,而真空断路器的弧后暂态过程直接决定了其分断特性和过电压特征。为解决现有真空断路器模型难以同时对其弧后过程和高频特性仿真的问题,该文搭建了融合连续过渡模型和Helmer模型的真空断路器开断模型,并通过试验和计算确定其仿真参数。以切除35kV系统用并联电抗器为例,研究该真空断路器融合模型与连续过渡模型和Helmer模型计算结果的差异。结果表明,融合模型能够同时考虑弧后介质恢复过程中重击穿和冷间隙重击穿现象;其弧后参数计算与连续过渡模型基本一致,高频开断特性和Helmer模型较为接近。通过分析高频开断过程中的鞘层生长和重击穿情况,可以得到引起真空断路器高频重击穿的主要原因。该文仿真结果验证了所提出的真空断路器开断模型的准确性,可为真空断路器高频分断条件下的弧后鞘层发展分析和重击穿原因判断提供参考。     

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。     

金属蒸气作用下弧后等离子体扩散过程的二维粒子模拟

研究弧后阶段等离子体扩散过程是研究真空断路器弧后介质绝缘恢复的基础,有助于提高真空断路器的开断性能。该文通过建立二维蒙特卡洛粒子仿真模型,模拟真空断路器燃弧过程中的剩余等离子体在弧后瞬态恢复电压作用下的扩散过程,仿真过程中考虑了等离子体与金属蒸气的碰撞。另外,分析金属蒸气密度对弧后等离子体扩散过程的影响。结果表明,金属蒸气密度越高,等离子体扩散速度越慢,鞘层内电场越强,但带电粒子速度降低;与无金属蒸气情况相比,金属蒸气作用下,等离子体扩散过程中不再出现密度整体下降、鞘层发展速度迅速增加等特征,弧后电流随时间下降平缓,但当金属蒸气密度较低时,等离子体扩散过程又表现出与无金属蒸气时类似的特征。     

利用双探针阵列对真空电弧电子扩散过程的试验研究

以多探针阵列为测量手段，应用微机测试系统对数据进行处理分析，导出了电子密度及电子温度分布，对比研究了横向和纵向磁场触头真空电弧等离子体扩散过程，并对大开距下电子密度的特性进行了研究。     

真空电弧离子扩散过程的试验研究

本文简述了以多探针阵列为测量手段，应用微机测试系统对数据进行处理分析，导出了电子密度及电子温度分布，对比研究了横向和纵向磁场触头真空电弧等离子体扩散过程，并对大开距下电子密度的特性进行了研究。     

真空断路器瞬态恢复电压与弧后电流相互作用仿真研究

为进一步理解真空断路器开断过程中的电流零区现象,仿真分析了真空断路器开断短路故障和切除电容器组时瞬态恢复电压(transient recovery voltage,TRV)和弧后电流的相互作用。在PSCAD/EMTDC中建立了基于Langmuir探针理论的真空断路器弧后电流仿真模型,仿真结果和试验结果相符,验证了模型有效性。仿真结果表明:开断短路故障时,是否考虑弧后电流对TRV没有明显的影响,弧后电流大小则与TRV上升率成正比;切除电容器组时,弧后电流对起始TRV有显著影响,但对工频恢复电压没有影响。此外,短路类型、短路点位置、短路合闸相角、系统等效电感、电容等网络参数对TRV和弧后电流也有很大影响。研究成果有助于分析不同工况下真空断路器面临的开断考验。     

系统故障参数对真空断路器开断性能影响的建模与仿真研究

建立了基于扩散型真空电弧开断的真空断路器黑盒模型。以电流过零点为界,针对燃弧阶段建立了电弧电压模型,并根据试验数据确定了相关系数;针对弧后介质恢复阶段建立了基于朗缪尔探针理论的弧后电流模型,不同瞬态恢复电压（TRV）上升率对应的仿真结果与试验结果一致。基于所建立的模型,采用不同的方法评估了短路电流直流分量造成的真空断路器等效开断能力下降倍数,结果表明：燃弧能量法进行评估时最苛刻,转移电荷法次之,电流有效值法最轻。采用弧后电导表征真空断路器的弧后介质恢复程度,结果表明：TRV上升率主要影响弧后1.5 μs以后的介质恢复速率,而过零前短路电流下降率仅影响初始弧后介质恢复速率。最后给出了部分系统故障参数对真空断路器开断性能的影响规律。     

真空断路器弧后仿真模型及参数优化方法研究

弧后介质恢复特性直接决定了真空断路器的开断性能,对其进行建模与仿真有助于深入理解真空断路器的开断过程。笔者在PSCAD/EMTDC中建立了基于朗缪尔探针理论的真空断路器弧后仿真模型,克服了连续过渡模型在求解时易出现数值振荡和电流截断的问题;并实现了基于模拟退火—单纯形法的参数优化方法,可有效克服单纯形法存在的可能陷入局部极小值而无法达到预期优化目标的缺点。通过不同瞬态恢复电压下弧后电流的仿真结果和试验结果,验证了仿真模型及其参数优化方法的有效性。研究成果为真空断路器开断特性的研究提供了一种有效的方法。     

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.     

