Analysis of multiple-faults of high-voltage circuit breakers based on non-negative matrix decomposition

High-voltage circuit breakers are the core equipment in power networks,and to a certain extent,are related to the safe and reliable operation of power systems.However,their core components are prone to mechanical faults.This study proposes a component separation method to detect multiple mechanical faults in circuit breakers that can achieve online real-time monitoring.First,a model and strategy are presented for obtaining mechanical voiceprint signals from circuit breakers.Subsequently,the component separation method was used to decompose the voiceprint signals of multiple faults into individual component signals.Based on this,the recognition of the features of a single-fault voiceprint signal can be achieved.Finally,multiple faults in high-voltage circuit breakers were identified through an experimental simulation and verification of the circuit breaker voiceprint signals collected from the substation site.The research results indicate that the proposed method exhibits excellent performance for multiple mechanical faults,such as spring structures and loose internal components of circuit breakers.In addition,it provides a reference method for the real-time online monitoring of high-voltage circuit breakers.

Fluid-chemical modeling of the near-cathode sheath formation process in a high current broken in DC air circuit breaker

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.

Comprehensive evaluation of chemical breakers for multistage network ultra-high strength gel

Polymer gels have been accepted as a useful tool to address many sealing operations such as drilling and completion,well stimulation,wellbore integrity,water and gas shutoff,etc.Previously,we developed an ultra-high strength gel(USGel)for medium to ultra-low temperature reservoirs.However,the removal of USGel is a difficult problem for most temporary plugging operations.This paper first provides new insights into the mechanism of USGel,where multistage network structure and physical entanglement are the main reasons for USGel possessing ultra-high strength.Then the effects of acid breakers,encapsulated breakers,and oxidation breakers(including H_(2)O_(2),Na_(2)S_(2)O_(8),Ca(ClO)_(2),H_(2)O_(2)+NaOH,Na_(2)S_(2)O_(8)+NaOH,and Ca(ClO)_(2)+NaOH)were evaluated.The effects of component concentration and temperature on the breaking solution were studied,and the corrosion performance,physical simulation and formation damage tests of the breaking solution were carried out.The final formulation of 2%-4%NaOH+4.5%-6%H_(2)O_(2) breaking solution was determined,which can make USGel completely turn into water at 35e105C.The combinations of“acid t breaking solution”,“acid+encapsulated breaker”and“encapsulated breaker+breaking solution”were evaluated for breaking effect.The acid gradually reduced the volume of USGel,which increased the contact area between breaking solution and USGel,and the effect of“4%acid+breaking solution”was 23 times higher than that of breaking solution alone at 35C.However,the acid significantly reduced the strength of USGel.This paper provides new insights into the breaking of high-strength gels with complex network structures.

Magneto-hydrodynamic simulation study of direct current multi-contact circuit breaker for equalizing breaking arc

This work is based on a direct current(DC)natural current commutation topology,which uses load-carrying branch contacts carrying rated current and multiple sets of series arcing branch contacts in parallel to achieve circuit breaking.The proposed topology can meet the new requirements of higher voltage DC switches in aviation,aerospace,energy and other fields.First,a magneto-hydrodynamic arc model is built using COMSOL Multiphysics,and the different arc breaking characteristics of the arcing branch contacts in different gas environments are simulated.Then,a voltage uniformity coefficient is used to measure the voltage sharing effect in the process of dynamic interruption.In order to solve the dispersion of arcing contact action,a structural control method is adopted to improve the voltage uniformity coefficient.The uniform voltage distribution can improve the breaking capacity and electrical life of the series connection structure.

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。

高速列车过分相VCB延时断开故障测试及原因探究

高速列车车载真空断路器(VCB)性能是列车安全稳定运行的重要保证之一。近年来,国外某型号动车在过分相时出现VCB延时断开故障,导致只能通过降弓方式来预防带电过分相引发的安全隐患。针对以上问题,推测其原因是VCB触头间电弧烧蚀或牵引变压器合闸时刻励磁涌流导致的VCB过载造成。主要针对牵引变压器合闸励磁涌流进行研究,通过现场测试和PSCAD仿真探究励磁涌流的影响因素和实际可达到的最大值。结果表明,列车过分相VCB完成合闸后实测最大电流达到756.67 A,不会对VCB触头造成实质性损伤。牵引变压器励磁涌流大小主要受VCB合闸电压相角和变压器铁芯剩磁影响,且励磁涌流并非导致VCB触头熔焊的主要因素,VCB合断时触头间的电弧烧蚀才是造成VCB触头熔焊的主要原因。

混合式直流断路器状态感知技术与智慧框架体系探讨

直流断路器是柔性直流输电工程中故障清除和隔离的关键设备,当前的热点集中在新型拓扑结构、直流开断特性和新型电力电子器件等功能方面的研究,对其全状态的智能感知和状态评估方面研究较少。该文以混合式直流断路器为研究对象,全面梳理了需要重点监测的状态量,归纳了混合式直流断路器中快速机械开关、压接式绝缘栅双极性晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)、避雷器、快速机构动作电容和隔离供能单元等关键组件状态量的感知方法。基于现有研究,提出了智慧型直流断路器的框架体系。分析了所提框架体系中智能感知层、信息通信层、数据融合层和智能应用层的实现思路,为实现直流断路器的智能化和模块化提供一定参考依据。

