（电机与电器专业论文）全电压合成关合试验快速关合开关的研究.pdf

全电压合成关合试验快速关合开关的研究 t h es t u d yo ff a s tm a k i n gs w i t c hf b rs y n t h e t i cm a k i n gt e s tc i r c u i t u n d e rf u n v o i t a g e a b s t r a c t a l 1 0 u 曲s y 砒e t i ct e 吼m e l h o dh 硒b e e n 谢d e l ya p p l i e d mb r e a k i n gt e s to f c i r c u i t _ b r e 址r ，a ss ”m l e t i cm a k i l l gt e s tu n d e rf u l lv o n a g e ，i th 髂b e e nr e l a t i v e l yi e s ss t u d i e d 卸da p p i i e d b e s i d e st 1 1 ee c o n o r n i ce f 艳c t ，m ea n o t h e rg r e a t e ri m p o r t 髓tr e a s o ni sm a tt l l e v a l i d 姆o fs y n 也e t i cm a k i n gt e s th 踞b r 吼培h th i g h e rr e q u i r e m e n t st o 也ec l o s i n gd e v i c e so f c u r r e n ts o u r c ea n dt i r i l ep r c c i s i o no fc o n 缸口ls y s t e m i no r d e rt om e e t 血ee q u i v a l e n t p e r f b n n a n c e 、i mad i r e c tt e s t ，i ti sr e c o m m e n d e db yi n t e m a t i o n a ls t a n d a r do fi e ca i l d n a t i o n a l 蛐m d a r do fc h m at h a tt h ec u r r e n ts o u r c eo fas y n t h e t i cm a k i n gt e s ts h o u l db e s w i t c h e do nt on l et e s t e dc i r c u i t - b r e a k e rw i m i l l3 0 0r n j c r o s e c o n d s s o ，t l l ek e vd e v i c eo f 也e s y l l 也e t i ct e s tc i r c u i ti saf a s tc u r r e mm a k i n gs w i t c h ，w t l i c hc o m d 喇t h s t a r l dh i 曲s t a t i cv o l t a g e a n dm a k eh i 吐s h o r t c i r c u i tc u r r e m f 豳t l y ，ag e n e r a l i n 仃o d u c t i o no fd o m e s t i c 妣df o r e i g ns i t u a t i o no fs t u d ya n da p p l i c a t i o n s o fs y n t h e t i cm a 始n gt e s ti sp r e s e n t e di nm ep 印e r ，血e nab r i e fi i 心o d u c t i o no ff 拈tm a l c i n g s 、i t c h e s a c c o r d i n gt o 也et e s tc o n d i t i o no fe l e c t r i cp o 、v e rt e s ts t a t i o ni ne x i s t e n c ei nc h i i l a ，a t y p eo ff h s tm a l c i n gs 、v i t c hs y s t e m ，b 鼬e do nt r i g g e 阳dv a c u 啪s 、v i t c hi sp r o p o s e d t om e e t w i t ht l l ed e m a n do fh i g hv 0 1 t a g ec l a s sf o ri s o l a t i o n ，t h es w i t c hs y s t e mi sc o n s t i t l l t e db ys e v e m l m o d l l l e s ，e a c ho fw h i c hh a sat v sa n daf a s tv a c u u mc