New Generation of Outdoor Vacuum Circuit Breakers with Rated Voltage up to 40.5 kV

The article describes design peculiarities of the novel compact vacuum circuit breaker with rated voltage 40.5 kV. The design incorporates several novel technical solutions： polycarbonate support insulation, mono-stable magnetic actuator, labyrinth pulling insulator, core-type flexible contact and new compact vacuum interrupter （VI）. Phases are encapsulated into silicone rubber providing required creepage distance and excellent tracking resistance. These novelties along with extensive modeling of the mechanical and electrical fields followed by design optimization resulted in weight reduction of more than 50% compared with alternatives available in the market. And this is in spite of built in sensors measuring： phase currents, zero-sequence current, phase voltages.

Vacuum Dielectric Recovery Characteristics of a Novel Current Limiting Circuit Breaker Base on Artificial Current Zero

为了保证新型强迫换流型真空直流限流断路器关断短路电流的可靠性，对该型断路器分断过程的真空介质恢复特性进行研究。设计了与断路器关断过程等效的介质恢复试验方案，通过等效试验结果和理论推演公式的拟合，得到了新型强迫换流型限流断路器真空灭弧室触头打开过程的动态介质强度恢复规律。研究结果表明：减小燃弧能量、提高触头运动速度可提高真空灭弧室介质的临界击穿电压；综合考虑燃弧时间与燃弧能量及触头开距的关系，随着燃弧时间的增加，真空灭弧室临界击穿电压先减小后增大。所得介质恢复规律可以作为新型断路器优化设计的参考依据。

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。

72.5 kV快速真空断路器技术研究及开发

短路故障的快速切除对提高电网输电线路的输电能力和提高电力系统暂态稳定性至关重要。快速真空断路器是实现短路故障快速切除的理想选择。文中目标是设计一款新型单断口72.5 kV快速真空断路器并对其短路电流开断性能进行验证。采用具有多重悬浮屏蔽罩与轻量化技术的72.5 kV真空灭弧室用作灭弧器件,电磁斥力机构用作操动机构,一款特殊设计的油阻尼器用作速度调节器。为满足短路电流开断要求,依据阳极放电模式将分闸速度特性定量化调控为:前15 mm行程内平均分闸速度v1为5 m/s,满开距30 mm内平均分闸速度v2为1.59 m/s。经测试,开发的72.5 kV快速真空断路器的分合时间分别为(1.2±0.04)ms和(18±0.20)ms;进行了T100s(b)方式下的40 kA(rms)和80 kA(rms)的短路开断性能验证。开断结果显示,研制的72.5 kV单断口快速真空断路器满足了国标GB 1984—2014全燃弧时间窗口开断要求。

混合式直流断路器内部关键参数对电弧电流转移特性的影响研究

真空电弧电流转移是自然换流型混合式直流断路器开断过程中的一个重要组成部分。文中通过建立真空电弧电流转移的理论分析模型,得出影响真空电弧电流转移的主要因素为真空电弧电压、内部杂散电阻电感参数和电力电子器件的串并联结构。实验方面,通过改变电力电子开关中电力电子器件的串联或并联个数研究了电力电子器件的串并联结构对真空电弧电流转移特性的影响,通过改变电力电子开关中杂散电感或电阻的数值和所处位置研究了内部杂散电阻电感参数对真空电弧电流转移特性的影响。最后,探究了促进电弧电流转移的方法。本研究将为混合式直流断路器的结构设计和参数优化提供理论依据。

宁夏电网35kV电容器组关合涌流计算与仿真分析

随着宁夏电网新型电力系统建设的不断推进,新能源及新型用能负荷的特性对无功补偿需求更加迫切,而作为变电站无功补偿中最经济的并联电容组因投切用真空断路器及SF_6断路器受高频涌流影响,难以满足频繁投切要求,一定程度制约了供电电压质量提升。从宁夏电网35 kV电容器组配置特点出发,分析变电站通用典型设计后对电容器关合涌流的影响,开展关合涌流简化计算方法及仿真分析研究。实例计算及仿真结果表明,在单个电容器组及背靠背电容器组关合两种方式下,采用简化计算涌流峰值及仿真计算方式偏差分别在10%及20%以内,简化计算方法及仿真模型可为电容器投切开关选型和涌流影响下设备健康评估提供依据。

取水泵房10 kV架空线路供电可靠性提升研究与实践

随着云南华电镇雄发电有限公司双机利用小时的提升,公司3台取水泵启停频次大幅增加,在启动取水泵瞬间跌落式熔断器故障频发的问题日益凸显,根据公司跌落式熔断器故障频发的问题作为切入点进行分析研究,制定解决措施并实施,实施后彻底解决了跌落式熔断器频繁故障的问题,大量减少了维护成本,缩短了维护工期,降低了检修安全风险,大幅提升了取水泵房10 kV线路的供电可靠性。

