Analysis of multiple-faults of high-voltage circuit breakers based on non-negative matrix decomposition

High-voltage circuit breakers are the core equipment in power networks,and to a certain extent,are related to the safe and reliable operation of power systems.However,their core components are prone to mechanical faults.This study proposes a component separation method to detect multiple mechanical faults in circuit breakers that can achieve online real-time monitoring.First,a model and strategy are presented for obtaining mechanical voiceprint signals from circuit breakers.Subsequently,the component separation method was used to decompose the voiceprint signals of multiple faults into individual component signals.Based on this,the recognition of the features of a single-fault voiceprint signal can be achieved.Finally,multiple faults in high-voltage circuit breakers were identified through an experimental simulation and verification of the circuit breaker voiceprint signals collected from the substation site.The research results indicate that the proposed method exhibits excellent performance for multiple mechanical faults,such as spring structures and loose internal components of circuit breakers.In addition,it provides a reference method for the real-time online monitoring of high-voltage circuit breakers.

Fluid-chemical modeling of the near-cathode sheath formation process in a high current broken in DC air circuit breaker

When the contacts of a medium-voltage DC air circuit breaker(DCCB) are separated, the energy distribution of the arc is determined by the formation process of the near-electrode sheath. Therefore, the voltage drop through the near-electrode sheath is an important means to build up the arc voltage, which directly determines the current-limiting performance of the DCCB. A numerical model to describe the near-electrode sheath formation process can provide insight into the physical mechanism of the arc formation, and thus provide a method for arc energy regulation. In this work, we establish a two-dimensional axisymmetric time-varying model of a medium-voltage DCCB arc when interrupted by high current based on a fluid-chemical model involving 16 kinds of species and 46 collision reactions. The transient distributions of electron number density, positive and negative ion number density, net space charge density, axial electric field, axial potential between electrodes, and near-cathode sheath are obtained from the numerical model. The computational results show that the electron density in the arc column increases, then decreases, and then stabilizes during the near-cathode sheath formation process, and the arc column's diameter gradually becomes wider. The 11.14 V–12.33 V drops along the17 μm space charge layer away from the cathode(65.5 k V/m–72.5 k V/m) when the current varies from 20 k A–80 k A.The homogeneous external magnetic field has little effect on the distribution of particles in the near-cathode sheath core,but the electron number density at the near-cathode sheath periphery can increase as the magnetic field increases and the homogeneous external magnetic field will lead to arc diffusion. The validity of the numerical model can be proven by comparison with the experiment.

Comprehensive evaluation of chemical breakers for multistage network ultra-high strength gel

Polymer gels have been accepted as a useful tool to address many sealing operations such as drilling and completion,well stimulation,wellbore integrity,water and gas shutoff,etc.Previously,we developed an ultra-high strength gel(USGel)for medium to ultra-low temperature reservoirs.However,the removal of USGel is a difficult problem for most temporary plugging operations.This paper first provides new insights into the mechanism of USGel,where multistage network structure and physical entanglement are the main reasons for USGel possessing ultra-high strength.Then the effects of acid breakers,encapsulated breakers,and oxidation breakers(including H_(2)O_(2),Na_(2)S_(2)O_(8),Ca(ClO)_(2),H_(2)O_(2)+NaOH,Na_(2)S_(2)O_(8)+NaOH,and Ca(ClO)_(2)+NaOH)were evaluated.The effects of component concentration and temperature on the breaking solution were studied,and the corrosion performance,physical simulation and formation damage tests of the breaking solution were carried out.The final formulation of 2%-4%NaOH+4.5%-6%H_(2)O_(2) breaking solution was determined,which can make USGel completely turn into water at 35e105C.The combinations of“acid t breaking solution”,“acid+encapsulated breaker”and“encapsulated breaker+breaking solution”were evaluated for breaking effect.The acid gradually reduced the volume of USGel,which increased the contact area between breaking solution and USGel,and the effect of“4%acid+breaking solution”was 23 times higher than that of breaking solution alone at 35C.However,the acid significantly reduced the strength of USGel.This paper provides new insights into the breaking of high-strength gels with complex network structures.

Magneto-hydrodynamic simulation study of direct current multi-contact circuit breaker for equalizing breaking arc

This work is based on a direct current(DC)natural current commutation topology,which uses load-carrying branch contacts carrying rated current and multiple sets of series arcing branch contacts in parallel to achieve circuit breaking.The proposed topology can meet the new requirements of higher voltage DC switches in aviation,aerospace,energy and other fields.First,a magneto-hydrodynamic arc model is built using COMSOL Multiphysics,and the different arc breaking characteristics of the arcing branch contacts in different gas environments are simulated.Then,a voltage uniformity coefficient is used to measure the voltage sharing effect in the process of dynamic interruption.In order to solve the dispersion of arcing contact action,a structural control method is adopted to improve the voltage uniformity coefficient.The uniform voltage distribution can improve the breaking capacity and electrical life of the series connection structure.