i r c u i t _ b r e a k e r ( f v c b ) 谢mn l es a m e v 0 1 t a g ec l 孙sc 0 i l l l e c t c di np a r a l l 或t v si s 印p l i e dt oc o n 订0 1t h ef h ts w i t c m n gt i m eo nm e ma ：k i n gc u r r e l l ta c c u 珀t e l y ，a n di th a sad e l a y - t i m ec o n i i u c t i o no fs e v e m lm i c r o s e c o n d s f v c b a c t sa s 孤蛐x i l i a r ys 诹t c ht op r o t e c tt v s ，a n dg e t st h es 柚em a k i n gi n s n l l c t i o n ，t o g e m e r 、v i mt v s ，行o mt h ec o i l 订o ls y s t e m w i 也t h ec l o s m go ff v c b ，t h em a k i n gc u r r e n to fc u i t e n t s o u r c es h i r s 行o mt v st of v c bt or e d u c et h ea b l a t i o no ft h et v sc o m a c t sa n dt op r o i o n gi t s l i f c t h e n ，m em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h ep r o c e s so ft h es i n g l em o d u l eo f 也ef h s tm a k i n g s w i t c hi sm o d e l e d ，a i l dn l ep r o c e s so ft h ec u 玎e n ts h i 氐i n gf r o mt v st of v c bi sa n a l y z e da i l d s i m l l l a t e dw i 血b m t d c p s c a d ，w h i c hi sas o f t w a r ef o re l e c t r i cp o w e rs y s t c m t h er e s u l to f s i m m a t i o ns h o w st l l a t 廿l es h o r t c i r c u j tc u r r e n tc a l ls h i f tf r o mt h et v sb r a l l c ht om ef v c b b r 锄、c hg u c c e s s 如l l yt oa c h i e v e 也eo r i 叠i n a li n t e n t i o no f t h ep a p e r t h ee m p h a s i so ft h ep a p e ri s 协eb 船i cc o n s t i t u t i o np a r t so ft h ef h s tm a k i n gs w i t c h ：t v s a n df v c b f i r s t ，t h et r i g g e r e dc h 甜a c t e r i s t i co ft v s ，w h i c hi st h em a i nc o n t r o ld e v i c eo f 也e f a s tm a h n gs w i t c h ，i si r e s d g a 把d ，a n d 吐l el r 曲r v a l 丘o mt h em a k i n gs i g n 矗lt ot 揖c o n d u c t i o n o fm a i l lg a po ft v si sa b o u t8 6m i c r o s e c o n d si n 也ee x p e 血n e n t s t h e nf v c b ，b a s e do na n a d v a n c e dp e r m a n e mm a g n e t i ca c t u a t o ri sd e s i g n e da n dd e v e l o p e d ，w h i c hh a sac l o s i n gt i m e 大连理工大学硕士学位论文 o fa b o u t8i i l i l l i s e c o n d sm 也ee x p e r i m e n 招，也e nas i 主n u l a t i o no fd y n a i n j cc h 艄t e r i s t i ci s c a l c u l a t e d 、i 也a n s y sa 1 1 dm a t i ，a b ，a r l d 吐：峙r e s u n so fs i m u l a t i o na n de x 口e r i i n e n ta r e 、e l l m a t c h e d f i n a l l y ，t h e 丘b e rc o n 仃o lc i r c l l i t so f t v s 姐df v c bi si n t r o d u c e di nt h ep a p e r a n dn l e r e s u l t so fp r a c t i c a lo p e r a t i o n sp r o v e dt h a t ，t h ec i r c u i tc a na c c o m p l i s ht l l ec o n t r 0 1 劬c t i o n sa s e x p e c t 锄c e ，a n ds o l v et h ep m b l e m so fe l e c t r o m a 弘e t i ci n t 印哪i o n 锄dt h ei s o l a t i o nb e t 、v e e n t t l eh i g h - v o l t a g et e s tc i r c u i t s 吼dl o w - v o l t a g ec o n 订o lc i r c u i t s k e yw o r d s ：s y n t h e t i cm a l i n gt 姻t ；f a s tm a k i n gs w i t c h ；t r 蟾g e n dv a c u u ms w i t c h ； p e r m a n e n tm a g n e t i ca c t u a t o r ；f i b e rc o n t r o ic i r c u i t 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：掣：迭日期：坦z 车五翊! 三日 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名：鸳筮选 导师签名：丝堕鱼 一丝年鱼月旦日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 断路器的短路试验方法”1 在电力系统的发展过程中，高压断路器的断流容量以及其它电器的短路试验容量应 该超前于电力系统的实际短路容量，但由于投资的限制。短路试验站的短路试验容量却 落后于电力系统的实际短路容量，这一矛盾一直推动着短路试验方法的研究和发展。另 一方面试验方法的提出与采用和产品的结构及性能关系密切。例如，当多断口积本似的 少油断路器和空气断路器处于主导地位的年代，由于单个断口的电压不高，仅5 0 k v 左 右，和整极的容量相比，每个灭弧单元的容量不算太大，短路试验站有可能提供需 要的 直接试验容量，因而单元直接试验就被采用并且维持较长的时间。但是，s f 6 断路器兴 起后，单个断口的电压迅速提高到2 4 5 3 6 5 k v 及更高的水平，单元直接试验再也无法 满足需要，合成试验方法便得到迅速发展，并且成为特大容量断路器试验的唯一可行方 法。发展试验方法，要求以尽可能少的投资或者尽可能小的直接试验容量作基础，满足 更大容量产品的试验需要，创造试验条件，使试品受到真实的考核。 对于开断和关合能力的试验方法的分类，v z a j i c “1 作了全面确切的分类。其中，按 照试验电路分类，可以分为直接试验和合成试验。 直接试验方法是一种短路试验方法，其中外施电压、电流、瞬态及工频恢复电压全 部取自一个电源回路。该回路可以是电力系统、短路试验发电机或者两者的联合。在一 定的使用范围内，也可以是充电的电容器对电抗器放电的l c 单频振荡回路，试验回路 的外施电压及工频恢复电压与该电源的电压相当。直接试验法是使用最早的试验方法， 而直接试验电源回路则是短路试验站的基础，合成试验和其它试验条件的模拟均需要一 定容量的直接试验电源，动、热稳定性试验和变压器突发短路试验必须利用直接试验电 源进行。试验电源的频率应该能适应各种额定频率的要求，即5 0 h z 及6 0 h z ，标准规定 允差士1 0 。 合成回路试验法也是一种短路试验，是间接的试验方法，其中大部分电流或者全部 电流取自一个电源( 电流回路) ，而大部分或者全部的试验电压取自另一个或更多的独 立电源( 电压回路) 。合成试验方法的构思基础是断路开断开断故障时，存在着两个不同 的阶段。先是燃弧阶段，此阶段电路电流虽然很大，但维持电弧燃烧所需要的电源电压 并不高；继之是电流开断后的电压恢复阶段，此阶段电压虽然很高，但是几乎没有电流， 提供恢复电压的电源容量不需要很大。因此，合成回路的两个独立电源( 低电压大电流 的电流源和高电压小电流的电压源) 按照需要先后加在被试断路器上进行开断或者关合 全电压合成关合试验快速关合开关的研究 试验。因为每个电源的容量都较小，则可用较小的设备获得大的试验容量，其投资费用 较小，而且能较好地反映短路试验的性能。 