高压直流转换开关辅助回路振荡特性参数的检测与分析

为实现高压直流转换开关的可靠操作,在高压直流转换开关类型、结构原理及转换过程数学模型研究的基础上,研究开发了1套高压直流转换开关辅助回路振荡特性参数的现场测试系统。结合±800 kV雁门关换流站系统通过分析高压直流转换开关类型及结构原理,给出辅助回路振荡特性参数测试的试验原理及测试方法,完成直流场4种直流转换开关辅助回路电容和电流衰减特性的测试,并计算给出辅助回路衰减周期、振荡频率、回路电感、回路电阻等参数值。结果表明4种直流转换开关辅助回路的振荡特性参数满足高压直流输电系统的要求,同时也证明了该测试方法及试验系统的有效性及正确性,为下一步直流转换开关辅助回路振荡特性参数现场试验应用提供依据。     

高压直流输电用无源型直流转换开关电弧电流特性研究

直流输变电系统用无源型高压直流转换开关是直流系统中的重要运行设备,其运行工况及工作特性极其特殊。笔者通过对高压直流转换开关工作原理及工况进行研究,并依据试验测得的断口电弧电流曲线的特征,对高压直流转换开关开断转换电流的电弧电流特性进行理论研究及分析,给出了电弧电流特性函数,指出高压直流转换开关开断的关键点是断口的弧阻小,变化率大,L1C1辅助支路频率高,才能开断较大的直流电流。     

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。     

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.     

高压直流开断试验回路的研究

文章描述了直流开断的试验回路装置及其试验结果。试验表明,简易高压直流断路器的气吹电弧具有负阻特性;转移回路参数对于实现自能式振荡熄弧开断影响显著,存在着一个与断路器电弧时间常数相适应的最佳转移振荡频率;简易气吹高压直流断路器的开断能力随气吹压力的增加而升高,燃弧时间随开断电流的加大而延长,文章还对高压直流开断试验回路的等价性做了进一步的分析和讨论。     

H_2和空气下的直流开断电弧的燃弧特性分析

为解决航空电器要求体积小、重量轻、开断容量大的问题,选用H2和空气开关电器样机进行试验研究,建立直流开断试验电路,分析不同气体下直流电弧的电弧电压、电流波形、燃弧时间特性,电弧能量特性及电弧相转变过程。试验结果表明,H2比空气开关电器燃弧时间短、灭弧能力强,具有应用于航空供电系统的优势。     

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。     

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。     

碳电极交流电弧伏安特性的实验研究

交流电弧伏安特性是电器开关能够可靠熄弧的关键所在。本文首先借助电弧发生装置完成了空气介质中碳材料交流电弧电压和电弧电流的测试,进而应用小波分解与重构方法获得了电弧伏安特性的数学描述。并以能量平衡原理阐释了交流电弧零休与燃弧期间的物理过程。针对实验中零休期间电弧电流为非零恒定值的现象,提出并证明了零休期间电弧可等效为恒定电容的结论。最后实验研究了电源电压和电极开距参数对起弧电流和零休时间的影响。所得结论可应用于电器开关熄弧过程中等效电路模型及暂态响应分析。     

特高压直流转换开关MRTB电弧特性仿真与实验研究

针对特高压直流转换开关MRTB,基于磁流体动力学理论建立了MRTB开断的燃弧过程数学模型。从电弧的物理过程出发,耦合了外部电路与机械运动对电弧的影响,实现了对MRTB灭弧室内电弧自激振荡的动态过程仿真计算。获得了开断中,SF6电弧温度压力等分布的内部动态过程以及电弧电压与振荡电流随时间变化的曲线,并进行了实验验证。研究工作可以应用于分析转换开关自激振荡中的电弧物理过程、研究不同电路参数的影响、优化断路器的灭弧室设计等方面,为特高压直流转换开关MRTB的研制与优化奠定了理论基础。     

短空气间隙弧阻模型的研究

为了研究气体间隙的高频电弧特性,笔者设计了一种短空气间隙的放电试验回路。测量了间隙击穿时两端的电压及通过间隙的电流,经分析计算得到了短空气间隙击穿后电弧的变化规律以及燃弧阶段的弧阻最小值r_0。短空气间隙在击穿后的几十ns内弧阻从10~(12)Ω量级跌落至最小值r_0,持续几个μs后恢复。改变回路频率以获得不同频率下的弧阻最小值r_0以及燃弧持续时间t。当回路频率从4.8～13.5 MHz变化时,r_0从0.4Ω增大到5.0Ω,而燃弧时间t从4.0μs减小为0.9μs。将实验结果与各种电弧电阻模型计算值进行对比,在燃弧前期(0～1.1μs)Kushner电弧模型与实验结果较为吻合,但Kushner电弧模型的燃弧时间比实验值长。     

气吹作用对CO2、CO2/C4-PFN、CO2/C5-PFK混合气体燃弧特性的影响

CO2及其混合气体在替代SF6方面已表现出较大的应用潜力,研究其燃弧特性对于新型断路器的研发具有重要意义。为此设计了模拟直动式和压气式高压负荷开关的燃弧过程的实验装置,搭建了多参量综合测量的实验平台,针对CO2及其与C4–PFN、C5–PFK混合气体在拉弧以及喷口限制吹弧条件下的燃弧特性开展了实验研究,对燃弧过程中的电弧电压、电弧电流以及电流过零附近的零区特性进行了测量,并利用Mayr电弧模型,对比了不同燃弧实验中CO2及其与C4–PFN、C5–PFK混合气体的弧后击穿特性。研究发现:气吹作用对于小电流期间电弧的能量耗散有着极强的促进作用;在拉弧实验中,CO2气体的热开断性能大约为SF6的50%,C5–PFK–CO2混合气体的热开断性能约为SF6的75%,而C4–PFN–CO2混合气体则与SF6的热开断性能相当;在吹弧实验中,CO2、C5–PFK–CO2和C4–PFN–CO2混合气体的热开断能力分别大约为SF6的45%、68%和91%。     

