喷口结构对半自能式SF_6断路器最短燃弧时间的影响

最短燃弧时间是衡量断路器性能的重要参数,笔者提出一种控制最短燃弧时间的优化方案。首先以流体力学、电弧理论为基础,建立了灭弧室内流场分布和电场分布的数学模型,并以此为基础提出通过仿真确定SF6断路器最短燃弧时间的方法;然后研究了喷口结构对断路器燃弧时间的影响,提出通过改变喷口喉部出口处仰角减小最短燃弧时间的方案,仿真分析了5种不同的改进方案对最短燃弧时间的影响,并最终确定最佳优化方案。     

4种典型交流滤波器断路器灭弧室电场分析

内部绝缘不足是引起换流站交流滤波器(alternating current filter,ACF)断路器发生爆炸事故的原因之一,为此开展了典型ACF断路器灭弧室内部电场分布的仿真研究。首先,基于电场数值分析理论,采用Solidworks和ANSYS软件建立了4种典型550 kV ACF断路器三维数值仿真模型;然后,仿真分析了弧触头网格剖分尺寸对灭弧室电场计算结果的影响,基于仿真数据对比分析了4种结构的ACF断路器在熄弧后开断过程中灭弧室的电场分布和不均匀系数,评估了断路器灭弧室内部相对绝缘强度;最后,分析了燃弧时间和平均开断速度对典型ACF断路器灭弧室电场的影响,初步提出了优化措施。仿真分析结果表明:弧触头的剖分尺寸可取0.2~0.5 mm;4种典型结构ACF断路器灭弧室内电场分布属于稍不均匀场,在正常开断情况下都能满足绝缘裕度要求;增加燃弧时间和平均开断速度,能够减小典型ACF断路器灭弧室各部件最大场强,提高绝缘裕度。     

双能式SF_6高压断路器灭弧室结构设计及熄弧特性仿真研究

为满足现代电网快速切断和保护的需求,SF_6高压断路器作为主要的一类线路保护装置,其灭弧性能有必要得到加强。针对目前自能式SF_6高压断路器灭弧时存在反应时差,提出一种新型活塞助气双能式SF_6高压断路器灭弧室结构,并以此为研究对象,在分析双能加强气流形成与灭弧机理的基础上,建立灭弧过程的气流场模型与电弧模型,采用Fluent软件对灭弧室内双能加强气流截断电弧时电弧耦合气流温度场变化过程进行仿真分析。仿真结果表明:提出的双能式灭弧室结构拟用于110 kV电压等级进行灭弧时具有良好的熄弧特性,能在5 ms时间内熄灭工频电弧并且可以在后续时间内有效抑制弧触头间二次燃弧。该灭弧室结构能够在电弧熄灭后继续保持灭弧通路内有冷态气流通过,可快速降低热膨胀室内的燃弧余温。通过该研究可以为提高SF_6高压断路器开断能力提供技术参考。     

基于电弧磁流体仿真的DC 1500 V两极塑壳断路器气道优化设计

该文开发了用于DC 1 500 V光伏和储能系统的新一代两极直流塑壳断路器样机。通过DC 1 500 V/15 kA,时间常数10 ms的短路分断实验发现,电弧电压快速升至350 V是提升断路器限流和分断性能的关键。为了加快初始燃弧阶段电弧运动速度使弧压快速上升,建立了断路器触头区域的二维局部电弧磁流体仿真模型,通过分析灭弧室温度、压力分布和气流速度变化曲线,明确了初始样机中电弧运动停滞的机理,并以此为依据提出了参差栅片排布和添加导流锥的气道优化设计方案。使用优化后的样机进行分断实验,比较优化前后的电压变化曲线和电弧运动高速摄像,验证了优化方案的有效性,对于DC 1 500 V两极直流塑壳的设计开发具有很强的实践指导意义。     

微型断路器灭弧侧板材料的研究

介绍了微型断路器的短路分断能力与产品的灭弧性能的关系,及电弧的熄灭过程有前冷却（电弧进入灭弧栅片前）与后冷却（电弧进入灭弧栅片后）2个阶段。通过对比测试发现,产气热塑性材料能够明显缩短电弧前冷却时间,提高灭弧效率。     