合成试验的等价性也得到公认，它为发展超高压大容量的断路器提供了有力条件。 用合成试验法进行的断路器型式试验，已被国际电工委员会认可而列入i e c 标准中。“ 这里的等价性是具有统计含义的，绝对的等价性是不存在的。满足等价性的主要条 件为： 1 ) 、合成试验和直接试验之间因该有尽可能相同的电弧电流瞬间值，具体表现在：对 于合成试验，电弧能量应于直接试验相同；电弧电流趋于零时，电弧电流的变化率d i d t 应该相同。 2 ) 、合成回路的瞬态恢复电压与工频恢复电压和直接试验必须等价的。 3 ) 、在某种类型的断路器上进行的比较试验，考虑其统计特性的规律，并且应证明， 在可接受的公差范围内，由此而回路分别施加的电流和电压负荷具有相同的结果。“1 1 2 合成关合试验 1 2 1 台成关合试验的过程 和合成开断试验的思想相似，合成关合试验根据断路器在关合过程中出现的不同阶 段，先后将电压源和电流源加到被试验断路器上。 被试验断路器的关合过程分成三个阶段，分别为“1 “： 1 ) 、高压阶段：分闸位；从触头施加电压到触头运动到间隙预击穿的瞬间，此阶段 被试验断路器的触头两端承受额定电压。 2 ) 、预燃弧阶段：合闸行程中：从预击穿瞬间到触头接触位置，此阶段断路器导通 对称或者非对称的短路电流。 3 ) 、扣锁阶段：合闸行程中；从触头接触到达完全闭合( 锁定) 位置的瞬间，此阶 段被试验断路器上导通对称或者非对称的短路电流。 根据这三个阶段的各自的特点，合成关合试验回路组成要求外施电压由独立的电压 源提供：短路电流由降低电压的电流回路提供；预击穿后，借助电流源快速关合开关将 电流回路立刻导遥到试品断路器上。 1 2 2 台成关合试验的目的 断路器在电力系统中主要工作条件就是分断和关合负荷电流，甚至短路电流。从高 压开关设备的发展过程和应用状况来看，对开关设备开断短路电流及相关物理过程的研 究远多于对关合性能的研究。无论是对开关设备的设计、生产和使用，还是对相关行业 大连理工大学硕士学位论文 标准的制定、高压电器试验以及对电力系统本身来说，关合过程及相关特性都是值得进 行深入研究的课题。 断路器在进行不成功的自动重合闸和随后的不成功强送电操作时，遇到的就是关合 断路电流的工况；电力系统中用子母线或作为两个系统之间起联络用的断路器，当其两 端的系统出现振荡失步时，断路器就会承受关合失步环流的负荷；另外具有关台短路任 务的接地开关也应具备承受关合短路负荷的能力。因此，在相应的电器标准中都规定了 短路关合，合分以及分一合分试验的内容。 在最新修订的i e c 6 0 4 2 7 和及断路器国家标准g b l 9 8 4 2 0 0 3 中都规定，对预击穿显 著的断路器除了可以在降低的外施电压下进行额定的短路关合试验外，还必须在规定的 外施电压下进行具有最大预燃弧的关合，合分以及分合分试验，以证明当预击穿发生 在外施电压峰值出现对称关合电流时断路器所能承受严重负荷的能力。 在关合过程中，开关设备在外施电压波形的任意一点发生预击穿时都应能够可靠地 关合随后出现的关合电流或短路关合电流。因此i e c 标准和我国的国标中均列出以下两 种极端情况，以对断路器短路关合能力进行适当和全面的考核“”“1 ： ( 1 ) 合闸操作在规定的外施电压波峰值进行，产生对称短路电流，具有最大的预燃 弧时间。 ( 2 ) 合闸操作在外施电压波的零点进行，没有预燃弧，产生最大的非对称短路关合 电流。 图l 。l 为在这两种特殊情况下关合时的电压和电流波形。实际合闸过程中，在外施 电压的正负两个半波都有可能发生击穿，为简化分析过程将外施电压波形都翻转到了正 半波，这种简化对分析结果没有实质影响。 外施 ：，一买。 婺嘉圭墨态、料7 图1 1 电压波峰值和零点关合时的短路关合电流 f 谵1 1d a g r a mo f s h o r t c i f c u i tm a k i n gc u n r e n tw h e nm a k i n ga ta p p j i e dv o l t a g ew 8 v e f o r m sc r e s ta n d z e r 0 在额定外施电压下，如果根据断路器的预击穿燃弧特性难以得到额定关合电流，i e c 全电压合成关合试验快速关合开关的研究 6 2 2 7 卜l o o 推荐在降低的外施电压下进行附加的合分试验，并对降低电压下进行关合的 实施条件做了具体规定，还对断路器的关合及分断操作做了非常具体和详尽的规定 6 2 2 7 卜1 0 0 中试验方式4 是主要针对合成关合操作而设定的。 对于在降低电压下做的关合试验，两次关合( 峰值和零点) 操作的最大预击穿燃弧时 间均不得超过l ( 5 0h z 系统为3 2m s ) ，预燃弧必须控制在灭弧装置中且短路关合电 流等于额定开断电流的2 5 倍。如果这些条件不能同时满足，或者在额定电压下进行关 合试验，或者在充分考虑试品特性及工作条件的前提下，由生产厂家、试验站和用户协 商做满足特殊条件的降低电压下的合成关合试验。 1 2 3 全电压合成关合试验的发展 所谓全电压合成关合试验是相对于降低电压下的合成关合试验而言的，它是指，在 进行关台试验时，被试验断路器的触头两端加载的电压源电压为额定电压，并在额定电 压下的电压波形的任意一点发生预击穿。 