冷阴极真空开关导通特性研究综述

对于空间环境应用的真空开关,可以省去人工环境下的开关密封结构和附属抽真空等设备,有效减轻体积重量,且具有真空环境天成、无需密封、绝缘强度高、恢复速度快等优点,在空间环境中有巨大的应用潜力。首先对国内外的真空开关导通特性研究进展进行了系统介绍,分析了多种类型真空开关的工作特性,评述其优缺点,并对自击穿型沿面闪络真空开关和触发型真空开关的导通机制进行了总结分析;其次分析了关于冷阴极材料的应用研究;然后概括介绍了本课题组在冷阴极真空开关方面的工作进展;最后探讨了冷阴极真空开关的发展趋势,为脉冲功率驱动源的空间环境应用奠定技术基础。

基于激光诱导等离子体的真空开关真空度检测稳定性研究

基于激光诱导等离子体成像的真空开关真空度检测方法是一种非接触式真空度检测方法,有望实现安全可靠的真空开关真空度带电检测。但是,激光诱导等离子体的演化是一个十分复杂的物理过程,激光能量、等离子体测量延迟时间等因素直接影响了等离子体成像,对等离子体成像稳定性的影响需要进行更加深入的研究。为此采用相对标准偏差研究了等离子体成像平均次数、激光能量和等离子体测量延迟时间等对等离子体图像和等离子体辐射强度积分稳定性的影响。结果显示,多次成像平均得到的等离子体图像和辐射强度积分不随平均次数发生明显变化,可用于表征真空度。更重要的是,等离子体辐射强度积分的相对标准偏差随平均次数和激光能量的增加而单调下降,随延迟时间的增加而增大,这意味着对等离子体进行多次成像平均,增加激光能量,减小等离子体成像的延迟时间可以提高等离子体辐射强度积分的稳定性,有利于提高真空度检测精度。该研究为基于激光诱导等离子体成像的真空开关真空度检测方法的参数优化提供了指导,为该方法的实际工程应用奠定了实验基础。

双断口真空开关分断速度对动态电压分布影响

多断口真空开关的均压问题可以通过内在调控措施解决,分断速度是内在调控措施之一,但是对于速度调控的研究尚未深入。为研究操动机构分断速度对双断口真空开关动态电压分布的影响,在分析开断速度对电压分布影响机理的基础上,提出双阶段速度控制方法。并建立双断口真空开关模型,仿真分析同步、异步、变速分断情况下的电压分布情况。设计真空开关速度调控装置,搭建真空开关分断速度测试平台。试验表明:同步开断时,高低压侧开关速度变化对断口的电压分布影响较小。异步分断与变速分断均可以通过分断速度的改变调控动态电压分布,动态电压不均匀系数最多可降低15%。文中成果为研究多断口真空开关通过速度调控电压分布提供数据参考。

快速真空开关合闸触头弹跳暂态过程研究

以电磁斥力驱动器作为操动机构的快速真空开关具有分闸速度快,分合闸时间短和分合闸时间分散性小的优势,目前已广泛应用于多种电力设备中。目前对于快速真空开关的分闸过程已有众多研究,但合闸过程的相关问题尚属空白。文中研究了快速真空开关合闸过程中触头弹跳问题。建立了多物理场耦合仿真模型,完整描述了快速真空开关的合闸过程。得到了快速真空开关的v1与Dmax的关系,其中v1为合闸过程中动静触头首次接触的瞬时速度,Dmax为动触头的最大弹跳距离。根据这一关系式,确定了合闸过程中无触头弹跳情况下的临界瞬时合闸速度vcri。根据vcri限制,设计了一种新型的油阻尼器来调节快速真空开关的合闸行程曲线,实现无触头弹跳合闸。研制了装备新型油缓冲器的快速真空开关,搭建了机械特性测试平台,对其合闸特性进行了测试。测试结果表明:测量结果与仿真结果之间的误差不超过10%,且实现了无触头弹跳合闸。