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。     

高海拔微型断路器分断性能的数值仿真分析及应用

高海拔环境下,以空气为灭弧介质的微型断路器分断性能下降,发生短路故障时大电流对电力系统和设备本体的危害加大。为分析分断过程中的环境作用规律并开展优化设计,文中依据高海拔环境下电弧电压的变化规律将分断过程划分为四个阶段,推导出相应的电弧电压电流数值方程,分析不同预期分断电流、合闸相角、气压和电弧电压对分断过程的影响,求解数值方程得到断路器在不同条件下的电弧电流电压波形,并开展不同电流、合闸相角下的分断试验验证,得出随着分断增大,断路器分断性能考核最严格合闸相角明显改变,再在该相角下分析气压下降时的电弧电压和大电流危害表征量的变化规律,综合考虑灭弧能量和焦耳积分增加值得到高海拔环境下大电流危害增加百分数,得出低气压下断路器分断性能明显劣化,并开展断路器优化设计,数值计算其电弧参量并试验验证优化设计后的大电流危害下降程,得出优化设计后大电流危害表征量降低至低海拔地区的相应值,所提数值仿真方法实用有效。     

电容缓冲式混合直流断路器的实验研究

针对电容缓冲式混合直流断路器在无弧开断模式下,IGBT耐压过高造成通态损耗过大的问题,提出了一种新的开断模式——燃弧开断。利用PSCAD软件建立了仿真模型,经仿真分析可知,燃弧开断模式下的IGBT耐压要求相对无弧模式显著降低。设计了高速机械开关和换流实验回路,分析了实验等价性,进行了两种开断模式下的换流实验以及燃弧开断的等价性实验。实验结果表明,燃弧开断模式下的机械开关分断到一定开距时电流转移,能够承担逐渐上升的恢复电压,无需IGBT承担电压。无弧开断模式因存在机械开关固有分闸时间、初速度较慢和潜在"分流现象"等问题,IGBT需承担较高电压。实验结果在一定程度上验证了燃弧开断模式能够降低IGBT耐压要求的结论。     

小型断路器灭弧室气流场分析与设计应用

断路器产品的灭弧室结构设计对有效灭弧至关重要。针对某小型断路器产品灭弧室设计,建立简化三维气流仿真模型,并进行气流场动态仿真。结合试验观测,定性分析了电流分断过程中弧根停滞与气体回流等现象。在此基础上,对小型断路器灭弧室出气口进行了仿真分析与设计改进,有效改善了灭弧室气流特性,提升了小型断路器分断性能。     

一种断路器开断燃弧时间检测新方法

准确测量断路器燃弧时间的关键是确定电弧的起弧时刻.根据断路器开断时开断电弧的模型,详细分析了断路器开断前后电流的变化过程和开断相角等因素对燃弧时间的影响,提出了一种基于暂态电流的燃弧时间检测方法.通过对线路发生故障后的部分故障线路的三相电流录波数据滤波后进行拟合,预测之后的电流变化,并与实际电流数据比较,求得电流畸变量.当畸变量大于设定阈值时,即可认为该时间点为断路器的触头始分点;断路器首开相的触头始分点即起弧时刻.开断完成的时间点即熄弧点为相电流小于设定阈值的时间点,末开相的熄弧点为熄弧时刻.起弧时刻与熄弧时刻之间的时间差为断路器的燃弧时间.利用电磁暂态分析程序EMTP仿真证明了该方法的可行性和较高的可靠性.     

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。     

电弧仿真的高压自能SF6断路器灭弧室优化设计

随着高压自能SF₆断路器额定电压和电流的增加，其分断性能的需求也随之提高。高压断路器的分断性能与放电过程中高温气流的产生、发展和消散有关。气流造成灭弧室的温度普遍过高，导致电弧冷却环境在当前零点时的温度过高，在某些情况下，会导致短路电流断路发生故障。对于高压自能SF₆断路器，通过模拟整个断弧过程，得到了高电流阶段的膨胀室气体压力和温度，同时也可以得到电流零级阶段的电弧形状和灭弧环境参数。根据电弧模拟的结果，对膨胀室的结构设计进行了优化，并再次进行了模拟验证。仿真结果表明，膨胀室的结构优化设计后，当前零时的灭弧环境整体温度有所下降。根据电弧模拟结果对膨胀室结构进行优化设计，可以快速准确地确定灭弧室的形状和尺寸，显著提高断路器的分断性能。     