对于合成关合试验的研究和设计，早在2 0 世纪3 0 年代就已经开始，但主要考虑的 是开断能力的试验。早在1 9 6 6 年，国际大电网会议( c i g r e ) 就对合成关合试验的基本规 则和具体实施条件进行了探讨，7 0 年代出现了对合成关舍试验实际应用的报道。”。 c i g r e 工作组w g 1 3 一0 4 专门从事高压断路器关合试验相关课题的研究，当时认为没有 必要对预燃弧时间不超过3 2 i i 】s ( 频率为5 0 h z 的系统) 的高压断路器进行关合试验。但经 过进一步的考察和研究，1 9 9 0 年i e c 在北京举行会议时对预燃弧时间的限制作了重新修 订，推荐无论预燃弧时间多长，高压断路器都应在额定电压下进行关合试验“3 。 与此同时，世界各国的试验站也提出了多种合成关合回路的方案，其中很多方案都 申请了专利，一些国家还建立了工业性或半工业性的合成回路实验站。 意大利c e s i 试验室在1 9 7 7 年就已经研制了高参数的专用关合开关和建立了工业性 的合成关合试验回路。经过4 0 多年的发展，c e s i 针对合成试验，开发了一系列的产品 包括c h p ( p l a s l i l a m a k i n gs w i t c h ) ，s y n t r ( s y n c h r o n i z e dt r i g g e rg e n e r a t o r ) ，s p p ( p l a s m as p a r kg a p sf o rs y n t h e t i ct e s t ) 及o l ( o p t o e l e c t r i c a ll i n k s ) 等等。c e s i 能完成4 2 0 k v 6 3 k a 的三相全极或者8 0 0 k v 6 3 k a 的单相1 2 极的合成试验。 目前，荷兰的k e m a 试验站已成功进行了三相2 4 5 k v 6 3 k a 的合成关舍试验1 。位于 瑞典路德维卡的a b b 公司的高电压试验室能进行3 相全极3 6 2 k v 6 3 k a 或者单相全极 5 5 0 k v 6 3 k a 的合成关合试验。 国内合成回路的运行已有3 0 多年的历史，国内西高所于1 9 9 1 年完成合成关合回路， 并完成了2 2 0 k v 3 1 5 k a 的合成关合和合分试验“”。但是与国外同行相比，国内的全电 大连理工大学硕士学位论文 压合成关合试验仍旧有一定的差距。 1 2 4 全电压合成关合试验回路的组成 高压断路器的合成关合试验装置有两个电源回路构成，1 ) 由高电压、小电流回路 构成电压源，可以是交流或直流源；2 ) 由大电流、相对电压较低回路构成的电流源， 通常由交流电源构成。根据对试品断路器的作用方式可以分为并联形式和串联形式，试 品断路器关合过程中，在额定外施电压的作用下发生预击穿。采用并联形式时额定外施 电压由电压源独立提供，串联形式时由电压源和电流源共同提供。随后电流源提供的额 定关合电流流过试品。并联形式和串联形式的合成关合试验回路如图1 2 所示，图中g c 和g ，分别为电流源和电压源，电压源也可以由虚线x y 右侧的回路构成，q f 。为试品断路 器，s w 为电流源快速关合开关，试验时试晶断路器qf i 首先合闸发生预击穿出现预击穿 电流，随后s w 动作电流源投入，额定短路电流流过试品q f t 。 y x y yy 图1 2 合成关合试验回路的两种形式 a 并联形式的合成关合试验回路b 串联形式的合成关合试验回路 f 谵1 2t w os c h e m 拈o f s y n t h e t i cm a k i n g t e s tc i r c u t a p a m l l e ls c h e m ao f s y n t h e t i cm a k i n gt e s tc i r c u i t ，b s er i e ss c h e m ao fs y n t h e 廿cm a k i n gt e s tc i r c u i t 对于关合试验而言，除规定的关合电流和外施电压以外，必须保证关合过程中所加 全电压合成关台试验快速关合开关的研究 负荷能够对试品性能进行预期的验证。包括燃弧时间以及在燃弧过程中所加的负荷情 况，以保证试品触头运动过程中起始燃弧位置、灭弧装置的烧蚀程度以及初始电动力与 直接试验的等价性；闭锁和完全合闸期间所加负荷应与直接试验等价，这将考核试品在 持续的电动力作用下能否有效地关合及保持在关合位置的能力。 1 2 5 电流快速关合开关的研究意义 进行合成关合试验最关键设备是断口耐压高并且适合关合强电流的电流源快速关 合装置s w “。试验时相互接近的触头在电压源作用下发生预击穿，s w 动作使大电流负 荷迅速施加到试品开关上。为了满足与直接试验的等价性，从电压源到电流源的转换时 间应限制在3 0 0us 以内，这对电流源快速关合装置s w 提出了很高的要求，对控制系统 的控制精度及控制策略也要求十分严格，这些都是实施合成关合试验的关键问题和难点 所在。