环保型高压真空开关电流开断基础

针对“双碳”战略下绿色环保开关设备的发展需求,“真空灭弧+洁净空气”绝缘方案对于开关设备的SF_(6)替代目标而言是一种彻底的解决方案。对于真空开关向更高电压等级发展面临的关键问题进行全面分析,重点阐述真空开关在高电压大电流下的开断问题。基于真空电弧的基础理论,将弧后介质恢复过程分为残余等离子体消散阶段、金属蒸气恢复阶段、金属液滴与熔融触头表面恢复阶段,并对比分析3个阶段下真空灭弧室电极间隙的恢复特性。针对环保型真空开关向更高电压等级发展的需求,总结归纳真空灭弧室在绝缘设计、电弧控制、X射线辐射、载流发热方面的关键问题,阐述洁净空气绝缘在实际应用过程中的难点和解决措施,旨在为252 kV及以上电压等级真空开关的研究与设计提供参考。最后,讨论高压真空开关的研究现状和发展趋势。

国内外真空开关技术的发展概况

真空开关技术是当前中高压开关领域的尖端技术。本文论述了近年国内外该技术的发展和现状。

纵磁式真空开关电弧基础研究

本文论述纵磁场作用下真空电弧的基本特性,包括电弧电压、电弧形态和开断能力与纵磁场强度的关系。为了进一步揭示更深层次的电弧特性,特引用近期日本东芝公司的研究结果,并加以分析和讨论,供国内有关制造和研究单位的技术人员参考。

采用模糊控制和脉冲宽度调制技术的同步真空开关位置伺服控制器设计

为保证真空开关动作时间长期稳定性,针对同步真空开关性能受开关动作时间分散性的影响,采用了位置伺服控制使真空开关动触头实现预定的最佳参考轨迹运动。在分析控制电压、环境温度、闲置时间等因素对永磁机构真空开关运动及操作时间影响的基础上,给出了同步真空开关位置伺服控制原理;设计了基于模糊控制和脉冲宽度调制(PWM)技术的同步真空开关位置伺服控制器,并对35kV同步真空开关进行了伺服控制性能测试。测试结果表明,真空开关动触头能很好地跟踪参考轨迹运动,开关合分闸时间分散性在±0.2ms范围内,满足IEC62271-302标准对开关操作时间一致性的要求。

真空开关动作时间的自适应控制

相控开关技术可以有效地削弱电网各类负载投切操作引起的系统暂态过程,是建设智能电网的重要技术之一。真空开关选相操作的技术关键是控制真空开关机构的运动特性,实现真空开关在不同环境下的动作时间稳定。利用模糊PID自适应控制技术,针对基于永磁机构的真空开关提出一种新型控制驱动方案;并基于TMS320LF2407A处理器实现了新型真空开关永磁机构驱动控制系统的设计。实验研究验明了该控制系统在环境因素变化时可保持合闸时间误差稳定在±0.25 ms以内。

真空开关电弧图像采集及其处理过程

设计了真空开关电弧试验装置,并对真空开关电弧图像采集系统进行了分析研究,对所采集得到的真空开关电弧图像利用Matlab进行了边缘检测、中值滤波、灰度增强处理。试验结果表明,该试验装置可成功地在电极之间触发起弧,通过图像采集系统得到真空开关电弧图像,利用处理系统对真空开关电弧的边缘进行检测,对图像噪声进行了有效抑制,增强了图像的视觉,为对真空开关电弧形态和等离子体参数的有效可靠的诊断奠定了基础。

相控真空开关同步关合电容器组控制策略及其实现

讨论了并联无功补偿电容器组关合时的暂态过程;分析了电容器组中性点接地和不接地两种情况下关合的最佳时机;对电容器组随机关合和同步关合过程进行仿真,表明采用同步开关技术可以大大减小电容器组投入时的过电压和涌流.仿真结果还表明同步控制误差必须在±1ms内,同步关合才能达到与预插入合闸电感相同的效果.结合一分相控制永磁机构真空开关,实验证实同步关合电容器组效果良好,所提同步关合的控制策略正确.

多断口真空开关技术的发展与研究现状

在分析国内外高电压等级真空开关的总体现状的基础上,对多断口真空开关技术的发展与研究现状进行了综述,研究了多真空间隙串联的静态绝缘特性、多断口真空开关的动态绝缘特性及对多断口真空开关的操动机构及控制系统3个方面的内容。认为在解决各断口均压分布及同步问题后,多断口真空开关技术是实现高电压等级真空开关的合理选择。

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。

基于CCD真空开关电弧等离子体参数诊断方法

为了实现对真空开关电弧等离子体参数的有效诊断,设计了真空开关电弧试验装置,建立了利用高速摄像CCD信号对真空电弧等离子体参数诊断的试验模型,并通过Abel变换和量子力学计算分析得到了等离子体参数中电子温度、电子密度数学表达式,最后结合算例验证了公式的有效性。

