基于改进结构的自激式直流空气断路器小电流开断能力提升方法

大容量自激式直流空气断路器(SE-DCCB)广泛应用于轨道交通电力系统中,其可以快速切断大等级短路电流。但是SE-DCCB分断几百安小电流时自激磁场较小,导致电弧燃弧时间较长甚至开断失败。该文通过耦合自激线圈磁场的改进磁流体动力学(MHD)模型,仿真得出双气流涡旋和弧根黏滞是SE-DCCB开断小电流失败的主要原因。为了提高SE-DCCB开断小电流的能力,对其结构进行改进,改进结构SE-DCCB采用安装导磁条的导磁板,并减小跑弧道转弯角半径,可以加快弧根运动速度、削弱小电流开断时的双气流涡旋和弧根黏滞现象,从而缩短燃弧时间。同时,改进结构SE-DCCB降低了电弧熄灭时刻灭弧室入口处的温度,能够减小电弧熄灭后重燃的概率,提升其开断小电流的性能。该研究揭示了SE-DCCB小电流难以开断的物理本质,可为轨道交通用空气断路器提供研发指导。

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。

直流空气断路器高海拔环境下电弧重燃现象及其抑制措施

高海拔环境下直流空气断路器(DC ACB)在电弧开断过程中易发生重燃,导致开断失败的概率增加。为了抑制DC ACB高海拔开断时的电弧重燃,以轨道交通用车载DC ACB为研究对象,建立了二维磁流体动力学(MHD)仿真模型,分析了不同海拔下DC ACB中的电弧演变过程,通过增大横向磁场及设置“C”形栅片对其高海拔开断性能进行优化。结果表明增大横向磁场,2 km、3 km海拔下DC ACB不发生电弧重燃,但4 km、5 km海拔下发生电弧重燃。4 km、5 km海拔下,在增大横向磁场的基础上采用含“C”形栅片的改进灭弧室结构,能够使DC ACB在高海拔环境下成功开断。

磁吹直流空气断路器弧根跃迁及对开断特性的影响研究

直流空气断路器的弧根跃迁与其开断特性有着密切的关系。该文搭建实验平台,采用高速摄像机拍摄电弧演变过程,得到清晰的弧根跃迁图像,观测弧根跃迁过程中的“双弧根”现象。基于磁流体动力学理论,建立二维磁吹直流空气电弧模型。模型中赋入鞘层条件,通过耦合外电路模块模拟实验工况,对开断过程中电弧温度场、气流场及弧根跃迁现象进行分析。在此基础上,完成磁场、烧蚀金属蒸气浓度变化对弧根跃迁及开断特性影响的仿真研究。结果表明:磁场强弱会改变弧柱高温区的运动轨迹,影响前后侧的气流场分布,改变局部区域电导率,产生弧根的停滞与跃迁现象,显著影响断路器的开断性能。外施50m T磁场会发生弧根跃迁现象,弧根跃迁可以减少烧蚀,加速开断,其本质成因是通过“双弧根”完成的。“双弧根”现象是由于引弧板表面电导率增大,在其表面形成新的导电斑点形成的。烧蚀产生的金属蒸气不总是阻碍熄弧,当灭弧室中铜蒸气浓度达到50%~60%时,出现弧根跃迁,减少燃弧时间,有利于开断。

中压直流空气断路器短路分断电弧特性研究

基于磁流体动力学理论,考虑空间湍流影响,搭建多物理场耦合中压直流空气断路器大空间、全动态电弧模型,对中压直流空气断路器短路开断电弧进行仿真研究。结果表明:中压直流空气断路器在短路开断电弧过程中,弧根转移会导致弧压、弧流及功率出现波动,电弧弧根出现黏滞现象;栅片间弧柱区会产生电弧反向现象;电弧熄灭速度与外施磁场大小成正相关,但变化趋势并不呈现线性关系。为解决中压直流空气断路器短路电流开断困难问题,提供理论依据。

空气直流断路器开断特性试验研究

针对空气直流断路器,利用2 kV/30 kA直流断流冲击试验电路,以及高速摄影仪等,对空气直流断路器的分断过程进行了研究,获得了大量的试验数据。基于相关研究工作,研制了1 800 V轨道交通用大容量空气直流断路器。