基于异常电流信号的高压真空断路器故障自动诊断

高压真空断路器故障自动诊断方法的故障诊断效果差。为此,提出基于异常电流信号的高压真空断路器故障自动诊断。提取高压真空断路器永磁机构行程曲线特征参数,基于异常电流信号构建高压真空断路器故障诊断模型,设计高压真空断路器故障自动诊断流程以实现诊断。结果表明,该方法在识别故障方面表现优秀。

直流真空断路器弧后介质恢复特性影响因素分析

直流真空断路器采用人工过零的方式实现故障开断,是当前直流系统兼具经济性与可靠性的控保方式之一,其弧后介质恢复特性是判定故障开断成功与否的关键条件。为探究直流真空断路器电磁与机电参数耦合作用下介质恢复特性的影响因素,本文基于连续过渡模型、能量守恒定律和电荷守恒定律,建立了零区带电粒子数密度计算模型,研究了触头型面参数和零前电流下降率影响下的零区带电粒子数密度分布;通过搭建12 kV直流真空断路器配永磁斥力机构运动特性测试平台,实验测得机构位移–时间特性曲线,研究了短路开断电流、零前电流下降率和换流投入时刻影响下的零区极间距分布。在此基础上,基于漂移扩散方程、Maxwell–Stefan方程和泊松方程,建立了弧后鞘层发展模型,以求得电磁与机电参数影响下的电场强度最大值;并与零区金属蒸气压和短路开断电流影响下的临界击穿电场强度对比分析,进而评估不同换流投入时刻、零前电流下降率、暂态电压上升率、触头直径下的弧后介质恢复强度。此外,求得了直流真空断路器可靠开断时零前电流下降率和换流投入时刻的极限安全域,以及电磁与机电参数耦合作用下的最小安全间隙与开断电流极限,为设计满足可靠开断要求的直流真空断路器灭弧系统结构参数与换流参数群组提供解决方案。

失超保护系统直流真空断路器开断换流分析

磁约束聚变装置的失超保护系统利用直流断路器快速切断超导磁体回路的电流,实现磁体能量的转移与释放,以保障磁体安全。随着超导磁体运行电流等级的不断提升,直流断路器的设计面临着巨大挑战。本文针对10 kV/100 kA的大容量失超保护系统设计,提出使用直流真空断路器作为开断电流的主保护开关,并详细分析了其开断换流过程。首先介绍了失超保护系统的拓扑结构和工作原理;然后具体分析了真空断路器在开断及换流阶段的数学方程,并依据开断可靠性理论,分别对换流回路、泄能回路与缓冲回路进行了计算和参数设计;最后开展了100 kA直流电流开断实验。研究结果表明,失超保护系统中使用真空断路器开断100 kA磁体电流具有理论和工程可行性,并通过实验验证了所设计的真空断路器样机能够有效开断100 kA电流,换流过程符合预期判断。本文的研究工作为大功率失超保护系统中的直流断路器设计提供了技术支撑。

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。

基于涡流驱动的变压器限流装置研究

为有效解决中低压侧短路电流冲击损毁主变压器的问题,研究了基于涡流驱动的变压器限流装置。该装置将限流电抗器和快速开关并联后接入变压器高压侧母线,通过限流特性和接入系统前后短路电流计算可以看出该装置降低了短路电流,解决了主变压器中低压侧出现短路引起的故障,避免了传统限流技术引发的电压降低,损耗大等问题,抑制了短路电流对其他设备的冲击。

真空断路器开断并联电抗器保护措施仿真分析

近年来中国中压配电系统中真空断路器切除并联电抗器时故障频发,如站用变压器及母联开关等设备闪络,甚至引发开关柜烧毁的严重事故。以某220 kV变电站的20 kV系统发生的该类故障为研究对象,运用PSCAD/EMTDC建立该变电站系统模型,仿真分析故障发生时系统的运行状态,并结合故障现象分析故障发生原因,提出相应措施,以抑制真空断路器切除电抗器时的操作过电压。仿真计算结果表明,由于真空断路器开断时发生截流、复燃且电抗器与杂散电容间发生谐振等多个方面原因,真空断路器切除电抗器时产生较高过电压,如果仅在电抗器侧安装避雷器与电容器,将无法有效抑制由于截流和复燃产生的过电压,需要在电抗器两端并联阻容保护装置。针对故障变电站的系统配置,建议电抗器并联的阻容装置电容值取0.2μF,电阻值取400Ω为宜。

相控真空断路器投切空载变压器的应用研究

关合空载变压器所产生的励磁涌流容易引起继保装置误动、绕组机械应力增大及电能质量降低等。采用选相合闸技术在铁心中的预感应磁通与剩磁相等时刻投入变压器,可以有效地削弱励磁涌流。该文分析了变压器空载投切的暂态过程及限制励磁涌流的策略,仿真分析及相关试验结果表明选相控制的永磁机构真空断路器很适于选相分合闸的实现。