本文主要研究电流源快速关合装置s w ，具体分析将第二章中加以阐述。 1 3 课题的主要工作 本文在理解全电压关合试验的基础上，为满足全电压关合试验与直接实验的等价 性，对电流源的快速关合开关进行研究。 本文的主要工作如下： 1 ) 、通过调研，明确全电压合成关合试验的意义即其试验回路的构成，为电流关 合开关装置的研制工作做好前期的调研准备，并通过参考文献和仿真提供电流源快速关 合开关的实现理论模型和实验指导。 2 ) 、通过对t v s 触发性能的实验，为电流源快速关合开关提供一个可靠快速且通 流能力强，断口耐压高的火花间隙，它是该快速开关的主控器件。 3 ) 、通过对永磁操动机构改进设计，为快速关合开关提供的辅助保护开关f v c b ， 用以减轻大电流对t v s 火花间隙的烧蚀，提高电流源关合开关的使用寿命。 4 ) 、针对t v s 的触发系统和f v c b 的快速合闸的实现和现场高电压强电流及强磁场 的工作环境，研究两者的光纤控制电路。 大连理工大学硕士学位论文 2 电流快速关合开关 在全电压合成关合试验中，为了满足与直接试验的等价性，从电压源到电流源作用 在试品断路器上的转换时间应限制在3 0 0 us 以内或者更短n 2 1 。本章提出了真空触发开 关( t r i g g e r e dv a c u u ms w i t c h ，t v s ) 和快速真空断路器( f a s tv a c u u mc i r c u i tb r e a k e r ， f v c b ) 并联的结构作为电流源快速投入装置。利用t v s 作为主控器件，实现快速导通工 频电流源，利用基于永磁操动机构的f v c b 提供辅助保护的金属短接触点，来转移t v s 支路的电流。对电流源快速关合开关内两个并联器件间的电流转移过程建立数学模型， 并运用e m t d c p s c a d 进行仿真。 2 1 合成关合回路对电流快速关合开关的要求f 8 t o 一：】 2 1 1 合成关合试验回路 对于合成关和回路，i e c 标准只给描述了试验回路的实现的原则和框图。如图2 1 所示。 图2 1i e c 6 0 4 2 7 中描述的合成关合试验回路形式 f i g2 1s y n t h e u cm a l c i n g t e s tc i r c u i if o r m d e s c r i b e di ni e c6 0 4 2 7 电路的工作原理：试验开始前，电流关舍开关装置s w 将电流回路和电压回路隔离， 试品q f t 上只加有电压回路的电压u 2 ，作为外施电压。试品开始关合，在u 2 的作用下 发生预击穿，起始瞬态关合电流( i t m c ) 回路立即向试品提供一指数衰减电流i 。设置 在电压回路的控制装置由i 。感知到试晶的预击穿，向s w 发出触发命令。关合开关在电 流源在试品预击穿发生后的极短时间内贯通，使电流回路的短路电流i 流过试品，完成 关合试验。 高压断路器开断和关合试验的目的是为了研究和考核断路器的各种开断与关合性 能，检验灭弧室与其他部分的结构设计、制造工艺和材料选择是否合理。上述的合成关 合试验程序旨在验证断路器满足以下两项要求的能力“o 】： 全电压合成关合试验快速关合开关的研究 ( a ) 、断路器能够关合预击穿始于外施电压峰值处而产生的对称电流。该电流应为 额定短路开断电流的对成分量。 ( b ) 、断路器能够关合完整的非对称短路电流。该电流应为额定短路电流。 其中在( a ) 的情况下，预燃弧能量与i t m c 比较大：在( b ) 的情况下，产生了全部的 直支流分量的电流，燃弧时间最短，燃弧能量和i t m c 可予以忽略。 本文采用的合成关合试验回路的系统组成如下图所示： 圈 i u ：电流源电压：0f f ：试品断路器；s a ：并联短接开关；i 1 1 ：起始瞬态关合电流 u z ：外施电压；1 、2 、3 ：光纤；i 。：试品中的电流；c h ：真空触发开关； s w ：快速关合开关：q f u ：保护断路器；i ：电流回路提供的工频电流 图2 2合成关台试验回路的原理图 f 谵2 2s h e m a t i co f s y n t h 己t i ct e s tc i r c u h 2 1 2 电流关合开关装置的若干要求 为实现与直接试验的等效性，要求关合开关s w 将电流源在试品q f 。预击穿后的 3 0 0 以内投上。所以研究一种快速关合开关对于合成关合试验来说至关重要。 根据合成关合试验回路的描述和要求，对电流快速关合开关装置提出相应的要求瓯 l h ： 1 ) 、关合装置的间隙要保证承受降低电压的电流源回路和高压的电压回路的绝缘： 2 ) 、在预击穿初始后的3 0 0 微秒内，它能关合降低电压的短路电流源； 3 ) 、在短路电流流经试品断路器的试验期间，关合装置能承受该短路电流，并且保 证短路电流不失真： 4 ) 、关合间隙必须在相对较低的电压下完成触发。 此外，对于现有的关合开关而言，要求其在大电流多次烧蚀后仍能稳定工作，每次 大连理工大学硕士学位论文 替换或者清洗火花间隙前的使用频率要高。 