基于光控模块的多断口真空开关研究

摘要

本文提出了一种基于光控模块式真空开关单元串联的多断口真空开关系统这一全新概念:首先构造光控模块式真空开关单元,再用这些光控模块进行简单串联,构成高电压等级的多断口真空开关.基于这种新的机构形式,本文以多断口真空开关的绝缘特性为主要研究对象,以工程应用为出发点和目的,通过理论建模、有限元分析和实验研究,对多断口真空开关的击穿统计特性,静态绝缘特性,电场分布特性等相关问题进行深入的理论与实验研究.首先,本文综述了高压真空间隙的基本绝缘特性,真空开关向高电压等级发展、多断口真空开关技术的发展与研究现状、技术难点和问题,引出本文的研究意义.理论分析从串联真空间隙的介质恢复的微观过程出发,研究了多断口真空开关的弧后动态介质恢复过程,多断口真空开关的静态击穿统计特性和弧后重击穿统计特性,借助统计方法,将微观的内在过程与宏观的外在表现联系起来,以求更准确和更深入地理解和掌握多断口真空开关动态绝缘的基本概念.提出了多断口真空开关的击穿电压增益现象,并对其进行了理论推导,证明了多断口解决方案的优越性.作为本文的重点,给出了光控模块式真空开关单元的设计思想,包括光控模块的总体结构、电子操动系统、电源系统等;分析给出了光控模块式真空开关单元的电磁兼容和可靠性设计.在此基础上,进一步描述了基于光控模块式真空开关单元的高电压等级多断口真空开关系统构成.采用ANSYS有限元分析软件,对基于光控模块的多断口真空开关进行电场优化设计,建立了计算模型,并分别以双断口和三断口真空开关为例进行了电场优化设计,给出了电场优化设计的结果.为了模拟双断口真空开关及三断口真空开关的电压分布关系,提出了相应的电容等值模型,可指导多断口真空开关的整体电场优化设计.最后,本研究依赖实验描述了三个真空灭弧室串联后组成的三断口模型的击穿电压增益特性、静态击穿统计特性及各断口的电压分布特性,验证了第二章及第四章通过理论分析得出的结论;实验结果表明,理论分析和实验结果能够较好的吻合.实验进一步证明:多断口真空开关各断口的电压分布规律实质上决定了多断口真空开关的击穿电压增益倍数.因此,应该通过设计最大限度地提高多断口真空开关各断口的电压分布均匀性,从而提高其击穿电压增益倍数,最大限度地发挥多断口真空开关的优势.本研究还设计和制作了40.5kV电压等级的光控模块式真空开关单元样机,进行了样机的动作精度实验.实验表明,其分合闸的动作时间分散性小于1ms,充分说明所设计的光控模块式真空开关单元样机的动作精度可达到微秒级,满足多断口真空开关动态介质恢复的需要.

目录

文摘

第一章绪论

1.1引言

1.2真空开关的发展与现状

1.3高压真空间隙的绝缘特性

1.3.1真空间隙的击穿机理

1.3.2影响真空击穿的各种因素

1.3.3真空击穿的概率统计特性

1.4多断口真空开关技术的发展与研究现状

1.4.1多真空间隙串联的静态绝缘特性

1.4.2多断口真空开关的动态绝缘特性

1.4.3多断口真空开关的操动机构及控制系统

1.5本文主要研究内容和章节安排

参考文献

第二章多断口真空开关击穿特性理论分析

2.1引言

2.2多断口真空开关的弧后介质恢复分析

2.2.1双断口真空开关的等值模型

2.2.2弧后介质恢复过程

2.2.3多断口真空开关的弧后介质恢复过程分析

2.3多断口真空开关的击穿电压增益

2.4静态击穿统计特性的理论分析

2.4.1电场应力的描述-X参数

2.4.2静态击穿统计分布模型

2.5弧后重击穿统计特性理论分析

2.6电场应力X的物理意义

2.7本章总结

参考文献

第三章光控模块式真空开关单元的研究

3.1引言

3.2光控模块式真空开关单元的结构设计

3.3电子操动系统

3.3.1永磁操动机构

3.3.2模块电子控制系统

3.3.3光纤控制技术

3.4模块电源系统

3.5电磁兼容与可靠性设计

3.6本章总结

参考文献

第四章基于光控模块的多断口真空开关及其电场优化设计

4.1引言

4.2基于光控模块的多断口真空开关

4.3用ANSYS求解电磁场

4.4 FCVIM中真空灭弧室的电场计算

4.4.1计算模型

4.4.2计算方法

4.4.3真空灭弧室三维电场及自电容计算结果

4.5基于FCVIM的双断口真空开关的电场计算

4.5.1计算模型

4.5.2计算结果及分析

4.6基于FCVIM的三断口真空开关的电场设计

4.6.1几种计算模型

4.6.2对比计算结果及分析

4.6.3电场优化设计结果分析

4.7本章总结

参考文献

第五章光控模块式真空开关单元模型的特性实验研究

5.1引言

5.2三断口真空开关模型

5.3静态击穿电压试验回路

5.4静态击穿电压试验结果

5.5静态击穿电压增益特性实验研究

5.5.1三断口真空开关模型的电压分布特性

5.5.2工频电压下的击穿电压特性

5.5.3冲击电压下的击穿电压增益特性

5.6静态击穿统计特性的实验研究

5.6.1单个真空灭弧室模型的静态击穿统计特性实验研究

5.6.2三断口真空开关模型的静态击穿统计特性实验研究

5.7 FCVIM控制精度的实验

5.8本章总结

参考文献

全文总结

创新点摘要

附录：作者在攻读博士学位期间的论文发表情况

致谢

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