耦合磁场直流空气断路器栅片特性对灭弧性能的影响研究

栅片材料与结构对断路器的灭弧性能有着重要的影响。该文建立了永磁体作用下灭弧室内磁场的计算模型与电弧磁流体动力学(MHD)模型,实现了两者的耦合。在此基础上,对永磁体作用下栅片材料与栅片结构对电弧动态特性的影响进行了仿真,同时考虑电源极性的影响,得出了永磁体作用下灭弧室内磁场的空间分布、电磁耦合作用下灭弧室内温度分布与气流分布,提取了灭弧室内平均温度与电弧燃弧时间等关键参数,讨论了栅片材料与栅片结构对电弧特性的影响。结果表明,外施磁场作用下铁栅片会造成灭弧室内磁短路现象。相同仿真条件下,含铁栅片的灭弧室燃弧时间最长;动触头作为阳极更有利于弧根跃迁,燃弧时间缩短;当分断电流相同时,铜-绝缘栅片对电弧的冷却效果最佳;栅片倾角可以改变气流场分布,从而影响燃弧时间。

直流空气断路器智能化测控单元的研究

本文介绍了一种新研制的直流空气断路器智能化测控单元。该单元以80C196KB单片机作为核心处理器,集保护、控制、测量、通讯、显示等功能于一体。本单元采用了整机一体化的硬件设计和实时多任务调度的软件设计方法,使单元具有准确度高、实时性好等优点。实验证明其可靠性高。

直流系统内熔断器与空气断路器配合的探讨

通过对直流系统内熔断器-熔断器、熔断器-空气断路器、空气断路器-熔断器、空气断路器-空气断路器等四种组合方式的具体分析,阐述了直流系统内熔断器与直流空气断路器之间正确配合的重要性,结合正在运行的微机型高频开关直流电源成套装置的熔断器与直流空气断路器的实际配置情况进行说明,并对直流系统熔断器与空气断路器在日常维护、检查、试验方面提出了一些建议。

轨道交通用空气直流断路器关键部件仿真研究综述

介绍了轨道交通用空气直流断路器的基本结构和分类,阐述了断路器中关键部件的工作原理,分析了关键部件的仿真研究的方法,为断路器相关部件的设计和研究提供了参考和依据。

直流空气断路器小电流开断试验研究

针对轨道交通用直流空气断路器及其磁吹系统,利用2kV/30 k A直流断流冲击试验回路,对小电流开断过程进行了试验研究。研究结果表明,磁吹系统能够辅助断路器成功完成小电流开断,并且存在开断时间最长的临界电流。此外在电流反向时,铁磁材料的剩磁使开断时间变长。试验研究对小电流开断难题的解决和磁吹系统的研制有着重要的指导意义。

基于g参数法的直流断路器内各部件间空气净距设计

为保证组成部件繁多、电位分布复杂的高压直流断路器内各部件合理布置且绝缘可靠,文中结合南澳"160kV高压直流断路器的研制"项目,通过仿真确定了直流断路器内各间隙的冲击绝缘水平,并通过g参数法提供了相关空气净距设计的参考依据,确保了160kV直流断路器内部件间合理的绝缘距离,并给出了直流断路器的空气净距设计方法,为今后直流断路器的生产提供了宝贵的经验。

直流空气断路器缩小弧区的研究

本文论述了直流空气断路器缩小弧区研究的意义,根据电弧及弧焰的特点,阐述两种缩小弧区的方法,并简单介绍了一些研究试验的情况。

5 kV快速中压直流空气断路器的研发

为满足大容量中压直流供配电系统的保护需求,开展了中压直流空气断路器的研制工作。针对中压直流空气断路器大电流分断的技术难点,结合仿真分析及试验研究,建立了空气电弧的3维磁流体动力学模型,计算得到了断路器分断过程中灭弧室内部温度场及压力场数据,并利用高速摄影仪记录大电流分断时电弧的运动过程,验证了仿真模型的有效性。最后,根据研究结果研制5 kV/110 kA直流断路器样机,并进行了大电流分断试验。试验结果表明,该快速中压直流空气断路器成功分断了峰值110 kA的短路电流,分断电流为91.8 kA,全分断时间为17 ms。