2 2 电流。陕速关合开关装置的发展和组成 为了满足合成关合试验的要求，各试验站分别对电流源关合装置进行了研究和开 发。 1 9 7 7 年意大利c e s i 试验室完成了高参数的专用关合开关c h p ( 即等离子关合开关， p l a s m am a k i n gs w i t c h ) ，该关合开关是一个工作在压缩空气中有特殊结构的触发间隙， 触发信号来自于感知试品预击穿的发生，由触发生成的金属蒸汽桥形成主间隙的短接。 虽然它可以进行预击穿发生在外施电压的几乎任意相位上的关合试验。但是它不仅结构 复杂，造价高，而且它仅靠消耗触发电极材料得到充有金属蒸汽的等离子体，使用的寿 命有限，保养过于平繁( 见表2 1 ) ，运行费用很高。目前，c e s i 的c h p 4 是在c e p e l 、 k e r i 及c e s i 等几个大型的试验站里应用。 表2 1c h p 4 的参数和工作性能1 1 5 】 t a b i e2 1p a r 帅e t e r 卸dp e 响丌n a f i c ec h a r a c t e r i s t i c so f c h p 4 工作环境温度0 4 0 压缩空气压强 0 0 2 5m p a 触头间耐压3 5 0k v 操作耐受电压 3 5 0k v r m s 对地耐压水平5 0 0 k v 最小触发电压 1 5k v d e a k 触头间冲击耐压9 5 0 k v 平均电弧电压 2 0 0 v c h a m b e r 对地冲击耐压1 2 5 0k v 触发时延 2 0 0u s 短路电流6 3k a r m s 最小触发间隔 3m i n 短路持续时间 6 0m s 单元清洗频率 e v e r ys h o t 短路电流峰值1 5 4k a 单元清洗时间 6 0s 触头检查时间间隔 e v e r y5s h o t sa t 等离子体注入器更换频率 1 0s h o r t s f u l lc u r r e n t 1 9 9 1 年国内西安高压电器研究所完成了对2 2 0 k v 断路器进行对称电流为3 1 5 k a 的 合成关合和合分试验，其中的快合装置采用一个普通的触发球代替上述的等离子关合开 关，利用试品断路器的预击穿直接引燃。为了减轻短路电流对间隙的烧损和消除间隙的 电弧对短路电流的衰减，在间隙两端设置了并联开关，它在短路电流流通后2 0 m s 内闭 合3 。 在1 9 9 2 年的c i g r e 会议上，明确规定不能用暴露于空气中的火花间隙，并建议使 用压缩空气的火花i 甸隙”1 ，压缩空气的火花间隙的导通时延小于1 0 0 微秒，且电弧电压 全电压合成关合试验快速关合开关的研究 约为6 0 0 伏。 较之上述的触发火花间隙，真空触发开关t v s 具有很多优点：在相同通流容量下， 体积比火花间隙缩小近5 0 ；t v s 由于真空电弧电压低，电极烧蚀率极低，主电极寿命 一般不受限制；t v s 触发电压低，不易对周围环境产生电磁干扰。此外，由于真空介质 绝缘水平高、弧后等离子体扩散速度快，t v s 具有在较高频率下重复导通和关断高电压 大电流的能力；导电通道密闭在真空环境中不受外界干扰，工作可靠性高，导通速度快， 可达数十纳秒级。“”， 由于t v s 没有电极的接触，其导通是靠真空电弧完成的。而真空电弧是靠阴极斑点 维持的，阴极斑点可以理解为在一定电场条件下形成的等离子体喷流发射点。每个斑点 通流能力有限，对铜阴极来说每个斑点最大电流约为1 0 0 a ，当电流超过此值时就会发生 斑点分裂产生新的斑点。由于斑点的寿命很短一般在纳秒数量级，所以旧斑点的熄灭、 新斑点的产生伴随着整个间隙导通过程。阴极斑点的喷流发射对t v s 的电极是一种消耗 和烧蚀，当通载的电流很大时这种情况就更为明显。而短路电流不仅流经试品开关q f t ， 而且同时流经了s w 的火花间隙，为保护火花间隙，必须将尽快地短路电流从火花间隙 转移到一个并联的机械金属触头接触的辅助开关“。 本文提出的电流源快速关合装置以t v s 和f v c b 并联构成基本模块单元。为了减少 大电流对t v s 的烧蚀，由t v s 快速精确地接通电路，并联短接开关f v c b 随后i 羽合，大 电流由t v s 支路转移到f v c b 支路。如图2 3 所示。本设计中采用的t v s 和f v c b 均为 1 0 k v 的电压等级，由真空触发开关和快速真空断路器组成基本模块单元，根据合成试验 额定电压的要求可将该模块单元进行串联使用，从而增加整个电流源快速关合装置的耐 压水平。 t v s f v ( = b f v c b 瞄2 3 电流源快台开关结构图 f i g2 3s t r u c t u r eo f f 缸tm a k i n gs w l t c hf o rc u r r e n ts o u r c e 2 3 电流关合开关的电流转移过程分析 前面章节已经讨论，电流源快速关合装置由t v s 和f v c b 构成的基本单元模块串联 大连理工大学硕士学位论文 组成，本节以一个基本单元模块为研究对象，对从t v s 触发导通到f v c b 完全闭合整个 电流转移过程进行分析。 