考虑电动斥力的真空断路器刚柔耦合系统机械特性研究

针对真空断路器分闸过程涉及到的灭弧室侧电磁力与操动机构侧机械运动的耦合计算问题，结合Mayr-Cassie混合式电弧模型、灭弧室电磁场模型以及操动机构刚柔耦合动力学模型提出一种断路器分断过程电-磁-机械动态特性耦合计算方法。基于真空断路器分断过程动态特性计算结果，通过显式动力学方法对分闸过程中触头弹簧系统的冲击碰撞现象进行模拟计算，并结合应变寿命理论及Miner累计损伤理论计算触头弹簧结构的工作寿命，在此基础上对触头弹簧结构进行优化改进工作。研究结果表明：在断路器分闸过程中电动力方向并不总是为触头斥开方向，在超程阶段结束之前动触头承受的电动力为斥开方向，在超程结束后动触头承受电动力为闭合方向；在承受分闸冲击时，优化前的触头弹簧结构应力危险范围在弹簧销与导向套的接触界面处，应力数值为273.28 MPa,其疲劳寿命为2 027次，优化后的触头弹簧结构疲劳寿命为12 030次，满足断路器产品额定机械寿命的要求。     

大开距条件下杯状纵磁触头间隙磁场特性

“碳达峰、碳中和”目标的提出使得高压真空灭弧室的研制与发展受到广泛的关注与重视。为此,通过增大杯壁开槽旋转角的方式探究了6槽杯状纵磁触头在高压真空灭弧室中应用的可能性。研究结果表明：增大开槽旋转角是大开距下增强6槽杯状纵磁触头间隙纵向磁场的有效手段;适当地增大触头杯高和杯壁厚度不仅会使得触头电阻明显下降,也使得开槽旋转角进一步增大,从而使得纵向磁场得以继续增强;支撑件的添加可以使具有较大开槽旋转角的触头结构强度明显增加,而间隙纵向磁场的下降并不明显。论文研究结果可以为杯状纵磁触头在高压真空灭弧室中的实际应用提供借鉴与参考。     

大开距纵磁结构触头磁场特性的数值分析

通过分析几种用于中压真空灭弧室中的触头结构,探讨了将它们应用在高压真空灭弧室中的可能性。并用有限元的方法对单极线圈式和杯状纵向磁场触 头结构在大开距条件下的磁场特性进行了仿真计算。采用改变部分触头结构参数的方法来优化磁场分布,在分析计算结果的基础上探讨了将它们应用于高压真空灭弧室中的可行性。结果表明,在大开距条件下即使经过优化,1/3匝线圈式纵磁触头结构和杯状纵磁触头结构所产生的磁场也不足以控制真空电弧,而1/2匝线圈式纵磁触头有较强的纵向磁场,适合于大电流的开断。     

126 kV真空断路器操动机构机械可靠性研究

文中在分析讨论传统可靠性设计方法在真空断路器机械可靠性设计应用中存在局限性的基础上,提出基于失效物理和可靠性物理(PoF/RP)的真空断路器操动机构及其零部件可靠性设计方法,对操动机构内部传动部件的冲击疲劳寿命计算方法进行了理论分析。分别对126 kV单断口真空断路器弹簧操动机构、分离磁路式双稳态永磁操动机构,以及快速斥力机构在断路器合分闸操作冲击应力作用下易损部件的疲劳寿命进行了分析。计算结果显示:弹簧操动机构合分闸联锁挚子在断路器合分闸操作冲击应力的作用下其疲劳寿命计算结果为1 654次;双稳态永磁操动机构在断路器以2.5 m/s速度分闸、1.5 m/s速度合闸时,其动、静铁心在冲击应力作用下的疲劳寿命17 710次;快速斥力机构触头簧传动支撑部件在断路器以5.5 m/s速度分闸、1.3 m/s速度合闸过程中,其冲击疲劳寿命为302次;该计算结果与实验结果相近。     

