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。

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。

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。

多断口真空开关电弧磁场调控需求与机理

为寻求多断口真空开关有效的磁场调控措施,提出多断口真空开关协同效应的概念,分析了多断口真空开关的磁场调控需求——动态电压分布与动态介质恢复强度协同作用。在此基础上,搭建了多断口真空开关磁场调控试验研究平台,设计了试验用脉冲磁场调控系统,研究了不同磁场方式、脉冲宽度、磁场强度、施加时刻等对真空电弧发展过程及弧后电流、电荷等特性的影响规律。以动态电压分布为调控目标,研究了不同磁场组合方式下的动态电压分布特性,得到了磁场调控对电弧发展、弧后特性、动态电压分布的影响规律。实验结果表明,磁场调控机理为磁场调控电弧发展影响零区及弧后特性,进而影响弧后动态电压分布与动态绝缘特性。该研究结果为串联用真空灭弧室优化设计及多断口真空开关磁场调控提供了参考依据。

多断口真空开关不平衡磁场计算与优化

为研究多断口真空开关不平衡磁场分布及影响,首先引入了多断口真空开关磁偏弧的概念,并分析多断口真空开关串联电弧及连接部分对各个断口磁场分布的影响,使其失去对称性,存在不平衡磁场。然后建立了不同布置方式下的双断口真空开关磁场模型,得到了不同布置方式情况下的磁场分布。最后通过双断口真空开关磁场数据与单个真空开关的磁场数据进行矢量计算,得到了双断口真空开关连接布置方式及串联电弧间相互影响引起的不平衡磁场的影响规律。仿真结果表明在双断口真空开关不同布置、不同距离情况下,在电流为10 kA时,不平衡磁感应强度<30 mT,随着距离的增加,不平衡磁感应强度减小,并可知铜屏蔽罩外围进行导磁材料涂层可以有效抑制不平衡磁场。该研究得到了多断口真空开关不平衡磁场的分布及优化措施,为多断口真空开关布置方式及紧凑型优化设计提供了参考依据。

单断口和三断口串联真空灭弧室绝缘击穿统计特性

建立了由3个真空灭弧室串联后组成的三断口真空灭弧室模型。通过施加工频交流高压和冲击高压,重点研究在相同的总开距下,与单断口真空灭弧室模型相比,三断口真空灭弧室模型的静态击穿电压增益特性和静态击穿统计特性,包括三断口真空灭弧室在工频交流电压下的静态电压分布特性。试验研究表明,不同的串联布置方式表现出不同的断口电压分布特性。断口电压分布特性越均匀,则击穿电压增益倍数越高。击穿统计特性试验研究表明,三断口真空灭弧室相比单断口真空灭弧室具有更低的击穿概率。试验结果与理论分析相吻合,证明了理论模型的有效性。