高压断路器触头烧蚀及电寿命评估研究综述

随着高压断路器接近设计寿命年限其触头烧蚀情况越来越严重,评估高压断路器电寿命可提高利用效率同时保证其运行可靠性。根据近些年有关开关电器电寿命相关文献,首先从触头烧蚀数学模型出发剖析了断路器电寿命终结物理过程;然后对比了目前常用的断路器电寿命评估方法优缺点,指出数据模型是驱动设备寿命准确评估的关键,并借鉴其他类型开关电器电寿命相关研究为高压断路器靠性评估开拓了思路。最后指出高压断路器电寿命预测所面临挑战以及研究方向。

溯源弹簧形变过程的断路器振动信号递归量化分析辨识方法

从锁止机构脱扣引起储能弹簧释能,经部件带动动触头运动再到静止的每个动作具有严格阶段特征,伴随断路器动作的机械振动展现了能量传递及设备健康状态。该文提出一种溯源弹簧形变过程的断路器振动信号递归量化分析方法,首先由高速相机捕捉断路器操动时储能弹簧的动作图像,通过计算机视觉跟踪动态提取反映弹簧形变特征帧,再依据特征帧时序划分操动过程;然后将不同阶段振动信号映射至高维相空间,经递归分析得到体现动力系统变化特征的递归图,并递归量化分析其纹理结构特征;最后利用支持向量机模型对正常及故障状态下的断路器振动特征样本进行分析辨识,对比结果证明,由弹簧释能时序细化振动信号特征分析有效提高了分类识别准确率。该文方法在断路器操动机构状态辨识中具有广阔的应用前景。

高压断路器操动机构驱动电机及其控制技术研究

高压断路器操动机构用电机驱动提高了断路器运行的可靠性与可控性,因此设计了一套适用于126 kV真空断路器的电机操动机构。基于操动机构动力学分析结果确定驱动电机转矩、转速要求,提出一种有限转角永磁无刷电机设计方案,研制样机进行联机试验完成动作要求检验。在此基础上,设计分段转矩控制策略,结合驱动电机输出转矩需求将操动机构的运动过程分为4个阶段,从降低触头碰撞、避免预击穿现象发生、提高断路器工作可靠性角度对各阶段电机输出转矩进行动态调节。结果表明:所研制的驱动电机配合分段转矩控制策略,在保证灭弧室对操动机构动作时间、动作速度要求的前提下,实现了操动机构的运动过程优化和工作可靠性提高,促进了断路器智能化操作进程。

基于固态断路器主动注入式直流故障测距方法

随着直流配电网的快速发展与深化应用,准确可靠的故障测距技术对直流故障检修和恢复至关重要。该文提出一种基于固态断路器(SSCB)主动注入式直流故障测距方法。首先,利用SSCB开断主动注入不同脉冲宽度的信号,并检测注入脉冲首末端和反射波首末端的时间差作为注入波形传播时间间隔,能够减小采样频率带来的误差。然后,提取电缆线路电压线模量作为检测量,削弱正负极线路之间的耦合作用,获得稳定波速。最后,基于小波变换原理提出改进自适应模极大值方法来检测脉冲首末端时刻,减小噪声和过渡电阻对测距精度的影响。仿真结果表明,基于SSCB主动注入式测距方法在直流配电网单极接地和极间短路故障情况下均能够实现准确且快速的定位。

永磁同步电机执行机构新型控制算法研究

电机执行机构应用于断路器中,具有结构简单、动作分散小、可控性强等优点,为实现断路器开关触头对预设参考曲线的跟随提供可能。传统的控制方式参数固定无法根据断路器开关触头运动过程进行参数调整,跟随性差;智能控制算法计算复杂,影响控制系统快速性,且工程上极难实现。提出一种分段式伪微分控制策略,该控制策略避免了被控变量的直接微分,具有快速动态响应和抗干扰能力,同时,根据环境分段式赋予控制系统参数,保证了跟随精度。建立该控制策略模型进行仿真分析,并研制126 kV断路器电机执行机构控制系统以试验验证,仿真及试验结果均表明了该控制策略的有效性。