AMF与TMF高频磁场特性仿真对比分析

真空灭弧室的灭弧性能与真空灭弧室触头的磁场特性密切相关,其中纵向磁场(AMF)灭弧技术与横向磁场(TMF)灭弧技术应用最为普遍。基于人工零点的高压直流真空断路器,引入高频震荡电流帮助开断,为了分析真空断路器开断高频电流情况下的磁场特性,文中建立了两种类型的触头结构进行有限元仿真,对比分析真空灭弧室磁场特性以及触头片涡流情况。结果表明:在高频电流开断情况下,横磁结构触头与纵磁结构触头相比有更好的磁场特性分布;触头片涡流是影响纵磁结构触头磁场特性恶劣的关键因素,而对横磁触头间隙磁场特性几乎没有影响。     

一种具有横纵磁场的新型真空灭弧室触头三维磁场仿真

对一种由螺旋槽横磁触头和杯状纵磁触头并联组成的新型真空灭弧室触头结构进行了磁场仿真,该触头内部的横磁触头和环形触头片材料为CuCr50,外部的纵磁触头的杯座材料为不锈钢。建立了三维触头结构模型,采用有限元分析方法对电流处于峰值时和电流过零时动、静触头表面和触头间隙中心处的静态磁场和瞬态磁场进行仿真,瞬态磁场计算过程中考虑到了涡流的影响。结果表明,该结构触头产生的纵向磁场在动、静触头表面及触头间隙中心处分布较均匀且磁通密度满足要求,有效磁通密度区域占触头表面积较大,电流过零后剩余磁场少,磁场滞后时间小,且导体电阻小。     

10kV户外柱上断路器容量性能试验的关键点及控制措施

对带隔离开关的户外柱上断路器而言,容量性能试验要求为过程中不能发生真空灭弧室触头和隔离开关触头打火或熔焊现象。从真空灭弧室触头的选型、断路器机械特性参数的调试、隔离开关触头形式的选择、隔离开关触头压力的调校四个方面,通过多次容量性能试验的摸底测试,分别提出了真空灭弧室触头采用杯状纵磁结构触头,机械特性调试参数满足灭弧室的技术参数,隔离开关触头采用线接触形式,及隔离开关触头压力值控制在(185±25)N的技术关键点,并对真空灭弧室的生产和隔离开关触头的压力值也提出了控制措施,为柱上断路器的器件选型、关键工艺控制、质量管控等提供了参考。     

真空断路器合闸速度与动触头合闸弹跳探析

由于真空断路器触头采用平面对接方式接触,合闸瞬间动静触头碰撞会引起动触头弹跳,动触头合闸弹跳时间是真空断路器机械特性的一项重要参数。对真空断路器而言,稳定的性能参数是其安全运行的前提。动触头合闸弹跳时间是影响真空断路器的电寿命、机械寿命、触头熔焊和合闸过电压的重要因素。真空断路器动触头合闸弹跳分散性很大,影响因素也很多。从动静触头接触产生碰撞为切入点,研究解决动触头合闸     

五种纵向磁场真空灭弧室触头磁场特性分析比较

用三维有限元法研究了线圈、杯状,两极和四极及双线圈五种纵磁真空灭弧室触头的纵向磁感应强度分布、触头片上涡流分布和纵向磁场滞后时间.研究表明:(1)电流峰值时纵向磁场由强到弱依次排列为:线圈式触头、两极式结构、双线圈式触头、杯状和四极式触头;(2) 电流过零时剩余磁场由弱到强依次为:四极式触头、两极式触头、杯状触头、双线圈式触头和线圈式触头; (3)纵向磁场较强处滞后时间由小到大依次为:两极式触头、四极式触头、线圈式触头、双线圈式触头和杯状纵磁触头.     

