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Fluid-chemical modeling of the near-cathode sheath formation process in a high current broken in DC air circuit breaker
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作者 彭世东 李静 +3 位作者 段薇 曹云东 刘树鑫 黄浩 《Chinese Physics B》 SCIE EI CAS CSCD 2024年第1期523-538,共16页
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 thr... 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. 展开更多
关键词 near-cathode sheath atmospheric pressure air arc fluid-chemical model high current dc air circuit breaker(dcCB)
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高海拔环境下大容量直流空气断路器灭弧性能研究
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作者 李静 易晨曦 +2 位作者 彭世东 曹云东 于龙滨 《电工技术学报》 EI CSCD 北大核心 2024年第3期863-874,共12页
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,... 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。 展开更多
关键词 高海拔 大容量直流空气断路器 弧根拖尾 电弧反向 弧后重燃
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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
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作者 黄浩 李静 彭世东 《电器与能效管理技术》 2024年第1期6-12,共7页
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... 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。 展开更多
关键词 直流空气断路器 高海拔 磁流体动力学 横向磁场 “C”形栅片
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Research on arc root stagnation when small current is interrupted in self-excited circuit breaker 被引量:4
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作者 彭世东 李静 +2 位作者 曹云东 黄翀阳 刘树鑫 《Plasma Science and Technology》 SCIE EI CAS CSCD 2022年第11期14-25,共12页
The self-excited DC air circuit breaker(SE-DCCB)has been widely used in urban rail transit due to its excellent stability.It can realize forward and reverse interruption,but has difficulty interrupting small currents ... The self-excited DC air circuit breaker(SE-DCCB)has been widely used in urban rail transit due to its excellent stability.It can realize forward and reverse interruption,but has difficulty interrupting small currents due to the phenomenon of arc root sticking at the entrance of the arc chamber in the splitting process,which is known as arc root stagnation.A coupling model of the self-excited magnetic field and magnetohydrodynamics is established for the SE-DCCB with the traditional structure.The magnetic field,temperature and airflow distribution in the arc chamber are investigated with an interrupting current of 150 A.The simulation results show that the direction and magnitude of the magnetic blowout force are the dominant factors in the arc root stagnation.The local high temperature of the arc chamber due to arc root stagnation increases the obstruction effect of the airflow vortex on the arc root movement,which significantly increases the arc duration time of small current interruption.Based on the research,the structure of the magnetic conductance plate of the actual product is improved,which can improve the direction and magnitude of the magnetic blowout force at the arc root so as to restrain the development of the airflow vortex effectively and solve the problem of arc root stagnation when the small current is interrupted.The simulation results show that the circuit breaker with improved structure has a better performance for a small current interruption range from 100 A to 350 A. 展开更多
关键词 self-excited dc air circuit breaker small current interruption magnetic blowout force arc root stagnation airflow vortex
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磁吹直流空气断路器弧根跃迁及对开断特性的影响研究 被引量:5
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作者 李静 钱宇 +3 位作者 王奥飞 曹云东 刘树鑫 于龙滨 《中国电机工程学报》 EI CSCD 北大核心 2023年第4期1651-1660,共10页
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... 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。 展开更多
关键词 直流空气断路器 磁流体动力学 弧根跃迁 开断特性 双弧根
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中压直流空气断路器短路分断电弧特性研究 被引量:3
6
作者 易晨曦 李静 +1 位作者 彭世东 刘树鑫 《电器与能效管理技术》 2023年第8期17-23,共7页
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... 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。 展开更多
关键词 中压直流空气断路器 短路开断 弧根黏滞 电弧反向
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空气直流断路器开断特性试验研究 被引量:9
7
作者 宁嘉琦 孙昊 +4 位作者 纽春萍 王海燕 杨飞 吴翊 荣命哲 《低压电器》 2013年第21期5-8,共4页