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。     

真空灭弧室弧后介质强度恢复的不稳定性

本文通过测量真空灭弧室弧后恢复电压和屏蔽罩电位的波形，发现在弧后介质强度恢复过程中，屏蔽罩 电位波形在接近真空灭弧室极限开断电流时，会产生严重的无规律畸变，并伴随有弧后残余粒子消散时间的延长。从而证实真空灭弧室的弧后介质强度的恢复过程不仅存在着速度的快慢，而且存在着不稳定性，这种不稳定程序随极限开断电流的临近而加剧。它与真空灭弧室 的弧后击穿和开断失败有着密切的联系。     

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。     

真空断路器燃弧时间的统计分析

本文通过对开断试验中真空断路器开断额定短路电流时燃弧时间的统计分析,以求得从燃弧时间角度对真空断路器开断性能进行评估。     

真空电弧镀膜中等离子体参数的实验研究

本文运用Ｌａｎｓｍｕｉｒ静电探针技术，对真空电弧镀膜过程中，基片鞘层附近区域的电子能量电子密度值及其受基片偏压影响而改变的关系进行了实验测量。结果表明，在环境压力为５．３２Ｐａ电弧电流为７５Ａ，进行钛金属薄膜沉积时，等离子体参数的特征值表征为电子能量值１～５ｅＶ．电子密度值１０１１ｃｍ－３左右；且随着基片偏压值的增大，电子能量有缓慢的增加，而电子密度则显著下降。最后，对测量结果进行了分析与讨论。     

真空断路器开断寿命的测量

通过几种不同方法来测量或推断真空断路器的开断寿命可能得到截然不同的结论 ,为了调解这些关于纵磁场熄弧真空断路器的不同结论之间的差异 ,并提供一个共同的解决办法 ,本文推荐一种新的基于开断水平及触头间燃弧时间的估算触头寿命的方法。     

10kV真空断路器弧后延时重击穿过电压及其对电容器绝缘影响的研究

结合国内真空断路器老炼技术和并联电容器补偿装置的运行经验,并通过开断并联电容器补偿装置时真空断路器弧后延时重击穿现象所引起的过电压发展过程的网络计算和概率分析,认为真空断路器良好的高频灭弧性能对过电压有强烈的抑制效应,采用单相法或三相法老炼合格的断路器开断并补时不会造成电容器绝缘的损害。     

大电流真空电弧开断过程瞬态特性仿真分析

针对开断过程中传统稳态模型无法表征真空电弧动态特性问题,以工频电流下开断峰值为10 kA大电流真空电弧为研究对象,搭建等离子体弧柱区二维物理模型,在已有双温磁流体动力学稳态模型中引入密度、温度、压力及速度等流场参数时变项,同时利用动网格技术控制弧柱区变化速率,模拟触头分闸过程,综合考虑电流及开距变化情况下等离子体各物理场参数变化,以获取开断时电弧微观流场瞬态特性,探究开断过程中电弧形态及能量变化。分析结果可知：离子压力、温度、电子温度和阳极表面能流密度均随动、静触头分离而减小;离子速度无明显变化;等离子体不断向外扩散,由于电流减小,金属蒸汽源也逐渐减少,极间等离子体密度降低,阳极尚未达到活跃程度,最终电弧熄灭。     

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。     

快速真空断路器分闸速度对短路电流开断燃弧时间窗口的影响

快速真空断路器由于其具有分闸时间短、分散性低等优势,便于电力系统短路故障选相快速开断的实现。然而,现阶段关于快速真空断路器短路电流可靠开断燃弧时间区间的研究仍属空白。文中目标旨在研究快速真空断路器分闸速度对其可靠开断的燃弧时间区间的影响。实验采用直径为58 mm、材料为CuCr50的平板触头。快速真空断路器分闸速度分别设置为2.5、3.5、4.5 m/s。实验依据国家标准GB/T 1984—2014关于40.5 kV T100s(b)试验方式进行。结果显示,随着快速真空断路器分闸速度的提升,其可靠开断的最短燃弧时间和最长燃弧时间呈降低趋势。研究结果可为快速真空断路器短路电流可靠选相开断策略的制定提供理论依据和技术支撑。