35kV真空灭弧室最佳开距的研究

利用合成回路对外屏蔽罩式杯状纵磁触头结构的３５ｋＶ真空灭弧室进行了研究。不同开距下的试验结果表明,３５ｋＶ真空灭弧室存在着一个最佳的开距范围,在此范围,内,弧后重燃次数较少,且弧后耐压水平较高。     

基于正交设计的杯状纵磁真空灭弧室磁场特性分析

采用正交设计方法对杯状纵磁触头的杯厚、杯指数等7个触头设计参数进行实验设计，用三维有限元方法对实验方案进行磁场特性分析，其中磁场特性包括纵向磁感应强度、纵向磁场滞后时间以及导体电阻值。通过对实验结果进行方差分析，得出了触头设计参数对磁场特性影响程度的定量关系，由此找出影响杯状纵磁触头磁场特性的显著因素与非显著因素。对显著因素和实验结果进行回归分析，得出杯状纵磁触头磁场特性与显著因素关系的回归方程。采用正交设计方法，大大减少计算次数，提高计算质量。得到的结果可以为真空灭弧室的研究和设计提供参考。     

真空断路器合闸弹跳的危害性

<35 kV户内高压真空断路器通用技术条件>(ZBK97004-89)将合闸弹跳时间定义为断路器在合闸时两触头刚接触至两触头稳定接触瞬间为止的时间.所有直读数据的开关特性测试仪都是按照这个定义来设计制造的.影响灭弧室电寿命的是电弧,而电弧只有在合闸瞬间动静触头不接触时才会产生,在动静触头接触时不会产生.大量实践及理论分析均表明,真正对真空开关的电寿命有影响的因索是:合闸过程中,触头刚接触至触头稳定接触瞬间为止,这期间的触头断开时间.供电部门在工程安装时,一般都在<电气装置安装工程电气设备交接试验标准>(GB50150-91)对设备进行验收,GB50150-91第11.0.7条规定:真空断路器合闸过程中,触头接触后弹跳时间不应大于2 ms,这与实际工作有差异.因为技术不断地在发展,新型触头材料抗熔焊极好,在发生熔焊时,熔焊点呈脆性,破坏熔焊点所需的力小于真空断路器的分闸力,目前许多国外同类产品如日本东芝公司10 kV断路器只要求弹跳小于10 ms,新型触头材料的应用已为合闸弹跳的时间突破2ms创造了条件.目前许多真空灭弧室规定的合闸弹跳时间都可大于2 ms,仅要求小于3 ms,甚至5 ms.     

基于阳极放电模式的杯状纵磁触头真空灭弧室分闸速度设计

真空断路器短路开断能力与真空电弧的控制技术及断路器分闸速度的控制技术紧密相关。该文的研究目标为基于真空电弧强电弧模式向扩散态模式转变规律对杯状纵磁触头真空灭弧室分闸速度进行设计。通过对杯状纵磁触头在不同分闸速度、不同燃弧时间条件下进行拉弧试验,研究的影响强电弧模式持续时间、强电弧模式转变为扩散态模式时刻的临界纵向磁场及与之对应的临界触头开距与分闸速度的关系。试验结果显示,真空灭弧室分闸速度和燃弧时间对真空电弧阳极放电模式的演变具有显著影响,较高的分闸速度能够使得强电弧模式快速转变为扩散态模式。强电弧模式转变为扩散态模式时刻对应的临界触头开距及其临界纵向磁场强度、强电弧模式持续时间,随电弧电流的增大而增大,且不同的分闸速度条件下强电弧模式转变为扩散态模式的临界触头开距具有峰值效应。在真空断路器分闸速度的设计过程中,宜使得真空灭弧室刚分速度高于该峰值临界触头开距所对应的分闸速度。研究结果可为应用杯状纵磁触头的真空断路器的分闸速度的设计提供理论依据。     

真空发电机断路器用真空灭弧室触头电感分析

介绍了用合成回路测量真空灭弧室触头电感的方法,并进行了理论计算.计算结果与测量结果接近,说明测量方法可行、结果可靠.测试表明,本文中铁芯式两极纵磁触头对的等效电感为1.02μH,杯状纵磁触头对的等效电感为0.99μH.     