基于空气直流断路器的中低压直流开断性能的试验研究

介绍了中低压空气直流断路器分断系统的基本结构及工作原理,阐述了分闸特性实验的条件和流程并进行了相关试验,结合试验结果分析了断路器触头弹跳等分断过程的影响因素,为中低压直流分断性能的研究和设计,及系统安全性和稳定性的考核提供了参考和依据。

直流空气断路器电场分布对重击穿影响分析

为了解决直流空气断路器的重击穿问题,本文简要分析了重击穿的基本过程和机理,阐述了电场分布因素对重击穿过程的重要影响,并提出了一种通过静电场计算来分析和预测断路器重击穿及其发生位置的方法,为抑制断路器的重击穿,提高空气直流断路器的性能和可靠性提供了帮助。

±535kV直流断路器用隔离供能变压器电场计算与起晕校核

直流断路器用隔离供能变压器作为新型电力系统中的关键设备,需要保证其正常工作时表面电场强度在电磁环境规定的限值之内。为了得到准确的计算结果,讨论了瞬态电场、静电场与恒定电场的区别,通过绝缘材料伞裙结构分析了空气电导率对恒定电场的影响,提出了交直流混合复杂设备的电场校核原则,完成了供能变压器的电场仿真分析与起晕校核。结果表明,在对该供能变压器进行电场计算时,为了留有裕度,应当采用静电场进行导体金具的起晕电场校核;采用恒定电场进行绝缘材料的绝缘性能设计,同时还要考虑空气电导率的影响,选择空气电导率10-16 S/m(干燥)和10-12 S/m(湿润)中的计算结果最大值作为参考最大电场。

城市轨道交通大容量直流快速断路器的研发

为实现城市轨道交通直流快速断路器的国产化,研制了1 800 V/80 k A大容量直流快速断路器。重点介绍了直流大容量短路开断相关系统的设计,通过电磁场和动力学耦合仿真,获得了直接过流脱扣器的动态特性,通过建立空气直流电弧的磁流体动力学（MHD）模型,分析了电弧在开断过程中的运动以及弧根转移过程。基于仿真结果研制的样机按照IEC标准顺利通过了全部型式试验。仿真和试验结果表明：脱扣时间和电弧转移过程对开断性能具有重要的影响,该断路器开断短路电流时电弧转移迅速,电弧电压上升较快且不存在停滞现象,脱扣时间小于5 ms,燃弧时间在12 ms以内,具有开断100 k A短路电流的能力,从而验证了仿真对实际产品设计的指导意义。

500 kV高压直流断路器支架绝缘设计

我国正在建设500 kV张北柔性直流电网试验示范工程,500kV高压直流断路器是张北柔性直流电网的核心装备,其支架绝缘设计决定了断路器的经济性及安全性。根据经验设计了支架初始结构,建立了其电场仿真三维模型,采用ANSYS有限元仿真软件计算了初始支架表面电场分布,获得了支架表面场强集中点,针对场强集中点提出了电场分布优化方案。搭建了断路器支架试验平台(海拔约50 m),开展了不同电极和电压极性下支架操作冲击50%放电试验,获得了不同电极下支架的间隙系数,验证了电场优化方案的正确性。结合支架操作冲击50%放电试验结论,针对张北直流电网工程绝缘水平要求,估算了支架对地最小空气间隙,最小空气间隙设计为4.7 m。论文工作为工程样机设计提供了参考。

机车蓄电池空气断路器故障原因分析

介绍电力机车蓄电池空气断路器的作用及使用方法,重点分析了蓄电池自动开关故障的原因,并针对蓄电池自动开关故障原因提出了2种解决故障的方案:一是改造蓄电池充电器电路来改善蓄电池自动开关闭合时的冲击电流,延长蓄电池自动开关的电气寿命,通过增加控制系统复位接触器来避免复位控制系统时对蓄电池断路器进行操作;二是在控制电路中增加机械寿命更长的带直流接触器的闸刀开关,通过操作闸刀开关来开、合蓄电池电路,只保留蓄电池自动开关过载和短路保护的功能以延长其机械寿命。最后阐述了2种方法各自的优缺点,以便用户选择合适的方案来解决机车蓄电池自动开关故障的问题。