高压真空灭弧室结构与工艺的设计与实验研究

摘要

本文首先简要回顾了国内外真空灭弧室的发展历史与现状，综述了真空灭弧室的基本设计理论和工艺方法，以高电压等级真空灭弧室为对象，根据目前的发展水平与研究现状、存在的几个主要问题，引出本文的研究内容与目标。高电压等级真空灭弧室的设计关键是其结构电场的优化。本文以动态绝缘为设计目标，提出高电压真空灭弧室的全程优化设计方法。根据击穿弱点理论，确定把主电场引入均压屏蔽罩的多间隙高电压真空灭弧室结构，然后应用有限元法和最优化理论，对真空灭弧室的电场进行数学建模和优化，即通过求解灭弧室内部的静电场定解问题，优化其内部元件的几何参数，使灭弧室内部电场均匀化，并使静态电场强度的峰值出现在“第二辅助间隙”中。 电真空陶瓷的封接强度是高电压等级真空灭弧室的结构与制造工艺中的关键问题之一。本文首先分析了影响封接强度的主要原因，应用液体焊料的能量约束方程，确定立封结构的焊料凝固轮廓线，得到立封焊缝的有限元模型；对比传统的平封焊缝结构下的应力，并通过标准抗拉件试验证明，立封结构比平封结构的封接应力小，总拉断载荷和单位面积上的抗拉强度都比平封的高。大直径的高压陶瓷真空灭弧室应选择立封结构形式。针对高电压等级真空灭弧室尺度大、结构可靠性受到威胁的问题，对封接过程的工艺参数进行了理论分析、优化与实验研究。通过SurfaceEvolver软件得到焊缝的有限元模型，进而用ANSYS软件计算不同钎焊降温工艺条件下的封接应力。通过应力分析，得到了一种新的降温工艺，在不增加封接应力、不降低封接强度的前提下，降温时间比传统降温工艺缩短了3小时。标准抗拉件试验验证了这种工艺的效果。在工艺方面，作者还解决了实际生产中出现的中间屏蔽罩固定环断裂问题。 高电压等级真空灭弧室工作过程中的动态绝缘水平是我国目前高电压等级真空灭弧室产品开发的“瓶颈”问题，目前主要靠出厂前的各种老炼工艺来稳定绝缘水平。本文根据中压真空灭弧室的老炼机理，建立了“击穿弱点”分布模型，提出老炼是针对击穿弱点的电子逸出与离子轰击的复合过程，提出了高电压等级下保证动态绝缘水平的老炼方法和老炼参数，用以指导高电压真空灭弧室绝缘的稳定化处理。在工艺方面，作者还分析老炼后出现的瓷壳黄斑现象，并给出了解决的方法。 合成回路试验是检测开关开断性能重要的手段之一。本研究对用于高压真空灭弧室试验的合成回路进行了改进性设计，包括硬件电路的参数计算、合成回路的PLC控制系统设计等。系统建成后，经测试完全能达到72.5kV电压等级真空开关电参数摸底试验的目的。本文以72.5kV高压真空灭弧室的设计与实现为背景，作为国家自然科学基金重点项目“金属蒸气电弧等离子体调控理论及在高压断路器领域中的应用”的组成部分之一，开展了高压真空灭弧室结构与工艺的相关理论与实验研究，完成了样机和部分实验，并为进一步的产品化给出了指导性的结论。

目录

文摘

英文文摘

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1绪论

2高压真空灭弧室电场的全程优化设计

3高压真空灭弧室的封接结构与封接工艺研究

4高压真空灭弧室的老炼

5高压真空开关的合成回路试验

6结论

创新点摘要

参考文献

攻读博士学位期间发表学术论文情况

致 谢