Research on the overload protection reliability of moulded case circuit-breakers and its test device

This paper analyzed the reliability and put forward the reliability index of overload protection for moulded case circuit breaker. The success rate was adopted as its reliability index of overload protection. Based on the reliability index and the reli- ability level, the reliability examination plan was analyzed and a test device for the overload protection of moulded case cir- cuit-breaker was developed. In the reliability test of overload protection, two power sources were used, which reduced the time of conversion and regulation between two different test currents in the overload protection test, which made the characteristic test more accurate. The test device was designed on the base of a Windows system, which made its operation simple and friendly.

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

具备故障限流和快速故障清除能力的多端口直流断路器拓扑与控制策略

为解决直流电网中直流故障快速清除的技术难题,提出了一种同时具备限流和快速故障清除能力的多端口直流断路器,并设计了启动、限流后开断线路和限流后复位3种控制策略。所提拓扑结构通过限流电路实现断路时刻电流值的大幅下降,通过电感旁路电路实现故障清除所需时间的缩短;所提控制策略通过复用拓扑部分回路实现直流电网对断路器电容的预充电,通过初步故障判断与二次确认方式来优化断路器的动作时序,实现断路时刻电流值的进一步下降。在PSCAD/EMTDC中搭建了三端直流电网仿真模型,对断路器的各种工况进行了仿真验证。结果表明该多端口直流断路器在各工况下均可实现多条直流线路的保护、减小断路时刻电流值和减小故障切除所需时间。

基于低压直流断路器的机械故障机理分析与特征提取技术研究

直流断路器是轨道交通直流牵引供电系统的核心保护设备,是直流供电系统安全运行的保证,确保其稳定运行至关重要。文中针对直流牵引断路器机械结构特点,进行了断路器机械故障模拟实验,选取分合闸线圈电流及振动信号作为监测物理量,研究其机械故障机理与特征提取方法。研制信号采集硬件装置,搭建直流断路器机械故障模拟实验平台,模拟6种常见的机械故障。采集不同故障下的线圈电流及振动信号进行特征提取后进行故障机理分析,为低压直流断路器机械故障诊断提供理论支撑。

多特征聚合表征的断路器热故障诊断评级方法

针对电力设备红外热故障特征的准确评估需求,提出一种多特征聚合表征的断路器热故障诊断评级方法,并以高压断路器红外图像为实例进行数据测试。首先,在高压断路器红外图像背景分离的基础上,对设备进行精准的区域划分,提取各区域温度信息;然后运用Meanshift和改进区域生长法融合,准确提取故障发热区域面积;其次,设计一种多维聚合表征矩阵,将同一设备发热面积、热点温度、热点温差、发热位置、两相同位温升等特征值聚合为多特征向量矩阵,并运用现场案例数据构建该向量矩阵与高压断路器故障类型、等级、处理意见的关联库;最后对350张高压断路器红外图像的1002组多特征向量进行训练测试。结果表明,该方法提取的多特征向量数据使用GWO SVM分类器测试的Fmeasure和Kappa系数分别为96%和95.43%,能够实现高压断路器设备热故障的全类型诊断评级及精准定位。

基于支持向量机与特征降维的直流断路器机械故障诊断技术研究

直流断路器机械故障诊断算法是直流断路器机械状态在线监测系统的核心部分。文中进行了直流断路器机械故障模拟实验,采集不同故障下的线圈电流及振动信号,对其进行特征提取后,将电流特征、振动短时能量特征、小波包频带能量特征排列组合,利用支持向量机构建故障诊断模型。文中使用主成分分析法及Relief⁃F算法对不同特征组合降维,进一步分析特征组合降维后的诊断效果,并通过K⁃Fold交叉验证算法评估单一特征和特征组合训练输出的诊断模型选取分类性能最优的诊断模型。