频率对压气式高压SF_6断路器燃弧特性的影响

研究不同频率对高压SF_6断路器开断特性的影响对于提高60 Hz条件下断路器的开断能力具有重要意义。基于此,建立了二维电弧磁流体动力学(MHD)模型,并考虑了电磁场、电弧辐射以及喷口烧蚀的影响,在保证燃弧时间均为17.36 ms条件下,仿真计算了50 Hz和60 Hz电弧的燃弧过程。比较分析了燃弧期间灭弧室的温度和气压分布规律,并研究了不同频率对电弧电压以及喷口烧蚀情况的影响。结果表明:电弧熄灭时刻,50Hz轴向温度低于60 Hz,最大轴向温度差值接近2 200 K,轴向气压略微高于60 Hz,说明50 Hz下的建压效果和过零时刻的气吹冷却效果均优于60 Hz;50 Hz电弧输入总能量和喷口烧蚀质量都少于60 Hz,而在熄弧前的半波,50 Hz比60 Hz喷口烧蚀质量高7.3%,提高了50 Hz下的建压效果;50 Hz情况下的熄弧电压尖峰显著高于60 Hz,说明其介质恢复情况好于60 Hz;从而解释了不同频率对压气式高压SF_6断路器电弧开断特性的影响。     

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。     

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。     

非接触式高压直流开关工作状态在线检测技术

高压直流开关是高压直流输电系统中的核心设备之一,其工作状态直接影响直流输电系统的安全稳定运行。为了实时准确地获取高压直流开关的运行状态和各项参数指标,提出了一种非接触式高压直流开关在线检测方法。该方法通过采集高压直流开关振荡回路电流,运用遗传算法计算出振荡回路RLC参数,采用小波理论分析振荡回路电流波形,进一步判断开关燃弧时间及开断过程各阶段工作状态。同时研制出高压直流开关的在线检测系统,通过对实验室模拟平台和±500kV直流换流站进行现场实验,可得其高压直流开关振荡回路电感参数测量误差限定在3.77%以内,电容参数误差限定在2.39%以内,实验结果充分证明了非接触高压直流开关的在线状态检测方法和装置对高压直流开关参数计算的正确性和可靠性。     

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。     

中频供电系统真空电弧开断过程与液滴喷射分析

为研究真空开关在航空交流中频(360～800Hz)供电系统中的开断性能,该文选择触头直径为41mm、触头材料为CuCr50合金的真空灭弧室,进行短路开断实验;研究开断过程,拟合得到电弧电压与频率和电流、极限开断能力与频率的关系式;分析弧后液滴喷射现象,计算液滴的受力和运动轨迹。结果表明:中频真空电弧的电压峰值和电压上升率随电流频率和峰值的增加而增大;而电流开断能力随频率增加而下降,但与等值的工频电流相比,由于燃弧时间缩短,触头烧蚀减弱;电弧重燃时,有金属液滴从弧隙向外喷射,喷射速度范围为10～20m/s,驱动力为从燃弧区域内部向外的压力,压力梯度约为7.9×10~4 Pa/mm。     

高速铁路中受电弓升弓过程弓网电弧电气特性

弓网电弧电气参数是高速铁路中弓网系统电接触特性的重要表征参量。为此,基于弓网电弧试验系统,研究了高速铁路中弓网电弧的伏安特性,分析了升弓过程中燃弧尖峰电压、燃弧时间和稳定燃弧电压的变化规律。测试了升弓过程中电弧电压,分析了其发展规律,利用气体电介质击穿理论和流注理论分析了弓网间隙击穿电压。对升弓过程中燃弧尖峰电压随弓网间隙距离的变化规律进行了曲线拟合。最后,研究了电流对电弧电压特性的影响。试验结果表明:弓网电弧伏安特性关于原点非对称;在受电弓连续升弓过程中,燃弧时间先增大后减小,燃弧尖峰电压与弓网间隙距离满足指数关系,拟合优度系数R0.97;电弧稳定燃弧电压随电流的增大而略有减小;燃弧尖峰电压变化斜率随电流的增大而增大。研究结果可为分析实际运行条件下的弓网电弧提供参考。     

封闭容器内部短路燃弧特性及电弧电压计算

为了准确计算金属封闭开关设备发生短路燃弧时产生的能量,通过开展小尺寸封闭容器内部短路燃弧试验,利用L-C振荡试验回路获得不同充电电压和间隙距离下的电弧电压和电流等数据,详细分析了封闭容器内部燃弧特性,结果表明：封闭环境中电弧电压与压强成正比;电弧电压有效值随电流变化具有较大的不确定性,间隙距离对电弧电压的影响更为明显,当间隙距离为5、10和15 cm时,电弧电压有效值的平均值分别为130.4、208.0、252.2 V。同时考虑到封闭环境中的电弧电压随机性较大,提出了一种基于支持向量机的电弧电压计算方法,并与基于Mayr电弧模型的计算结果及试验结果进行了对比,对比结果证明所提方法优于Mayr电弧模型,计算结果与试验测量值的平均绝对百分比误差仅为4.04%。