基于快速真空开关的电弧电流转移型故障限流器

摘要

在分析已有故障限流器的基础上，针对基于快速真空开关的电弧电流转移型故障限流器开展了仿真与实验研究，研制了10kV 故障限流器样机，并成功进行了现场试验。
　　 快速真空开关是故障限流器中的关键部件。在对电磁斥力机构进行合理简化的基础上，利用有限元方法，建立了电磁斥力机构场路耦合瞬态动力学特性分析的二维有限元模型。为了验证仿真模型的正确性，建立了简化的实验验证模型，并在不同储能电压下，对验证模型的放电电流以及满行程时间进行了实际测量，测量结果验证了仿真模型的正确性。在此基础上，就金属盘、分闸线圈的结构参数，线圈匝数以及储能电容的容量对电磁斥力的影响进行了仿真分析，得出了一般性的设计指导原则。另外，为了进一步提高快速真空开关的分闸速度，提出了在线圈周围加装导磁材料以及利用脉冲成形网络作为其放电回路的设想，并利用仿真模型对其效果进行了仿真分析。最后利用12kV-2500A/40kA 真空开关管、双向电磁斥力机构以及可倒翻碟簧双稳机构研制了10kV 快速真空开关样机，实测其固有分闸时间为0.5ms，满行程时间为1.6ms。
　　 为了验证快速真空开关的电弧电流在强迫过零之后能否熄弧，利用LC 振荡回路模拟短路电流，对电弧电流转移型故障限流器的限流效果进行实验研究。在实验过程中，改变TVS 支路电流的频率和幅值，以观察限流器的限流效果。实验结果表明，对于10～30kA（峰值）范围内的短路电流，TVS 支路电流频率在2600～8200Hz 范围内变化时，只要投入足够大的反向电流，使电流出现过零点，则快速真空开关就可以过零熄弧。
　　 在以上工作的基础上，完成了限流器的设计，确定了限流器的内部参数及保护、控制逻辑，另外，针对快速真空开关样机在实验过程中反映出来的问题，进行了仿真分析，提出了改进的措施，进一步完善了快速真空开关样机。对于TVS 触发可靠性不高及使用寿命的问题，借鉴了已有的研究成果，对TVS的触发可靠性及使用寿命进行了实验研究。最后，研制了10kV 故障限流器样机，并进行了现场短路限流试验。
　　 试验结果表明，限流器可以有效限制短路电流的峰值和有效值，对于母线电压跌落也有较好的抑制效果。