发电机出口真空灭弧室触头磁场分布优化与试验

针对发电机出口断路器特殊的工作条件,从真空灭弧出发,选择市场上成熟的杯状和线圈式纵磁触头作为研究对象,首先分析了典型杯状和线圈触头间隙磁场分布情况,对比了2种结构磁场分布的差异。然后对2种触头的关键结构分别进行优化,利用仿真分析的方法对比了改进前后触头间隙磁场分布的改善情况。最后基于改进结构的2种纵磁触头在可拆卸真空腔体内进行不同短路电流下的燃弧试验。从试验结果看,杯状触头电弧能更好地在触头表面维持扩散态,而线圈触头存在磁场集聚,电弧"偏烧"的情况,预测在更大短路电流下杯状触头的熄弧性能和抗烧蚀能力会优于线圈触头。该文开展的触头间隙磁场和电弧试验研究为发电机出口真空灭弧室的进一步试验研究提供了重要参考依据。     

合闸涌流对真空断路器重击穿特性的影响

真空开断技术已广泛应用于电力系统,但真空断路器在电容器组应用中仍存在问题,无法满足其投切要求,原因在于合闸涌流会破坏真空断路器绝缘性能。本文进行了在容性电流投切过程中合闸涌流影响真空灭弧室重击穿特性的试验研究。试验过程中分别对7.2kV和40.5kV等级真空断路器进行了电容器组投切试验。试验结果表明合闸涌流会直接影响触头表面状态,进而影响重击穿现象。当涌流幅值从0上升到5kA,7.2kV等级真空灭弧室重击穿概率会从5%上升到30%;当涌流幅值从4kA上升到5kA,40.5kV等级真空灭弧室重击穿概率会从3%上升到20%;此外,合闸涌流也会影响重击穿发生时间,随合闸涌流幅值上升,重击穿发生时间显著提前。     

纵磁真空灭弧室的临界磁场

简要介绍了美国西屋公司最近研究获得的纵磁真空灭弧室交流临界纵磁经验公式,它对于设计灭弧室纵磁触头结构有重要的参考价值。     

大容量发电机断路器用真空灭弧室

随着真空开关技术的发展,采用新型纵磁均布式触头技术的真空发电机断路器成功地通过了严酷的12kV/6300A/80kA型式试验。结果表明,其真空灭弧室结构先进、性能优异、完全符合GB/T14824-93发电机断路器通用技术条件的规定。本文着重探讨满足发电机回路严酷条件下大电流真空灭弧室的核心设计和型式试验。     

真空灭弧室零区剩磁补偿装置及效果

为研究纵磁真空灭弧室零区剩磁对电弧发展、弧后介质恢复强度的影响,建立10kV杯状纵磁触头真空灭弧室的暂态磁场模型,分析不同开距时零区剩余磁场分布和相位滞后情况,得到涡流对零区剩余磁场的影响规律。在此基础上,设计纵磁触头真空灭弧室零区剩磁补偿装置,该装置可实现脉宽0.5ms、磁场强度范围-50m T～50m T的自动补偿。搭建纵磁触头真空灭弧室零区剩磁补偿试验研究平台,通过高速CMOS相机拍摄电弧发展演变过程,采用弧后电流测量装置获得弧后特性参数,研究不同补偿磁场条件下的电弧发展过程、弧后电流和开断能力的影响规律。研究表明:电流为10kA时,杯状纵磁真空灭弧室零区剩磁为11.91～22.93mT,相位滞后为0.46～0.92ms,通过实验验证了零区剩磁补偿后开断能力提高了7.8%,所作研究为纵磁真空灭弧室触头优化和零区剩磁补偿提供了参考依据。     

真空断路器合闸弹跳时间长问题处理

真空断路器合闸弹跳是真空断路器机械特性的一项重要参数,弹跳时间长会产生较高的过电压,影响灭弧室的寿命。分析了合闸弹跳时间长的危害及产生原因,阐述了减小合闸弹跳时间的方法及理论分析,得出了适当增大触头超程弹簧预压缩,是减少真空断路器合闸弹跳时间的有效方法的结论。