基于场精细分析的直流真空断路器电弧特性模拟研究

摘要

真空断路器以其介质环境友好、免维护与小型化等优点广泛应用于中压电压等级电力系统中。作为多端直流发、输、配、用电系统中的控制与保护设备，直流真空断路器灭弧室的本体绝缘与电弧特性直接影响整机与所在系统的运行性能。机械式直流真空断路器在开断过程中不可避免地会产生电弧，研究真空电弧的开断特性及其控制措施是提高断路器整机介质恢复性能和全生命周期运行性能的关键。 本文以15kV/630A/10kA单断口机械式直流真空断路器为研究对象，在对直流断路器换流回路拓扑结构分析的基础上，对灭弧室电磁场进行建模与分析，研究灭弧室绝缘特性和触头系统磁场特性。基于15 kV/630A/10kA单断口机械式直流真空断路器换流拓扑结构，采用经典遗传算法与变步长四阶龙格—库塔法相结合对换流回路拓扑结构与元件参数进行计算与优化，以得到计及灭弧室主回路参数及弧后暂态恢复电压变化影响的最优换流回路参数。针对单断口直流真空断路器绝缘与开断能力要求，建立了灭弧室轴对称电场数值分析模型与三维触头系统磁场数值分析模型，考虑优化后换流回路参数影响，以主回路电流与弧后暂态恢复电压动态变化为场路耦合分析激励，对灭弧室电磁场进行有限元数值模拟与仿真分析，以得到开断过程中灭弧室内部电场和断口磁场分布与变化规律。基于机械式直流真空断路器典型样机实验平台，通过采集断路器开断故障电流过程中的电流与电压波形与实验数据分析，以得到直流真空断路器电弧电流、电压、能量、功率以及断口电阻动态变化规律，以定量表征金属蒸气电弧区域温度分布特性。

目录

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摘要

第一章绪论

1．1课题研究背景和意义

1．2直流开断技术的发展与现状

1．2．1直流断路器的发展与现状

1．2．2真空断路器的研究现状与趋势

1．2．3直流开断方法的研究现状

1．3真空电弧研究现状

1．3．1真空电弧的构成

1．3．2真空电弧调控方法

1．4本文主要研究内容

第二章直流真空断路器换流回路参数优化

2．1直流真空断路器换流回路拓扑结构

2．2直流真空断路器换流过程分析

2．3直流真空断路器换流回路参数优化

2．3．1换流回路优化技术路线

2．3．2换流回路参数优化

2．4本章小结

第三章直流真空断路器电场分析

3．1直流真空灭弧室电场分析物理模型

3．2直流真空灭弧室电场分析数学模型

3．3真空灭弧室电场分析

3．3．1不同加载条件下静电场分析

3．3．2场路耦合条件下电场分析

3．4本章小结

第四章直流真空断路器三维磁场分析

4．1直流真空断路器磁场分析物理模型

4．2直流真空断路器磁场分析数学模型

4．3直流真空断路器磁场分析

4．3．1轴向平面磁场分析

4．3．2径向平面磁场分析

4．4本章小结

第五章直流真空断路器电弧特性分析

5．1真空电弧实验方案

5．2真空电弧实验结果分析

5．2．1电弧电流电压分析

5．2．2断口电阻分析

5．2．3电弧能量分析

5．3真空电弧温度特性分析

5．4不同触头结构电弧特性分析

5．4．1不同结构触头片模型

5．4．2磁场仿真结果

5．4．3电场仿真结果

5．5本章小结

6．1总结

6．2展望

参考文献

发表论文和参加科研情况

致谢