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HighSpeedLogic专题:断路器开断原理的研究

时间:2017-5-21 17:48:34 点击:

  核心提示:1.1 课题研究背景在配电线路中常用的保护元件主要是断路器,断路器是近年来发展最为迅速的一种保护电器。在低压网络中,普遍用的是塑壳式断路器或框架式断路器。而在中压及高压网络中主要用的是少油断路器、多油...

1.1 课题研究背景

在配电线路中常用的保护元件主要是断路器,断路器是近年来发展最为迅速的一种保护电器。在低压网络中,普遍用的是塑壳式断路器或框架式断路器。而在中压及高压网络中主要用的是少油断路器、多油断路器、SFs断路器及真空断路器。作为电力系统控制和保护设备,高压断路器动作的可靠性对供电可靠性有着极大的影响。影响高压断路器可靠性的一个主要因素就是其操动机构的可靠性。据国际大电网CIGRE对断路器故障调查的统计结果可知断路器70.3%的故障是由于操动机构的机械故障引起的。为进一步提高断路器的可靠性有必要研制新型的断路器操动机构。近年来一种用于中压真空断路器的永磁保持、电子控制的新型操动机构(永磁机构)引起了开关行业的关注并成为电器制造企业和运行部门研究的热点。开发针对永磁机构断路器的机械特性测试装置对于研究新型永磁操动机构机械特性、提高其可靠性具有重要的意义。

随着经济的发展,人类对电能的需求和matlab代做QQ1224848052依赖不断增大,因此承担电能的传输与分配、用电保护与控制任务的低压电器产品的需求也日益增大。电网容量的不断增大,低压配电与控制系统日益复杂化,对低压电器产品的性能和结构提出了更高的要求。低压电器产品的研究和开发具有深远的现实和理论意义。世界各国都很重视低压电器产品的发展,每年都大量投入资金和人力进行产品的开发研制。

低压电器在运行时,存在着电、磁、热、机械运动、光等多种物理现象,伴随有各种能量之间的转换,其转换规律大多是非线性的,许多现象又是一种瞬态过程。与之相关的理论分析因此变得极其复杂。低压电器传统的理论基础一电接触、电弧、电磁、电动力、热效应等的数学模型的建立多数是通过实践中的一些经验获得的,理论推导、分析计算都存在很大的误差。产品的设计要通过不断的计算、反复的实验才能获得较为满愈的结果。开发周期长,投入大,更新换代速度缓慢。

随着科学技术的进步,新技术、新工艺、新材料的不断出现和运用,计算机技术、网络技术、现代通信技术、智能化技术、可靠性技术、微电子技术、现代制造和现代测试等新技术为低压电器产品的开发提供了良好的条件:新型的技术手段推动新的科学理论的发展,能够为产品的设计提供准确的理论指导。同时,现代技术也对电器产品的发展提出了高性能、小型化、多功能、组合化、模块化、电子化、智能化、远程通信化的要求。

高性能是一个综合技术经济指标,要求断路器提高分断能力、飞弧距离小,结构紧凑,节省材料,小型化。

组合化是实现电器产品多功能的重要途径,将两种以上的产品有机地组合起来可增强产品性能并完成多种功能。为实现产品组合化,满足不同用户的需要,采用模块化结构是新一代低压电器产品发展的主要方向。智能化的断路器具有智能化的脱扣器,具有诊断和自动报警功能、故障动作显示以及记忆功能,能进行电路参数的测定,可实现远程通信功能,并能在极短的时间内实现选择性保护。

1.2 断路器开断原理

交流电弧电流过零时,电弧功率也为零,此时弧隙得不到能量输入,却仍以对流、传导、辐射等方式继续散出能量。这样,弧隙内的带电粒子消游离过程将大大增强,使弧隙温度迅速下降,电弧会暂时熄灭。在电流过零以后,电弧可能再次重新燃烧,也可能就此熄灭,完成电路的开断。因此交流电弧电流的过零,给熄灭电弧造成了有利的条件,只要在电流过零后弧隙通道能不发生重燃,电弧就会最终熄灭。故而熄灭交流电弧要比熄灭直流电弧容易。

从电弧电流过零时开始,电弧间隙上将发生两个作用相反的过程—电压恢复过程和介质强度恢复过程。

在电流过零电弧熄灭的瞬间,弧隙上的电压为熄弧电压 。在电流过零电路被开断后,弧隙上的电压应从 变化到相应于此时的电源电压。由于实际电路中总存在着一些电容、电感,使电压不可能直接跃变,因此弧隙上的电压在从熄弧电压变到电源电压时将发生过渡过程。弧隙上的这一过渡过程称为弧隙的电压恢复过程。