壳聚糖季铵盐对O/W乳状液的破乳性能评价

以壳聚糖季铵盐作为破乳剂,使用Turbiscan Lab稳定性分析仪实验研究了破乳剂浓度及处理温度对水包油(O/W)型乳状液破乳效果的影响。实验结果表明:在25~55℃的处理温度范围内,破乳剂最佳使用浓度约0.4%(体积分数),破乳剂浓度超过1.0%后,无破乳效果。在操作温度为25℃、破乳剂加药浓度为0.4%时,所测得的背散射光ΔBS曲线显示出良好的油水分层现象,相应的TSI曲线值达到最大,油滴粒径增大7倍,破乳过程在10 min之内基本完成。在25~55℃的处理温度范围内,破乳效果随温度升高而改善,最佳破乳温度为55℃。此研究对油田采出液破乳方法的选择具有指导借鉴意义。

动车组合闸过电压故障机理兮析及仿真研究

[目的]动车组出分相时,断路器合闸产生的过电压会加剧高压设备的绝缘老化,研究合闸过电压的产生机理及影响因素对动车组主电路绝缘匹配和设备选型具有理论意义。[方法]结合动车组主电路结构和过分相过程,分析其正常运行方式下操作过电压的形成原因。考虑真空断路器合闸弹跳特性对过电压的特殊影响,建立动车组主电路仿真模型;对比研究动车组主电路合闸过电压特征,得出主回路状态动作时刻、动车组高压电缆参数、接触网参数及设备特性对过电压的影响规律。[结果及结论]极端状态下过电压峰值为工频电压峰值的2.39倍,接近《高速动车组整车试验规范》规定的2.4倍,在极端工况下产生的过电压会对动车组高压设备的绝缘性能产生影响,甚至导致击穿现象。因此,需采取如采用相控合闸技术控制断路器在目标相位闭合、选择单位分布电容较小的高压电缆、改进真空断路器的机械特性等相关措施进行防范,以有效降低动车组合闸过电压。

基于电容分布效应的一二次融合柱上断路器断口绝缘性能分析与优化研究

针对现有一二次融合柱上断路器负载侧或电源侧单侧配置电子式电压传感器(electronic voltage transformer,EVT)后断口工频电压试验时,壳体对地电位过高造成柱上断路器破坏性放电的问题,文中对配置EVT的柱上断路器断口绝缘性能进行研究。文中首先对柱上断路器断口耐压试验时壳体对地放电问题进行了电容分布理论分析,并给出配置不同容值制作的EVT的柱上断路器在断口耐压试验时壳体与地之间的电压值。其次给出了现有国网标准化方案一二次融合柱上断路器的理论设计依据,同时指出电源侧配置EVT的一二次融合柱上断路器的绝缘设计裕度,得出在满足开关性能及EVT准确度要求的前提下,EVT高压臂尽量采用电容容值低的电容降低壳体对地电压。最后提出在现有试验方式下一种负载侧和电源侧均配置EVT的一二次融合型柱上断路器新型结构形式,并给出试验结果。分析及试验结果证明,该结构的柱上断路器断口耐压试验时,壳体对地电压小于GB/T 11022—2020规定的相对地电压42 kV,避免了断口耐压试验时壳体与地击穿的现象,并已在工程中得到广泛的应用。

适用于电动汽车的单开关动作双向固态断路器

设计了一种适用于电动汽车的单开关动作直流固态断路器,该断路器在切除短路故障时只需要通过控制一个开关的通断实现短路故障的隔离与短路能量的耗散。这里对该固态断路器的不同工作状态进行分析,建立相应的数学模型,并以此作为参数设计的理论依据,设计完成后在电动汽车动力电池输出400 V/20 A工作模式下进行短路切除实验,实验结果表明:电动汽车没有发生短路故障时,单开关动作直流固态断路器不影响电路的正常运行;当电动汽车发生短路故障后,该断路器能在5 ms内自动关断,且可以平滑的吸收故障电流使固态开关所承受的峰值电压小于550 V,对电动汽车具有可靠的保护作用。

固态断路器多IGBT串联混合均压电路设计

固态断路器需多IGBT串联切断短路故障电流,针对多IGBT存在电压分配不均、局部电压过高、损耗大等问题,提出一种混合式均压控制电路拓扑结构。分析固态断路器多IGBT均压影响因素,研究均压拓扑性能。优化缓冲电路结构,改进充放电型缓冲电路,减小损耗;引入双阈值钳位控制电路,改善IGBT过电压;提出被动均压与辅助反馈主动均压结合的混合均压控制策略,加快响应速度,实现均压动态自适应调节。制作样机,进行固态断路器设计拓扑和控制的仿真及实验验证,结果表明:混合式均压控制电路可减小IGBT电路超调量,具备更强的抑制过电压能力,提升响应速度。