动作时序优化振动信号混沌吸引子特征的断路器操动状态辨识方法

高压断路器分合闸操作过程包括掣子脱扣、弹簧释能、动静触头碰撞等动作,机械振动信号作为能量传递的表现,蕴含着丰富的运行状态信息。该文基于断路器关键动作节点的时序,提出一种动作时序优化振动信号混沌吸引子特征的断路器操动状态辨识方法。首先,由高速相机捕捉断路器操动过程主轴拐臂运动图像,利用目标跟踪算法获取动触头关键运动节点时序指标;然后,依据时序指标划分操动过程,通过对不同阶段的振动信号相空间重构,提取相空间吸引子几何和属性特征;最后,利用智能分类算法进行故障辨识,实验结果验证该方法在大幅节省时间开销的同时,有效提高了分类辨识的准确率达96.9%。该文方法在断路器状态监测和带电测试中具有广阔应用前景。

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。

基于电容自然充电换相的混合式直流断路器设计与仿真

以晶闸管作为主断器件是降低混合式直流断路器造价和技术难度的手段之一,电容电压是此类直流断路器能够顺利开断直流故障的关键影响因素。现有结构中电容大多为预充电型,但预充电方式和电容电压的维持较为复杂。因此,该文提出一种基于电容自然充电换相的混合式直流断路器,利用母线电压与预充电电容的电压差值实现电容的预充电和电容电压的自动维持,从而保证断路器的开断能力。此外该断路器还具备二次开断能力,可以满足极短时间内重复开断的需求。针对所提断路器的工作过程和元器件参数进行了详细的理论推导,基于PSCAD/EMTDC建立单端等效和四端柔性直流电网模型验证了所提结构的适用性。最后与其他方案进行比较,结果表明,所提方案在开断速度、电容预充电方式和二次开断方面具备一定优势。

中高压直流断路器的研究与应用

多端直流系统及直流电网是未来柔性直流输配电系统的发展方向,其安全可靠稳定运行需要有直流断路器作为保障。虽然国内外研究人员提出了各种直流断路器技术方案,但目前市场上能够满足实际工程应用的直流断路器产品仍十分缺乏。该文对直流断路器的研究工作进行了梳理。首先,分析了不同技术方案采取的换流方式及性能,并介绍了直流断路器中的核心组件及其驱动保护。其次,对各类型的直流断路器拓扑结构进行了总结,并归纳出改进优化的方向。最后,对直流断路器研制的关键技术与未来的发展趋势进行了讨论和总结,为中高压直流断路器研制与应用提供参考。

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。

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。

具备自适应重合闸能力的多端口混合式直流断路器

为解决柔性直流电网中混合式直流断路器成本高以及盲目重合闸的问题,提出了一种具备自适应重合闸能力的多端口混合式直流断路器。所提断路器能够在能量耗散期间旁路故障线路中的限流电抗器,配合电容充电回路的导通,将本应经避雷器耗散的限流电抗器能量转移到电容中,从而有效减少了故障隔离时间与避雷器能量耗散压力,并为故障性质的判别提供了能量支持。同时,该断路器通过共享主断路器的方式实现故障隔离,结合避雷器泄能需求的下降,大大降低了断路器的制造成本,在经济性方面优势明显。此外,该断路器利用故障识别电流与电容电压在永久性故障与瞬时性故障下的幅值差异来识别故障性质,实现了自适应重合闸,操作简单且易于控制。最后,利用PSCAD/EMTDC在三端MMC柔性直流系统环境下对所提方案的有效性进行了仿真验证,并通过与其他方案的对比分析,证明了所提方案的优越性。

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。

基于机-电-磁-流整体耦合的油阻尼断路器保护特性的容差设计

油阻尼断路器的主要特点是在电路发生短路、过载等情况时能够自动脱扣,断开电路,从而保护人员和设备的安全,常用于变电站等场所。文章在以往对油阻尼断路器油阻尼力、电磁铁静态特性、操作机构性能等研究的基础上,构建一个基于机-电-磁-流多体多自由度多场耦合的一体化虚拟样机整体耦合模型;接着对该整体耦合模型的保护特性进行了仿真与分析,通过仿真得到了不同电流倍数下动触头的分断特性,并通过实验验证了整体耦合模型和仿真结果的正确性;最后,为减小产品保护特性的分散程度,提高油阻尼断路器的稳定性,文中结合稳健容差设计技术,选取不同电流倍数下触头的断开时间作为目标函数,以极靴半径、细铁芯半径、粗铁芯半径、粗铁芯高度作为关键设计参数,通过正交试验和贡献率分析法对目标函数进行容差分配,使得触头断开时间的分散度比原来减少39.165%。研究成果将会对电器产品的研发提供理论指导。

壳聚糖季铵盐对O/W乳状液的破乳性能评价

以壳聚糖季铵盐作为破乳剂,使用Turbiscan Lab稳定性分析仪实验研究了破乳剂浓度及处理温度对水包油(O/W)型乳状液破乳效果的影响。实验结果表明:在25~55℃的处理温度范围内,破乳剂最佳使用浓度约0.4%(体积分数),破乳剂浓度超过1.0%后,无破乳效果。在操作温度为25℃、破乳剂加药浓度为0.4%时,所测得的背散射光ΔBS曲线显示出良好的油水分层现象,相应的TSI曲线值达到最大,油滴粒径增大7倍,破乳过程在10 min之内基本完成。在25~55℃的处理温度范围内,破乳效果随温度升高而改善,最佳破乳温度为55℃。此研究对油田采出液破乳方法的选择具有指导借鉴意义。

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。

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。

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。