在这个过程中,弧隙两端出现的电压就称为弧隙的恢复电压。电压恢复过程与电路参数和弧隙性能有关,可以是周期性的,也可以是非周期性的。电流过零电弧熄灭后,弧隙从原来的matlab代做QQ1224848052导电电弧通道逐渐变成绝缘介质的过程称为介质强度恢复过程。弧隙介质强度用弧隙所能耐受的电压来表征。假若开关能在电流零点瞬时无电弧打开(或只分断很小的电流而不计电弧影响时)触头极间介质强度的恢复称为冷态介质强度恢复特性,或空载介质强度恢复特性。这是任何开断装置本身所固有的特性,它取决于电极形状、极间距离及间隙条件等。在其他条件不变的情况下,冷态介质强度随极间距离的增大在起始阶段是与时间成线性或近似线性关系增长,在到达断开位置时则饱和于某一定值。触头在分断电流后的弧隙介质强度的恢复称为热态介质强度恢复特性或熄弧后的介质强度恢复特性。由于在熄弧后的短时间内,弧隙仍有残余等离子体存在,它将严重地影响到介质强度及其恢复,从而使熄弧后的介质强度及其恢复特性与空载介质强度恢复特性有着显著的不同。

显然,电压恢复过程使弧隙上的电压升高,将可能引起弧隙的再次击穿而使电弧重燃;而介质强度恢复过程使弧隙的介质强度不断增加,它将阻碍弧隙的再次击穿而使电弧最终熄灭。因此,电弧的熄灭与否,就取决于这两个同时发生而又作用相反的过程的“竞赛”。

1.3 各类断路器的发展现状

·高压SF6断路器发展状况

由于SF6气体具有优异的灭弧和绝缘性能,同时它化学性能稳定且无毒性。可以说,SF6的使用,引起高中压开关及其设备的一场大革命。几十年的实践证明,SF6气体具有优异的灭弧和绝缘性能,无可争议,目前仍没有另一种介质可以与之相比。1947年美国开始工业产生SF6气体,并于1953年首先用于开关设备、用于断路器,SF6断路器在原理上与平常充气断路器相同。

高压开关设备是SF6气体主要的使用场合。根据IECI1634(1995-04)号技术提供的资料,全世界SF6气体的年产量介于5000-8000吨之间,其中2000-4000吨用于高压电器及设备。就是说,高压电器及设备占了约一半SF6气体量。我国在高压开关及其他方面的SF6用量每年约为600-800吨。生产110-500kV SF6断路器及GIS设备用量气体最多。我国己能制造SF6气体,并能满足高压开关设备的需求量。

    SF6断路器的发展从高压35 kV245 kV800 kV直到特高压1100 kV。经历了双压式(60年代)-单压式(70年代)-热膨胀式(80年代)-二次技术智能化(90年代)的过程。双压式结构复杂且产量低,紧接的研究工作放在提高容量和取消压缩机上,经过研究,人们利用开断过程中压缩气体的方式,取消了压缩机,从而出现了单压式断路器。单压式(压气式)目前已用到550 kV1100 kV级;热膨胀式原理方兴未艾,现己做到110-245 kV级,正向420kV努力;二次智能化集微电子技术、传感技术、计算机技术等于一体,实现开关智能控制和保护,变定期维护状态维护

现在所运行的SF6断路器主要用单压式灭弧方式,单压式的灭弧特点是利用开断过程中压缩SF6气体来熄弧,故开断能力强。单压式断路器在灭弧结构上呈现两种不同形式,一种为压气式定开趾灭弧室结构,另一为压气式变开距单向吹弧灭弧室结构。定开距灭弧室结构具有开断电流大的优势,而变开距灭弧室结构则有断口电压高的优势。

单压式断路器的外型结构可分为落地罐式断路器和绝缘子支柱式断路器两种,这两种形式都有很大的发展。开断电流从20kA增大至63kA,断口电压从最开始的72kV提高至360kV420kV及目前最高的550kV

·真空断路器器发展状况

对真空绝缘的研究开始于19世纪,到19世纪末人们发现真空可以作为灭弧介质,但是,受到真空密封技术和冶炼技术的限制,要达到高度真空和使金属材料内气体杂质降低,当时还缺乏相应的技术手段,使得在真空状态下的电流开断设计无法实现。

1926年,美国Sorensen教授实验室利用真空灭弧室成功matlab代做QQ1224848052地开断了4.15kV926A的交流电流,这就是现代真空断路器的雏形。进入30年代,美国GE(通用电气)公司开始研制真空开关。50年代中期,由于真空检漏技术,玻璃、陶瓷与金属的气密封接技术,金属波纹管制造技术和高纯度金属冶炼技术的相继成熟,真空断路器进入了实用阶段。1959年,美国GE公司首先研制成功15kV200A60Hz平板电极触头灭弧室;1960年开始试制沿触头边缘开螺旋槽灭弧室,将磁场引入灭弧机构,使真空断路器技术迅速发展。1961年,世界上第一台商业电力真空断路器(15kV600A12kA)由美国GE公司推出。