对于t v s 和f v c b 并联构成电流源关合开关基本模块单元，由于并联线路的寄生电 阻和电感及杂散电容的影响，存在着电流转移的过程，而电流转移的过程直接影响着t v s 的使用寿命，所以有必要对电流关合开关装置中t v s 和f v c b 的电流转移过程进行分析。 由于系统的容量很大，内阻很小，因此在短路电流经关合开关及预击穿了的试品间 隙到地的回路中，可以忽略电源的阻抗“”。t v s 和f v c b 的并联回路中存在感应电感和 线路电阻，等效电路图如图2 4 所示。 广一一一一一一一一一一一一1 。= 图2 4 快速关舍开关的电流转移的等效电路 f 噜2 4e q u i v a l e n tc i r c u i tf o rc u r r e n ts h i no f f a s tm a k i r 唱s w i t c h 2 3 1 电流转移的过程 电流源快速关合装置的工作过程如图2 5 所示，根据图2 5 可以把该装置的工作过 程分为以下几个阶段： 初始阶段：快速关合开关没有触发阶段，t v s 和f v c b 均处于断开状态，如图2 5 ( a ) 所示； 阶段1 ( 时间从t o 到t ，) ：t v s 和f v c b 同时接收到触发( 合闸) 指令，t v s 主间隙 导通产生真空电弧，f v c b 触头开始运动但两电极间尚未出现电弧，如图2 5 ( b ) 所示； 阶段2 ( 时间从t 到t ：) ：t v s 主电极间电弧继续燃烧，由于f v c b 两触头间距很小， 两电极间出现真空电弧，如图2 5 ( c ) 所示； 阶段3 ( 时间从t 。到t 3 ) ：t v s 主电极间电弧继续燃烧，由于f v c b 两触头接触，两 电极间的真空电弧媳灭，如图2 5 ( d ) 所示； 全电压合成关合试验快速关合开关的研究 阶段4 ( t a 时刻以后) ：由于f v c b 两触头完全闭合，t v s 主电极间电弧过零熄灭 由f v c b 单独承载关合电流，如图2 5 ( e ) 所示； t v st v st v s t v st v s 西画岳商酋 f v c b ( a ) f v c b ( b ) f v c b ( c ) f v c b ( d ) 图2 5 电流源快速关合开关的工作过程示意图 f j g2 5d i a f 眦m a t i cs k e t c ho f p r o c e s so f s y n m e t i cm a “n gs 、v i t c h f v c b ( e ) 2 3 2 电流转移过程的数学分析 根据上述的5 个过程，除去初始阶段外，分别对其余四个阶段建立模型方程，令a r c l 和a r c 2 的电压分别为u 。- 和u m 。令i 。= i 。s i n ( 烈+ 吼) 。 1 ) 、t 。到t ， 由动态电路的三要素法可得到： i l = i ，= i 。s i n ( 甜+ ) ( 2 1 ) 2 ) 、t ：到t 。 联立方程组： 髓娑i + 茹簪托时u 一 汜z ， 方程的解为： 其中 l t = l l + l z ：r t = rj + r z 革 螂 一 砌 懈 大连理工大学硕士学位论文 初始条件：i 。= i 1 = i 。s i n ( 烈+ ) = i 。s i n 吼；i 2 = 0 ； 将初始条件代入，得到： c = 【( i 。一。1 ) s i n ( 烈。+ ) 一。2 c 。s ( 烈，+ ) 一毕】e 鲁“； 假设t v s 支路和f v c b 支路的线路的寄生电阻和电感相等( 由于同电压级别的t v s 和f v c b 的结构上类似，所以它们的线路上的等效电阻和电感相近) 。令：l 。= l 产l ，r i _ 凡 = r ： 则： 期c = 如； 毕】e 詈“； 瓠( t ) = 毕+ c i e 捌可私 i 。( t ) = 圭i s ( t ) + i 。( t ) ；i ：( t ) = 吉i ；( t ) 一i ，( t ) 。不平衡分量i 。( t ) 为转移电流分量。随着时间变 化，i r ( t ) 变小，则t v s 中的电流比单独导通时，而f v c b 中的电流相应得增大，即电流 从t v s 支路向f v c b 转移，变化的最大值为去i 。s i n 仍，变化的时间常数为f = l 瓜。 3 ) 、t 。到t 。 同2 过程的解法，得到解为： 攀 羞强 堕h 0 ； p 坠k 一 一h监k 斗 + 坠 卜 m 懈 叫 刮 2 “ d 卜 m 慨 卜 缸 畎 + 5； 峨 吣 m m = = h k 全电压合成关合试验快速关台开关的研究 其中p ：c + 粤。凯 a t 当t v s 支路和f v c b 支路的线路的寄生电阻和电感相等时。则： 弧t ) = 扣卜等+ p e ( t ) = 扣t ) + 等斗e 2 ： ( 2 7 ) 舭，m p 嘈t 訾。 4 ) 、t 。时刻以后 i 2 (