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同步真空开关的相关理论及其应用研究

方春恩  
【摘要】:同步开关(相控开关)技术能有效减少高压开关合闸涌流和过电压,消除 分闸重燃过电压,提高开关的开断能力和系统稳定性,改善用户电能质量,成 为了近年来开关智能化的研究热点之一。本文在同步真空开关的相关理论及其 在故障电流同步分断和并联电容器组同步投切应用方面进行了比较系统深入 的研究,推动同步真空开关在我国电力系统中的应用。 同步操作要求开关的分、合闸时间稳定和分散性小。本文首先在比较中压 系统传统的弹簧机构和电磁操动机构的基础上,对基于永磁操动机构和电子控 制的真空开关的控制特性、控制精度和可靠性进行了分析。分析表明,电子操 动的永磁机构结构简单,动作快,操作时间稳定,响应时间可控,能够实现开 关在所希望的相位动作,为同步真空开关的实现提供了必要的条件。 短路电流的同步开断可以大大提高真空开关的实际开断能力,延长其电寿 命。现有的真空电弧理论很少涉及大电流短间隙真空电弧。本文对真空开关同 步开断特有的短真空间隙的介质恢复进行理论分析,应用金属蒸汽密度模型和 不同的间隙边界条件,得到了燃弧时间和触头开距与金属蒸汽密度和介质恢复 时间的关系;分析结果表明短燃弧时间可以减少燃弧期间输入触头系统的电弧 能量,有利于缩短真空间隙的介质恢复时间,减少开关触头的电磨损。参考国 外研究结果,通过开断试验得到商用12kV/25kA真空开关开断额定短路电流不 发生重燃对应的临界燃弧时间为2. 5ms,临界开距为3. 2mm,为真空开关同步 分断的控制系统设计提供实验依据。 在实现短路电流同步分断时,要求控制系统对故障电流进行准确检测、对 故障相作出快速判断、及时给出分闸触发信号。为了保证故障电流下的测量准 确度,本文设计了一种新型的印制电路板(PCB)罗哥夫斯基电流传感器检测 故障电流,并对传感器的稳态和暂态特性进行了测量和仿真分析,结果表明 PCB罗哥夫斯基电流传感器满足故障电流快速、准确检测的要求。在故障判断 方面,本文采用了基于暂态分量快速检测系统故障的方法,并对设计的故障快 速检测单元的暂态特性进行仿真分析,所设计的故障检测单元能够在故障发生 后1ms内判断故障的出现,满足故障电流同步分断的要求。另一方面,分闸信 号的快速、准确给出要求控制系统根据采集的故障信号快速提取短路电流参 数。因此,本文提出了变步长自适应神经元提取故障电流参数的方法。仿真结 果表明,自适应神经元能够在半个工频周期后实现对短路电流的快速跟踪,从 而预测短路电流开断过程中电弧熄灭的电流过零时刻,控制开关触头在最佳燃 弧区间分离。 并联电容器组的同步投切是同步开关技术主要应用之一。本文分析了电力 系统三相电容器组的连接方式和参考信号的选择对电容器组同步投切策略的 大连理工大学博士学位论文同步真空开关的相关理论及其应用研究 影响,并给出了相应的并联电容器组同步关合和同步切除策略。电容器组同步 投切能否获得预期效果主要取决于参考信号零点检测精度和开关分、合闸时间 稳定性。本文提出了用FIR数字滤波器提取参考信号零点的方法,仿真和实验 结果表明参考信号零点检测误差小于o.lms。控制电压、环境温度变化和开关 磨损、老化是造成开关操作时间变化的主要因素,本文采用自适应补偿算法减 少开关操作时间变化产生的同步控制误差,并实现开关实际操作时间的预测。 开关预击穿和操作时间的变化使得电容器的投入并不出现在电压零点时刻,从 而产生较高的合闸涌流和过电压。因此,本文建立数学模型给出了根据同步开 关的关合特性和操作时间统计特性选择最佳目标相位的方法。 最后,在电容器组同步投切理论分析的基础上,本文研制开发了基于数字 信号处理器DSP的中压无功电容器组投切同步真空开关样机。实验结果表明 该样机能实现同步关合和同步切除,同步控制误差小于lms。 关键词:同步开关;涌流:过电压;永磁机构:电子操动;故障电流; 短真空间隙;自适应神经元;最佳相位;关合特性;控制精度


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