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。
关键词 空气直流断路器 开断特性 试验 电弧
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船舶直流电力系统选择性保护方法研究 被引量:15
8
作者 吴大立 雷津 +2 位作者 徐正喜 李文华 孙朝晖 《舰船科学技术》 2009年第12期76-79,共4页
为了解决船舶直流电力系统保护快速性与选择性矛盾的难题,提出了基于瞬时保护的选择性保护方法及基于差动保护的选择性保护方法。利用数字仿真对2种选择性保护方法进行了性能评估。评估结果表明,基于差动保护的选择性保护方法具有更优... 为了解决船舶直流电力系统保护快速性与选择性矛盾的难题,提出了基于瞬时保护的选择性保护方法及基于差动保护的选择性保护方法。利用数字仿真对2种选择性保护方法进行了性能评估。评估结果表明,基于差动保护的选择性保护方法具有更优的整体保护性能,能有效提高船舶电力系统的安全水平。 展开更多
关键词 船舶电力系统 直流电力系统 框架式断路器 差动保护
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直流电源可靠性应用研究 被引量:2
9
作者 李辰龙 孔珍宝 +2 位作者 刘亚南 倪颖 赵永涛 《江苏电机工程》 2015年第1期59-61,64,共4页
直流系统可靠运行是电网安全、稳定、连续运行的保证。分析了直流电源设备运行、监控、维护的现状,根据现场工作经验和国网安规,提出了一种直流系统隐患排查新方法,该方法既能保证电气设备的安全可靠运行、又可获得经济效益和社会效益。
关键词 直流系统 稳压精度 稳流精度 纹波系数 直流空气断路器
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低压电器研发工作的若干动态 被引量:3
10
作者 陈德桂 《低压电器》 2013年第5期1-6,共6页
智能电网、节能减排和可再生能源要求推动了近期低压电器的研发工作。介绍了相关方面的若干动态,包括紧凑型万能式断路器的优化及其可靠性的提高,直流开断技术,气吹与灭弧室的优化,节能与智能接触器的新方案,以期对低压电器的开发提供... 智能电网、节能减排和可再生能源要求推动了近期低压电器的研发工作。介绍了相关方面的若干动态,包括紧凑型万能式断路器的优化及其可靠性的提高,直流开断技术,气吹与灭弧室的优化,节能与智能接触器的新方案,以期对低压电器的开发提供参考。 展开更多
关键词 紧凑型万能式断路器 可靠性设计 直流开断技术 气吹灭弧 节能与智能接触器
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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 被引量:6
11
作者 彭世东 李静 +2 位作者 曹云东 刘树鑫 于龙滨 《电工技术学报》 EI CSCD 北大核心 2022年第21期5587-5597,共11页
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... 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。 展开更多
关键词 直流空气断路器 空间磁场分布 栅片材料 栅片倾角 电源极性
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轨道交通用空气直流断路器关键部件仿真研究综述 被引量:10
12
作者 齐阳 刘禹彤 +4 位作者 杨天蒙 徐维懋 孙昊 吴益飞 吴凯 《电器与能效管理技术》 2019年第1期1-6,共6页
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。
关键词 轨道交通 空气直流断路器 仿真计算 电磁分析
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直流空气断路器小电流开断试验研究 被引量:5
13
作者 满家健 孙昊 +1 位作者 宁嘉琦 纽春萍 《电器与能效管理技术》 2015年第8期8-11,共4页
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... 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。 展开更多
关键词 直流空气断路器 磁吹系统 小电流开断 实验研究
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基于g参数法的直流断路器内各部件间空气净距设计 被引量:1
14
作者 陈名 钟璨夷 +5 位作者 胡子豪 许树楷 李岩 饶宏 袁召 何俊佳 《高压电器》 CAS CSCD 北大核心 2019年第10期1-6,共6页
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... 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。 展开更多
关键词 直流断路器 绝缘 空气净距 g参数法
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城市轨道交通大容量直流快速断路器的研发 被引量:14
15
作者 朱志豪 赵芳帅 +2 位作者 袁端磊 王海燕 费翔 《高电压技术》 EI CAS CSCD 北大核心 2018年第2期417-423,共7页
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... 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。 展开更多
关键词 直流断路器 磁流体动力学 空气电弧 过流脱扣器 栅片切割 牵引供电设备
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直流空气开关级差配合与安秒特性试验研究 被引量:3
16
作者 李书元 张明河 《山东电力技术》 2013年第5期56-59,共4页
通过试验分析验证串级直流开关保护动作是否满足选择性要求,防止因开关选型有误造成越级跳闸事故的发生,同时可诊断直流开关的健康运行状况,保障直流系统安全稳定运行。
关键词 直流空气开关 级差配合 安秒特性 越级跳闸
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±535kV直流断路器用隔离供能变压器电场计算与起晕校核 被引量:2
17
作者 岳国华 杜志叶 +2 位作者 李根 修连成 易凡 《南方电网技术》 CSCD 北大核心 2021年第10期87-94,共8页
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... 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。 展开更多
关键词 直流断路器 供能变压器 静电场 恒定电场 空气电导率
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5 kV快速中压直流空气断路器的研发 被引量:5
18
作者 马子文 彭振东 +1 位作者 赵成宏 徐庭伟 《高电压技术》 EI CAS CSCD 北大核心 2020年第1期312-318,共7页
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... 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。 展开更多
关键词 空气电弧等离子体 中压直流断路器 磁流体动力学 电弧仿真 大电流分断
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水电站调度台直流系统优化方案
19
作者 苏柳 《电力信息化》 2013年第5期81-84,共4页
调度台是电力系统通信的重要设备,其工作的安全性对水电站的正常运行至关重要。文章以三峡—葛洲坝电站调度台改造项目为例,对调度台原直流系统进行了介绍和评估,结合新调度台的具体配置对直流系统提出了优化思路,确定了熔断器—空气断... 调度台是电力系统通信的重要设备,其工作的安全性对水电站的正常运行至关重要。文章以三峡—葛洲坝电站调度台改造项目为例,对调度台原直流系统进行了介绍和评估,结合新调度台的具体配置对直流系统提出了优化思路,确定了熔断器—空气断路器极差配合保护方式和各项参数,并提供了保护设备的参考型号,根据电缆所处环境和载流量的大小,确定了电缆参考型号,制定了施工步骤并强调了注意事项,为调度台改造后的直流系统制定了一套详细具体的优化方案。 展开更多
关键词 调度台 直流系统 熔断器 断路器 电缆
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直流空气断路器电场分布对重击穿影响分析
20
作者 徐庭伟 马子文 +2 位作者 黄中 董宏宪 任志刚 《船电技术》 2019年第3期18-20,25,共4页
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... 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。 展开更多
关键词 直流空气断路器 重击穿 静电场 仿真
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