真空断路器在1963年正式投入使用以来,日、美、英等国的真空断路器相继达到商品化生产。1967年,英国AEI公司制成132kV15.3kA8断口真空断路器,之后又将断流容量提高到5000MVA,开始大规模用于输电系统。从70年代开始,中压级(7.2kV36kV)真空断路器逐步取代过去的油断路器,而且在同SF6断路器的竞争中处于优势。

日本东芝公司首先发明了纵磁场触头,最先为线圈型,之后出现了多种结构。德国西门子公司开发的是杯状纵磁场触头。纵磁场触头是目前提高真空断路器开断能力的最好措施,因此目前所有先进的真空灭弧室都采用纵磁场触头,普遍使用的是线圈型和杯状型纵磁场触头。试验证明,在纵磁场的作用下,直径200mm的触头可分断电流120kA。在触头直径相同的条件下,纵磁场触头和横磁场触头相比,具有很高的开断能力和电寿命,并在开断短路电流后具有较高的耐压强度。

·智能化开关设备发展状况

断路器的动作是由它的二次回路来控制的,二次控制装置的可靠性直接影响开关设备的性能,特别是造成断路器的拒分、拒合。国际大电网会议曾就高压断路器的可靠性作过两次世界范围的调查。调查结果表明,二次回路(控制和辅助回路)的故障紧接机械故障之后居第二位。如第二次调查结果表明,控制和辅助回路占高压断路器主要故障的29%,占次要故障的20%。因此国际大电网会议第13.06工作组在调查报告中指出:迫切希望改进控制和辅助回路的可靠性。这次所调查的开关设备的二次回路多采用传统的电磁式机构结构。这种结构所具有的功能十分有限,已无法适用现代化电网发展的需要。其性能差,特性不一致,体积大,成本高,功能单一,难以构成大规模的自动化系统。因此高压开关设备的二次控制,必然从传统的电磁机械式走向智能式。智能式开关设备是在计算机技matlab代做QQ1224848052术、传感技术、数据处理技术等新技术上发展起来的新兴开关设备,它是电网自动化发展的需要,也是提高高压开关设备可靠性的需要。电网要自动化,开关设备必须智能化。国外大型企业如ABBSiemens等公司都在积极开发智能化开关设备。ABB为它的GIS开发出第三代智能式二次技术。作为开关柜,开发出i-ZSJ型智能化开关柜及ZX2型智能化充气柜。其中二次技术采用REF542plus智能化控制、保护单元。Siemens公司在它的NXAir型开关柜采用Siprotec4型数字监控装置,集保护、控制、测量、通信、操作、监视及整个程序控制于一体。该公司还在NXplus充气柜中采用更为完善的7SJ63型多功能数字继电器,进一步提高了智能化程度。国际大电网会议在对高压断路器的可靠性作过两次世界范围的调查之后,又就高压断路器的二次控制装置做了一次最新调查。为此,国际大电网会议成立了专门工作组(Working Group A3.1 2)。这次调查,得到电力用户大力支matlab代做QQ1224848052持与积极配合。这次调查的断路器的二次控制装置主要是传统的电磁式控制装置。通过调查弄清电磁式二次装置的故障模式及哪些二次控制元件要对故障负责及负多大的责任。国际大电网会议A3.12工作组于2004年公布了调查结果,来自世界主要地区的13个国家27个电力部门参与调查,共收到故障报告339份。调查结果表明,控制回路最多的故障模式是拒分拒合,误操作故障仅占主要故障的13%。有6个控制元件要对占88%的控制故障负责。这6个控制元件是:(1)辅助继电器占20%;(2)位置辅助开关(机械部分)19%;(3)线圈占14%;(4)储能极限监视装置占12%;(5)气体密度监视装置占12%;(6)接线和接头占11%。调查指出,这次调查的是传统控制技术,将来的工作应放在电子控制装置上,以取代传统技术,改进控制装置的可靠性。由此可见,以电子控制技术取代传统电磁式二次技术是高压开关设备发展必由之路。

现代智能化技术是建立在微电子技术、信息传输技术、计算机技术、伺服技术及精密机械技术等高科技之上的综合技术。它把计算机技术加入机械系统,使系统有了大脑,在加入传感器采集到的信息,并用光纤传导信息,使系统有了知觉,大脑根据直觉做出判断与决定,使系统有了智能。这也就是说,智能化开关设备应具有感知能力、决策能力和执行能力。智能化技术可对开关设备进行在线控制,及早发现故障,防患于未然,又可对开关设备运行状态进行监视,变定期维护状态维护。这样做极大地提高了运行可靠性,同时又节省了大量的维护费用,给电力企业带来巨大的技术经济效益。

1.4 本课题主要研究内容

本课题通过MATLAB及编程的方法计算出断路器开断电容性负载时的开断能力,着重从恢复电压的大小计算入手。求出控制、影响断路器瞬态恢复电压的方法通过计算分析,可以更加深入了解系统中断路器的性能及其选择,为系统安全稳定运行提供保证。

Tags:断路器 
作者:断路器 来源:断路器
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