新型混合型限流断路器分析及试验

研究了一种基于高速斥力开关的交直流两用混合型限流断路器方案,该限流断路器在限流过程中先经过一个强迫换流过程,使得触头分离时高速斥力开关上电流减小到较小值,触头分离后再经历一个自然零电压换流过程,将斥力开关电流换流到二极管支路上。重点对限流断路器换流过程进行了理论分析及仿真,分析了其可能出现的4种分断情况。研制了400V/500A限流断路器样机,并进行了不同短路电流上升率的限流试验,验证了理论分析的正确性。

改进混合型限流断路器限流特性及换流电弧能量分析

混合型限流断路器兼备了机械开关良好的静态特性和固态开关无弧快速分断的动态特性,是国际上断路器研究的新方向。为了对高di/dt电流下混合型限流断路器的换流电弧能量进行分析,在已研制出的两种混合型限流断路器样机基础上,开展了相同实验线路参数和设定动作值条件下的两种限流断路器方案的对比实验。改进方案可将电流上升率di/dt为18A/μs的短路电流限制到7.5kA,分断动作时间1ms,相比于初始方案,改进方案分断速度更快,限流能力更强。进而计算了2种方案在不同短路电流上升率下的换流电弧能量,并分析了电弧能量对触头烧蚀特性的影响。改进方案能够有效地降低换流电弧能量,减小电弧对触头的烧蚀,提高触头寿命。研究表明改进方案更适合需要多次分断高di/dt短路电流的应用场合。

混合型真空限流断路器短燃弧短间隙下的介质强度恢复试验研究

介质强度恢复特性是制定新型混合型真空限流断路器分断策略和设计其换流参数的重要参考依据。该文搭建了合成试验平台,对直径45mm平板CuCr50触头的真空灭弧室在直流20kA、短燃弧、运动短间隙下的介质强度恢复特性开展了试验研究。在触头以平均速度为3m/s分离的过程中,针对不同的燃弧时间,在电流以约为220A/μs的速率下降、强迫过零后的不同时刻施加上升率约为400V/μs的测试电压,以获得对应燃弧时间的介质强度恢复特性。研究结果表明:在100μs的燃弧时间内,触头间隙的介电强度均能以很快的速度恢复到静态耐压水平;燃弧时间增大到320μs时,触头间隙的介电强度很久不能恢复;燃弧时间继续增长,触头间隙是否被击穿具有不稳定性。由此得到了断路器的设计原则:在100μs的燃弧时间内,增大燃弧时间可使触头承压时的开距增加,提高真空灭弧室电流过零后的电压耐受裕度。

混合型直流限流断路器用晶闸管开通过程的瞬态温度场分析

短路脉冲电流的上升速率大于晶闸管的开通扩散速率,导致晶闸管硅芯片导通局部电流密度变大造成过热击穿。建立了晶闸管开通过程的电热模型,针对仿真参数开通速度和仿真加载项功耗进行研究。试验测量晶闸管开通过程中斜率电阻变化趋势,得到晶闸管的开通速度;将开通过程中的晶闸管等效为时变电阻,得到晶闸管的功耗时间特性。通过仿真,得到窄脉冲大电流工况下晶闸管开通过程温度分布特性。设计单脉冲电流发生电路摸底测试了晶闸管的极限耐受电流,并验证了仿真结果的准确性。仿真结果中晶闸管的最大温升能够准确反映器件状态,为晶闸管在窄脉冲大电流工况下器件选型和冗余量评估提供了依据。

基于电磁斥力原理的高速触头机构仿真分析与设计

为了分析电磁斥力机构主要参数对斥力机构作用效果的影响,以指导基于电磁斥力原理的高速机械触头机构的设计,在对电磁斥力机构工作原理进行细致分析的基础上,推导出斥力的计算方程。采用有限元仿真计算的方法分析了不同机构参数对电磁斥力的影响规律,为优化设计提供依据。设计了基于电磁斥力原理的高速机械触头机构样机,样机的实验结果验证了仿真分析正确、可靠,同时表明该机械触头的初始分离时间为220μs,能够满足混合型限流断路器对高速机械触头机构快速动作、高速运动特性的要求。

电磁斥力机构中驱动电容参数对触头初始电气间隙的影响

混合型限流断路器采用电磁斥力机构作为机械触头的高速驱动机构,为了进一步提高混合型限流断路器分断的可靠性,本文采用理论分析结合有限元仿真的方法,分析了电磁斥力机构驱动电容参数对电磁斥力的影响。研究表明在电磁斥力机构脉冲驱动电容储能相等的情况下,小容量高充电电压的驱动电容能够使机械触头在运动初期形成更大的开距,提高断路器关断时过电压的承受能力。样机试验结果证明研究结论的正确性。

新型3 kA触头机构的设计及温升分析

设计了一种混合型限流断路器用3 kA触头机构。在对动、静触头接触电阻进行计算的基础上,采用新型Ansys有限元软件对触头机构的3 kA通流温升进行仿真分析。仿真得到触头机构上的最高点温升为45 K,可满足相关标准对混合型限流断路器的温升要求。通流试验验证了仿真结果的正确性。

考虑弹性变形的电磁斥力机构运动特性分析及实验

当前就电磁斥力机构运动特性的分析,研究者们普遍将其各组件假定为刚体进行计算。经研究发现,如果沿用该假定,将会导致数值计算与实验测量的结果相差甚远。为了解决该问题,该文在斥力机构运动特性的数值计算中,考虑到各组件在巨大斥力作用下的弹性变形,并将其引入到计算模型当中。基于上述研究思路,采用大型商用软件ANSYS workbench的Explicit Dynamics模块,建立斥力机构运动特性的非线性动力学数值计算模型。为验证上述理论分析的正确与否,制作额定4k V/6k A电磁斥力机构的工程样机,并完成数值计算与实验测量的对比分析,一致性较好。研究发现,增加斥力盘的厚度、增大中间轴的直径,可以有效地减小刚分时间和增大初始运动速度。所得到的数值计算平台及规律性认识,可用于指导电磁斥力机构的工程设计。

高速电磁斥力机构的基本原理与仿真分析

混合型限流断路器是现代直流电力系统有效的短路保护设备,其中用于驱动高速限流断路器机械触头高速分闸的电磁斥力机构性能决定了混合型限流断路器的限流水平及分断的可靠性。分析了电磁斥力机构的工作原理,通过理论推导得到了电磁斥力的解析表达式,在此基础上得到其运动方程。介绍了电磁斥力机构的瞬态场有限元仿真方法,建立了1000 V/400 A样机的仿真模型,样机试验结果验证了理论分析与仿真计算的正确性,为电磁斥力机构的进一步优化设计打下坚实基础。