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24kV永磁机构真空断路器关键技术研究

刘向东  
【摘要】:24kV户外真空断路器是20kV电压等级配电系统中广泛使用的关键设备。我国电力系统20kV配电网建设和改造的不断深入和推广,加快了24kV户外真空断路器理论研究步伐,提高其设计与制造水平,研究开发出具有国际先进水平的国产20kV配电网关键设备,改变目前24kV真空断路器依赖进口的现状,已成为我国配电网发展的关键问题之一。 本文以我国20kV电压等级配电网建设改造的实际工程需要为背景,选择小型化、低成本、高性能的24kV户外永磁机构真空断路器开发过程中的灭弧室、断路器整体外绝缘、高效永磁操作机构等关键技术为主要研究内容。根据配电网对户外柱上断路器操作功小、整体结构和安装尺寸小、重量轻、绝缘强度高、制造和维护成本低的基本要求,研究真空灭弧室内绝缘及整机外绝缘结构优化和永磁操动机构动态特性。建立24kV户外柱上永磁机构真空断路器理论设计与仿真模型,并与南京因泰莱配电自动化设备有限公司合作,研制开发ZW32A-24/D1250-25系列小型户外柱上永磁机构真空断路器。 本文的主要研究内容有: (1)针对配电网户外柱上断路器小型化的实际工程技术要求,以真空灭弧室体积小型化和电场分布特性最优化为目标,建立24kV真空灭弧室仿真模型,以灭弧室3D建模和电场数值分析为基础,研究灭弧室内部结构和触头间电场分布。通过分析开断断口间电场分布,对灭弧室、触头结构及参数进行调整,将灭弧室内部电场峰值优化至偏离触头的部位,同时降低灭弧室内部电场最大场强值,实现在灭弧室结构尺寸比12kV真空灭弧室增加量最小的前提下,保证灭弧室内部绝缘性能满足24kV电压等级要求且有足够裕度。 (2)根据户外柱上断路器整体安装尺寸和重量最小化的实际工程技术要求,研究建立真空断路器整机外绝缘数值仿真模型。分析外部施加不同电压时,真空断路器断口和相间的电场分布特性。通过电场静态数值仿真,确立屏蔽罩和外绝缘套筒的最佳参数配置,使真空断路器在体积、结构尺寸尽可能小的前提下保证耐压水平和绝缘强度不低于国家标准。 (3)根据户外柱上断路器操作电源容量小的配电网实际工程应用环境,应用12kV户外断路器电源操作24kV户外断路器,研究建立永磁操动机构动态特性数学仿真模型,以小型化高效率永磁机构的研发为目标,针对高电压、长行程单稳态永磁机构的合闸问题,设计变气隙自锁式的新型单稳态永磁机构。通过仿真分析单稳态永磁机构的磁力系统和断路器的分合闸动力学过程,在满足户外真空断路器动作特性参数指标和可靠性要求条件下,实现永磁机构操作功最小化。 (4)本文以真空灭弧室内绝缘、整机绝缘结构和永磁操动机构参数等理论研究与计算结果为基础,开发研制ZW32A-24/D1250-25型系列24kV户外柱上永磁机构真空断路器。对研制开发的24kV户外永磁机构真空断路器进行试验考核,产品设计满足国家标准和电力行业标准。


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