多断口真空开关的动态介质恢复及统计特性分析

从双断口真空开关的等值模型出发,分析了双断口真空开关的动态介质恢复过程,说明只要恢复电压的峰值和上升速度低于某一极限值,整个双断口真空开关并不会因为一个灭弧室发生重击穿而导致开断失败。在此基础上,理论推导得到双断口及多断口真空开关的击穿电压最大可能增长倍数K_n,同时引入“击穿弱点”概念和概率统计方法,分析建立了双断口及多断口真空开关的静态击穿统计分布模型和弧后重击穿统计分布模型,它们可以用来有力解释双断口及多断口真空开关与单断口真空开关相比开断能力有显著提高的机理。最后对电场应力x的物理意义进行了讨论,说明x实质上代表的是微粒引导真空间隙击穿所需的能量。

真空开关电弧形态演变实验与仿真研究

真空开关电弧形态演变与其物理特性的变化密切相关,对开关能否成功开断电流有重要影响。本文首先建立了真空开关开断故障电流产生电弧的实验系统。然后利用CMOS高速相机采集电弧燃烧过程,并对电弧形态演变进行了较深入地定性分析。实验结果表明,燃弧过程中,真空电弧起始呈现集聚状态,包含桥柱电弧、扩散柱电弧和收缩柱电弧,电弧明亮,对触头烧蚀严重;在弧柱内高气压作用下,电弧转变为扩散状态,包含了亚音速和超音速电弧流动,电弧变暗,对触头烧蚀减轻;最终电弧随电流减小,开距增大而熄灭。最后利用电弧MHD模型仿真计算了电弧扩散阶段的光强变化,计算光强与电弧图像明亮度变化趋势吻合,可用于定量分析电弧形态变化。研究工作有助于提出电弧调控策略,从而成功开断大电流。

采用电网高压母线负载电流供能的光控真空开关模块操动机构电源设计

基于光控真空开关模块操动机构的需要,提出一种采用电网高压母线负载电流供能的光控真空开关模块操动机构电源技术。以此论述了操动机构电源的工作过程,进行了操动机构电源取能线圈的理论计算与电源电路拓扑结构的选型,设计了基于UC3845的单端反激式开关电源的硬件电路,实现了操动机构电源的输入输出保护功能。实验证明,操动机构电源可在电网高压母线额定电流10%～120%区间稳定工作;以1个4700μF电解电容和2个2200μF电解电容为负载进行间隔30 s连续充放电104次测试,电源样机工作正常;进行电磁兼容性实验电源样机无损坏,测试结果良好。操动机构电源样机在光控真空开关模块中能可靠运行。

多断口真空开关的绝缘与击穿统计特性

从长间隙真空开关的击穿特性出发,理论推导得到了双断口及多断口真空开关的击穿电压最大可能增益倍数,并运用“击穿弱点”的概念和概率统计方法建立了双断口及多断口真空开关的静态击穿统计分布模型,认为无论是双断口真空开关还是n个断口串联起来,其击穿的统计概率都比单断口的击穿统计概率小。建立了三断口真空开关试验模型, 对单断口真空灭弧室模型和三断口真空开关模型进行了大量的冲击击穿特性试验。研究表明,三断口真空灭弧室比单断口真空灭弧室具有更低的击穿概率,试验数据与理论分布曲线基本吻合。

真空开关电弧对阳极加热作用的仿真研究

真空开关电弧对阳极的加热过程是影响真空开关开断能力的关键物理进程之一。为此建立了阳极热过程模型,综合考虑焦耳加热、热传导和空间热辐射等作用,加载前期真空电弧仿真所得的阳极表面热流密度边界条件,采用显热容法处理相变潜热,对真空开关开断电流过程中阳极加热过程及弧后冷却过程展开研究,分析了阳极温度、熔融区尺寸、表面蒸气压和蒸汽流量密度等的变化情况。研究结果表明:1)阳极最高温度出现时刻滞后于电流峰值时刻2~3 ms。2)典型燃弧参数条件下,t=8 ms时阳极温度最高,熔融区尺寸最大;弧后阳极温度初始下降速度快,在t=12 ms后熔融区消失。3)随着电弧电流峰值增大,阳极中心点温度升高,熔融区存在时间延长,弧后短暂时间内阳极表面蒸气压和蒸气流量密度很高,将影响间隙介质恢复过程。