126kV高压真空断路器的机械特性及同步控制研究

摘要

真空断路器作为输配电系统中极其重要的电力设备，以其不可比拟的优势得到广泛的应用，国内大多数的电网直接采用126kV电压等级电网进城，开发126kV高压真空断路器已迫在眉睫，其开发成功将具有十分重要的应用价值。
　　真空断路器是具有电气性能的机械设备产品，其电气性能的实现依赖于其机械特性。文中在对其电气性能参数进行分析的基础上，对其机械特性参数及其影响因素进行了分析。基于126kV高压真空断路器的使用环境和技术参数，结合多断口串联理论，认为该真空断路器由两个72.5kV真空灭弧室串联组成更为合理。基于真空灭弧室结构的多间隙理论，对高压真空断路器的关键组成部分真空灭弧室进行了设计：采用虚拟样机技术，确定了导电杆直径；通过对真空击穿过程的电弧进行模拟，得出了易发生真空击穿的触头间距离；通过对均压屏蔽罩进行设计及合理布置，使内部电场均匀分布。对真空断路器双断口的均压特性进行了探讨，提出▽新型双断口串联布置结构，有效避免了并联均压电容带来的绝缘隐患。
　　对▽新型串联结构高压真空断路器的操动系统进行了分析和设计。操动机构选择单稳态永磁结构；对传动机构进行了探讨，采用受拉杆传递动力，为提高真空断路器的分闸速度以更有利于开断，机构中增加了分闸弹簧，并利用机械结构的“死点”原理降低了永磁机构的合闸保持力。在对真空断路器进行运动学和动力学分析的基础上，采用改进的遗传算法对操动系统进行优化，使其机械特性达到最优。
　　结合虚拟样机技术对真空断路器的操动系统进行仿真及优化，建立三维模型并对模型进行简化后，根据实际运行状态设置边界条件，对其分、合闸过程进行仿真分析并逐步优化模型，使分、合闸速度满足设计要求。该设计方法缩短了开发周期，降低了开发成本，也为其他类型断路器的设计提供了新思路。
　　实现真空断路器的同步控制是其性能得以实现的基础，文中对断路器的同步控制器进行了设计。通过设计FIR滤波器有效消除噪声，采用线性插值法对滤波后的信号提取过零点；采用L-M算法对预测真空断路器分、合闸时间的BP神经网络模型进行训练，通过快速傅里叶变换确定信号频率和相位。对其硬件电路中的CPU模块、电源模块、控制电路、模拟信号采集和自检电路、环境温度测量电路、通信接口电路以及抗干扰等进行设计。
　　依据GB1984-2014要求，搭建了实验平台及威尔合成回路，对126kV高压真空断路器进行了机械性能、载流性能、绝缘性能及开断能力等试验。所有试验结果证明，该126kV高压真空断路器满足国家型式试验标准，具备挂网条件和产业化条件，具有现实的意义。同时，充分证明了多断口真空断路器向高压等级发展的可行性。
　　该126kV真空断路器目前在机械工业高压电器设备质量检测中心进行型式试验并于2016年底在石各庄电站挂网试运行。

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第1章 绪 论

1.1 引言

1.2 真空断路器的发展概况

1.3 真空断路器的机械特性研究概况

1.4 真空断路器总体结构介绍

1.5 真空断路器的开发与虚拟样机技术

1.6 本文的主要研究内容及章节安排

第2章 126kV高压真空断路器机械结构的设计

2.1 引言

2.2 126kV高压真空断路器的使用环境和技术参数

2.3 真空断路器电气参数和机械参数分析

2.4 126kV高压真空断路器双断口串联结构的理论分析

2.5 72.5kV真空灭弧室的设计

2.6 126kV高压真空断路器基本结构的设计

2.7 本章小结

第3章 126kV高压真空断路器操动系统的优化设计

3.1 引言

3.2 126kV高压真空断路器操动系统的设计

3.3 126kV高压真空断路器运动学分析

3.4 126kV高压真空断路器动力学分析

3.5 126kV高压真空断路器操动系统的优化

3.6 126kV高压真空断路器的虚拟样机分析

3.7 126kV高压真空断路器机械特性测试

3.8 本章小结

第4章 126kV高压真空断路器同步控制技术的实现

4.1 引言

4.2 同步控制技术及其影响因素

4.3 真空断路器中同步关合控制技术的研究

4.4 同步控制器的硬件设计

4.5 同步控制器的应用程序

4.6 同步控制器的控制精度测试

4.7 本章小结

第5章 126kV高压真空断路器的试验研究

5.1 引言

5.2 126kV高压真空断路器的试验要求

5.3 126kV高压真空断路器机械性能试验

5.4 126kV高压真空断路器载流性能试验

5.5 126kV高压真空断路器绝缘性能试验

5.6 126kV高压真空断路器开断能力试验

5.7 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间承担的科研任务与主要成果

致谢