混合型直流真空断路器触头技术——现状与发展

基于强迫换流原理的混合型直流真空断路器(hybrid direct current vacuum circuit breaker,HDCVCB)是直流开断技术的有效方式之一,其参数设计及开断能力决定于真空灭弧室的特性。介绍了混合型直流真空断路器的典型拓扑结构及其工作原理,对真空电弧理论和真空灭弧室触头结构的研究概况进行了阐述。分析了直流分断中电流波形与交流中的正弦波不同、电流下降率大、燃弧时间可控等特点,得到了其分断能力与换流电流投入时电弧形态和电极状态密切相关的结论。对不同触头结构下的真空电弧形态演化规律,不同条件下的真空灭弧室的强迫换流分断特性与介质恢复规律等实验研究工作进行了综述,最后对直流真空灭弧室的研发进行了展望。

应用于混合式直流断路器的电流转移方法

电流转移是混合式直流断路器能够成功开断电流的前提,针对混合式直流断路器的电流转移特性展开了研究。首先通过试验测量具有不同触头结构及触头材料的真空电弧电压。试验结果表明电流为0~1 k A时,电弧电压约16~22 V;且改变触头结构、触头材料及触头开距等无法有效提高电弧电压,所以提高真空电弧电压以驱动电流转移的方法并不可行。为此,首次提出了一种应用换流驱动电路的电流转移方法。对换流驱动电路建立了数学模型,并通过试验验证了仿真模型。最后,针对基于换流驱动电路的混合式直流断路器,设计试验回路并进行了电流转移等效模拟试验。试验结果表明:该电流转移方法能够保证混合式直流断路器中电流在200μs时间内可靠转移。该试验结果验证了基于换流驱动电路的电流转移方法应用于混合式直流断路器的有效性。

相控断路器投切10kV并联电容器的应用

近年来,变电站真空断路器投切10 k V并联电容器组时发生了多起断路器或电容器炸裂事故,在更换断路器和改善保护措施后,此类事故还是屡禁不止。为减少该工况下绝缘事故的发生,重庆市某110 k V变电站采用分相控制技术的永磁机构真空断路器来抑制投切电容器组时的合闸涌流和降低分闸重燃概率。相控断路器是抑制并联电容器合闸涌流与分闸过电压的重要措施之一。为了验证该技术的有效性,首先基于电路理论分析了合闸角对合闸涌流的影响以及分闸过电压机理,之后在重庆市某110 k V变电站针对某种型号相控断路器与普通真空断路器合(分)闸10 k V并联电容器进行了一系列的现场试验研究。试验结果表明:相控断路器的控制精度高(合(分)闸误差均在±0.3 ms以内);普通真空断路器的合闸涌流高达4.5倍额定电流,而相控断路器的合闸涌流均在2.4倍额定电流以下;控制分闸技术能够保证首开相的工频续流开断时断路器断口间有足够的开距,降低重燃发生的概率,从而提高系统运行的安全性与可靠性。

新型真空直流限流断路器设计及其介质恢复特性

针对传统强迫换流型断路器在关断高上升率短路电流时遇到的问题,本文提出了在高速真空开关两端反向并联续流二极管,并在小间隙下开断短路电流的改进方案。通过反向续流二极管的续流作用,使真空开关在电弧电流强迫过零后得到零电压介质恢复时间,提高了真空灭弧室的介质恢复能力,使其能够在小开距时关断高上升率短路电流。开展了新型强迫换流型限流断路器工作原理的仿真分析和高速电磁斥力机构、脉冲关断电路的设计。针对新型真空直流限流断路器关断短路电流的特殊过程,设计了与其等效的介质恢复试验,对方案可行性进行验证。设计了1kV/400A限流断路器样机并进行短路关断试验,该断路器可将初始上升率为5A/s的故障电流限流至2.5kA以下。试验结果证明所提出方案有效、可行。

融合实测数据的配网断路器投切暂态过电压建模方法

数字孪生技术的发展使配网中设备在线监测数据的获取愈加方便,利用实测数据对设备的运行情况进行安全性分析是数字孪生技术的一个重要应用。该文提出一种融合实测数据的配网断路器投切暂态过电压的建模方法,该方法通过采集10 kV配网断路器的实际运行数据,提取断路器的关键运行参数,可以对数值模型进行迭代修正,从而实现仿真模型对设备当前运行状态的跟随,提高分析结果的可靠性。仿真结果表明:所提模型计算得到的投切过电压水平标幺值最大为3.88,相较传统模型与实测值更为相近。该模型可用于配网真空断路器的运行安全分析。

基于强迫换流原理的新型真空直流限流断路器

提出了一种基于现有强迫换流型真空直流断路器的改进方案,并通过在高速真空开关两端并联反向续流二极管,使真空开关在电弧电流强迫过零后由于二极管的续流作用得到零电压介质强度恢复时间,提高了真空灭弧室电流过零后的介质强度恢复速度,使真空开关得以在小间隙下分断高上升率的短路电流,提高了传统真空直流断路器的限流、分断能力。设计了限流断路器样机,进行了短路分断试验。试验结果表明:所设计的限流断路器能将最大上升率为20A/μs的短路电流限流至10kA以下,限流分断时间小于1.1ms,满足了现代舰船极限短路故障的保护要求。