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高压开关全电压关合试验系统及其应用研究

范兴明  
【摘要】: 本文以高压开关的合成试验为研究背景,综述了试验方法及其在高压开关新产品的研制、开发中的作用。以国际电工委员会(IEC)和我国关于高压断路器合成试验的相关标准为指导,研究了高压断路器全电压下的合成关合试验所涉及的回路设置、高压断路器的关合性能分析、电流源主控开关的研制及相关理论分析,以及全电压关合试验测控系统的设计等。本文研究可为高压开关的关合性能考核提供相关理论和试验方法基础。 断路器短路关合操作直接受触头间隙的介质强度特性、操动机构的关合和闭锁能力的影响。本文首先通过对断路器合、分的物理过程进行分析,引出断路器合分过程电弧能量模型;引入介质强度下降率及其变化率K_(RDDS)(以外施电压波形最大斜率为基准的相对合闸速度),定量分析关合相位、最大预燃弧时间、最小预燃弧时间、预燃弧能量等参数随K_(RDDS)的变化情况和相互关系;讨论了关合短路电流时的力-热过程对随后分断操作的影响,从而得到对高压开关的关合性能考核要求。 进行全电压合成关合试验的关键是断口耐压高、通流能力强并且导通快速稳定的电流源投入开关。本文提出基于真空触发开关(TVS)和快速真空断路器(FVCB)构成基本模块单元的电流源主控开关和全电压合成关合试验回路,并分别对TVS的触发特性和FVCB所配的永磁操动机构进行研究和优化。仿真和试验结果表明,TVS的导通时延在微秒量级,FVCB的合闸时间不大于8ms,满足快速稳定投入电流源的要求。 通过对电流源投入时短路关合电流从TVS支路到FVCB支路的转移过程进行仿真和试验分析,给出各个时间阶段TVS和FVCB支路分别承载的短路关合电流分量。分析得出短路关合电流与TVS和FVCB燃弧时的电弧电压、所在支路参数(电感和电阻)以及FVCB的预燃弧时刻和关合时刻有关。 为了保证合成关合试验与直接试验的等价性,除了保证试验过程中各个阶段所施加的电压和电流负荷必须满足试验标准的要求以外,对外施电压关合相位以及外施电压与短路关合电流相位容差都要进行严格控制。本文以同步开关技术为基础,对外施电压关合相位及试验容差进行控制。增加电流源投入的综合判据,减少由于无效试验对试品和电流源主控开关造成的不必要的烧蚀,从而保证试验的有效性和成功率。 针对本文提出的电流源主控开关和全电压合成试验回路,给出了全电压合成关合试验的控制策略及其实现方法,对影响控制精度和试验成功率的主要因素进行分析并给出了相应的补偿措施。研制了高压断路器全电压关合试验测控系统。该系统以是否检测到试品开关预燃弧击穿电流和外施电压与关合电流相位满足90±27°为基本条件,作为电流源是否投入的判据。 最后,本研究实现了可进行额定试验参数为110kV/63kA的电流源主控开关和全电压关合试验系统样机,给出了可进行额定参数为550kV/63kA全电压关合试验系统的实施方案。在西安高压电器研究所对电流源主控开关和全电压关合试验测控系统样机做了功能和可靠性验证试验,在作具有最大预燃弧的高压断路器全电压关合试验时,外施电压与短路关合电流的相位容差典型值为±800μs,满足IEC和国标中规定的±1.5ms容差要求。试验结果表明,电流源主控开关和试验系统样机工作性能稳定可靠,达到了本文的预期研究和设计目标。


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