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。     

特高压电容器组专用断路器开断特性及试验研究

特高压电容器组专用断路器不但要满足短路大电流的开断要求,而且要保证额定小电流开断后不发生重击穿。文中比较分析不同灭弧室结构的绝缘性能和冷态介质恢复特性,确定最佳的灭弧室结构。计算额定1.6 k A小电流短燃弧和短路40 k A大电流开断特性,搭建试验回路,测量不同开距下的击穿电压值。结果表明:灭弧室内引弧环结构增大弧触头间的电场值,降低冷态开断介质恢复速度和击穿裕度;屏蔽罩结构对大喷口打开后的弧触头间电场分布具有屏蔽作用;小电流电弧燃弧时间越短,击穿裕度值越小,尽量避免燃弧时间小于0.5 ms,保证弧后具有较大的击穿裕度。预测开断短路电流的最短燃弧时间为15 ms,断路器对开断短路长燃弧的稳定性较高,介质恢复速度较快。文中计算结果与试验结果基本吻合,由于试验击穿点存在分散性,在刚分时刻后0.5 ms内存在重击穿的可能,分闸过程应避免在此时间范围内熄弧,保证燃弧时间大于0.5 ms。     

短路电流直流分量对断路器电弧长度、压气室压力、喷口气体质量流的影响研究

随着电网容量的不断增大,电力系统短路电流直流分量的时间常数有很大可能大于其标准时间常数45 ms。目前非对称短路电流直流分量对断路器燃弧阶段关键参数的影响规律尚无研究。因此,文中研究目标是获得短路电流直流分量对断路器燃弧阶段关键参数的影响规律。基于高压断路器内部结构建立电弧物理焓流仿真模型,分别研究气体断路器开断对称电流和非对称电流时,燃弧阶段的关键电弧参数如电弧长度、压气室压力、喷口处气体质量流等参数的变化规律。研究结果显示:相同燃弧时间条件下,相比于对称短路电流,非对称短路电流开断时,电弧长度变化不大,而燃弧过程中压气室压力、气体质量流略有增加。而在相同分闸时刻条件下,相比于对称短路电流,非对称短路电流开断时的燃弧时间有可能更长,导致电弧长度、压气室压力、喷口气体质量流数倍增长。然而,无论是在相同燃弧时间条件下,还是在相同分闸时刻条件下,上述关键电弧参数的变化使气体断路器的KEMA黑盒电弧模型计算得到的断路器开断能力的变化明显小于短路电流直流分量的增长所要求断路器需达到的开断能力量级。研究结果解释了断路器开断高直流分量的短路电流时,开断易于失败的原因,并可为提升高压断路器非对称短路电流开断能力提供理论依据。     

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。     

万能式断路器分断特性的试验研究

针对某万能式断路器（ACB）的灭弧系统,以单频 LC 振荡回路提供单相交流短路电流,采用熔丝引弧方式对影响 ACB 分断特性的因素进行了试验研究。试验结果表明,通过改变出气口最内侧隔弧板材料和安装位置及增大灭弧栅片与动触头引弧角距离等方案,可提高分断过程的电弧电压,能够为灭弧室的优化设计提供参考依据。     

CO_2气体断路器弧后击穿特性计算分析

六氟化硫(SF_6)具有优良的绝缘与灭弧性能,广泛应用于电力设备中,但该气体是一种强温室气体,已被要求限制甚至停止使用。二氧化碳(CO_2)灭弧性能优良,作为一种潜在的灭弧介质替代SF_6气体具有较大应用前景。针对CO_2气体在高压气体断路器中的应用,围绕弧后击穿特性这一核心问题,通过磁流体动力学电弧仿真和弧后热击穿与电击穿特性评估,分析了CO_2气体电弧的弧后介质恢复特性,及其与SF_6气体的差距,进而探讨了采用CO_2气体作为高压气体断路器灭弧介质的可行性与关键问题。结果表明:文中断路器结构下CO_2电弧热开断能力约为SF_6气体的28.7%;弧后CO_2气体介质恢复速度较SF_6气体慢,动触头前端的区域电击穿发生概率较高;提高CO_2气体充气压力可有效提高电弧热开断能力和弧后介质恢复强度;该研究可为环保型高压气体断路器的研制与优化提供参考。     

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。     

直流大功率接触器自磁场灭弧室电弧特性研究

新型轨道交通牵引系统配电系统一般为直流供电制,其额定电压与电流一般为kV和kA级,因此作为配电系统中的关键元器件,各类直流大功率接触器的需求也进一步提升.制约产品发展的核心问题是直流大功率感性负载条件下接触器灭弧能力及灭弧速率.基于此,该文研究一种自吹弧式灭弧室的电弧特性.通过仿真给出灭弧室主触头流过不同直流电流产生的自吹弧磁场分布,对比分析阻性与不同时间常数感性负载下的分断电弧特性和燃弧能量.最终提出灭弧室内"磁场竞争模型"用以解释燃弧过程中的电压临界值和时间常数临界值现象.自磁场吹弧式灭弧室接触器具有分断高电压、大电流及大时间常数感性直流负载的能力,具有很强的实际应用价值和理论研究意义.