车载真空断路器的电应力分析与剩余寿命研究

摘要

随着高铁的进一步发展，高速动车组的投运数量越来越大，动车组高压设备的安全稳定运行越来越引起人们的重视。车载真空断路器是动车组受能供电系统的关键部件，其担负着控制和保护的双重任务，对动车组的正常安全运行至关重要，一旦发生故障，可能对动车组车载高压设备造成严重损坏，也会威胁到乘客的生命安全。因此，列车制造和运营部门都非常关注车载主断路器操作过电压以及使用寿命的情况。
　　 针对车载真空断路器操作过电压的问题，本文根据动车受能供电系统建立了简化电路模型，利用EMTP对真空断路器开断瞬间的暂态过程进行了仿真，分析了截流过电压的特点和变压器参数对过电压的影响，分析了氧化锌避雷器和RC保护器对过电压的限制作用，并确定了两种保护装置选型参数的取值范围。
　　 为了研究车载真空断路器使用寿命的问题，本文利用ANSOFT有限元仿真软件建立了真空灭弧室的简化物理模型，对其电场分布进行了仿真计算，分析了触头在不同开距下灭弧室的电场分布以及不同开距对电弧重燃的影响;分析了随着触头开距不断增大灭弧室内最大电场的变化;也分析了不同触头半径下灭弧室的电场分布以及不同触头半径对灭弧室最大电场的影响。
　　 最后根据车载真空断路器开断-闭合非常频繁这一特殊工况，提出了一套新的寿命试验方法，主要分为工频耐压试验、冲击耐压试验和机械寿命试验。检测灭弧室内触头的接触电阻和分、合闸时间，分别得出接触电阻、工频耐受电压、冲击耐受电压以及分、合闸时间与开断次数的关系。并在此基础上，讨论了真空断路器失效的寿命模型，提出了基于概率统计的真空断路器寿命评估方法。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 真空断路器的介绍

1．2．1 真空断路器的发展及结构特点

1．2．2 真空断路器灭弧原理

1．2．3 真空断路器电应力

1．2．4 真空断路器寿命

1．3 国内外研究现状

1．3．1 真空断路器电应力研究现状

1．3．2 真空断路器寿命研究现状

1．4 本文的研究内容

第2章 车载真空断路器操作过电压分析

2．1 真空断路器操作过电压的影响因素

2．2 动车组受能供电系统特点

2．3 系统建模及参数确定

2．4 仿真结果与分析

2．4．1 截流过电压

2．4．2 变压器参数对过电压的影响

2．5 过电压防护措施分析

2．5．1 避雷器

2．5．2 RC保护器

2．6 本章小结

第3章 车载真空断路器灭弧室电场分析

3．1 概述

3．2 有限元法的基本原理

3．3 真空灭弧室结构

3．4 真空灭弧室电场的影响因素

3．5 仿真模型及电场计算

3．5．1 建模

3．5．2 电场计算

3．6 不同触头开距的电场对比分析

3．7 不同触头半径的电场对比分析

3．8 触头产生毛刺后的电场分析

3．9 本章小结

第4章 车载真空断路器寿命试验方法

4．1 真空断路器电寿命影响因素

4．1．1 触头材料

4．1．2 电弧能量

4．1．3 真空度

4．2 车载真空断路器特殊工况

4．3 主要测试内容

4．3．1 导电回路电阻的检测

4．3．2 耐压试验

4．3．3 机械寿命试验

4．4 试验方法的理论说明

4．5 本章小结

第5章 基于概率统计的真空断路器寿命评估方法

5．1 概率统计的内容

5．1．1 概率论

5．1．2 数理统计

5．2 断路器电寿命的计算方法

5．2．1 电弧能量累计法

5．2．2 燃弧时间加权法

5．2．3 触头相对电寿命法

5．2．4 电流时间积分法

5．3 基于概率统计的寿命评估前提

5．3．1 真空断路器失效与寿命的确定

5．3．2 真空断路器失效的界定标准

5．4 真空断路器失效的寿命模型

5．4．1 断路器失效模型

5．4．2 断路器元件失效模型

5．5 极大似然法估计模型参数

5．5．1 参数的最小二乘法点估计

5．5．2 参数和区间的极大似然法估计

5．6 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果