手跳线路分相断路器失灵时预防事故扩大的方法

现场出现了几起手跳分相断路器时一相或两相断路器失灵的情况,但目前的规范并未要求手跳断路器失灵时启动失灵保护,若由零序过流保护动作切除负荷电流,可能导致事故扩大。目前南网220 kV线路保护通过修改软件实现了三相不一致和单相运行三跳动作后远跳线路对侧,但国网以及南网有些地区的保护不具备软件升级条件,提出了将手跳继电器触点和断路器三相位置不一致状态触点串联后接入纵联电流差动保护的其他保护动作开入方法。该方法简单可靠,便于实施。

一种基于磁耦合转移原理的10kV直流断路器

直流电流没有自然过零点,因此开断直流短路电流比开断交流短路电流更为困难。本文介绍一种基于磁耦合电流转移原理的中压10kV直流断路器拓扑方案,该断路器可实现对15kA直流电流的快速开断。首先,对直流断路器原理和控制逻辑进行介绍;然后,根据拓扑方案提出快速机械开关、电力电子开关、磁耦合装置等核心部件的设计思路;最后,搭建仿真模型对该方案进行仿真分析,模拟不同工况下的开断情况,仿真结果验证了该方案的有效性。

真空与气体一体化串联机械开关及其直流快速转移应用

为提升中压混合式直流断路器的自然换流性能,该文提出一种真空与气体一体化串联机械开关,分析真空与气体一体化串联用于电流转移性能的工作原理。并基于此设计了双超程联动的真空与气体一体化串联开关实验样机,研究了气体类型、气压、触头结构、触头材料等参数对电弧电压特性的影响规律,确定了W70Cu桥式两触点结构,采用H2和N2体积比为2:3、气压为0.3 MPa的氢氮混合气体,弧压可由20 V提升到120 V,电流转移时间由1 900μs缩短至300μs。同时测试了静态瞬态开断电压(TIV)分布特性,真空间隙承担主要电压(55%),串联整机耐压水平为20 kV。验证了真空与气体一体化串联开关应用于中压混合式直流断路器的可行性和有效性。

高海拔环境下大容量直流空气断路器灭弧性能研究

高原轨道交通和电工产业转型对起关键保护作用的大容量直流空气断路器(LC-DCCB)提出了更高要求,但现有产品在高海拔地区的开断仍存在一定问题。该文以轨道交通用LC-DCCB为研究对象,首先基于磁流体动力学(MHD)理论,考虑湍流效应的影响,对其在高海拔环境下开断18 kA短路电流进行仿真;然后对电弧形态及灭弧室内温度场、电磁场、气流场进行分析,得出高海拔地区空气电弧开断困难的主要原因;最后根据仿真与理论分析,考虑采用合理数量和布局的间插式U型栅片改善电弧开断特性。结果表明:随着海拔的升高,电弧前期运动速度加快,但断路器的灭弧性能降低;在高海拔环境下电弧存在严重的弧根粘滞和弧根拖尾现象,弧根拖尾畸变空间电场,不利于熄弧;同时,在不同海拔环境下,电弧会产生不同程度的反向运动现象,易导致弧后重燃。该研究深入揭示了高海拔环境下LC-DCCB电弧演变过程及复杂开断现象背后的物理本质,可为该类产品研发提供理论指导。

塑壳断路器短路分断能力提升方法研究

短路分断是断路器的核心功能,提高断路器的短路分断能力是市场的持续需求。针对有效提升塑壳断路器(Moulded Case Circuit Breaker,MCCB)短路分断能力的方法开展了研究。利用栅片电压测量分析法可以检测灭弧栅片在短路分断时切割电弧的情况,评估各灭弧栅片切割电弧的性能以及电弧在灭弧室内的动态特性,为电弧优化提供参考数据。利用有限元仿真的方法进行电磁力计算,有利于快速验证优化设计方案而免去实际的试验验证,节约产品的研发成本,缩短产品的研发周期。蒸汽喷射控制(Vapour Jet Control,VJC)产气材料的运用也能够进一步提高产品的短路分断能力。综合运用以上设计方法,能够在不会大幅增加研发成本的基础上,快速提升MCCB的短路分断能力,工程应用价值较好。

低压直流固态断路器关键技术研究

相较于机械式断路器,固态断路器因其更快的分断速度和更高的寿命等优点被广泛关注。介绍了一种基于SiC器件的低压直流固态断路器拓扑和工作原理,分析其技术难点,包括低感封装及器件设计、隔离开关技术和快速故障识别技术。研制了一种±375 V直流固态断路器样机,同时进行了故障电流关断测试和温升测试。结果表明所设计直流固态断路器能够在百微秒内实现1 kA短路电流分断,并具备快速故障识别、保护曲线可编程、外部通信与远程控制等功能。