基于光控模块的多断口真空开关研究

由于真空间隙的击穿电压和间隙长度之间存在饱和效应,提高真空开关的工作电压不能通过简单增加真空间隙的长度来获得。为了将真空开关推向高电压等级应用,在解决了同步问题后,采用多断口是一个合理的选择。多断口真空开关技术的实质是采用多个短真空间隙串联起来,充分利用真空短间隙的优良特性,使真空开关获得更高的工作电压。对多断口真空开关绝缘特性进行研究,是发展此类高电压等级真空开关的基础和前提条件,是目前多断口真空开关技术基础研究中的一个重要而紧迫的课题。传统多断口开关是由处于地电位的操动机构分别操动各断口,各断口的同期性及其绝缘布置成为影响其发展的“瓶颈”问题。本文提出了一种基于光控模块式真空开关单元串联的多断口真空开关系统这一全新概念:首先构造光控模块式真空开关单元,再用这些光控模块进行简单串联,构成高电压等级的多断口真空开关。基于这种新的机构形式,本文以多断口真空开关的绝缘特性为主要研究对象,以工程应用为出发点和目的,通过理论建模、有限元分析和实验研究,对多断口真空开关的击穿统计特性,静态绝缘特性,电场分布特性等相关问题进行深入的理论与实验研究。 首先,本文综述了高压真空间隙的基本绝缘特性,真空开关向高电压等级发展、多断口真空开关技术的发展与研究现状、技术难点和问题,引出本文的研究意义。理论分析从串联真空间隙的介质恢复的微观过程出发,研究了多断口真空开关的弧后动态介质恢复过程,多断口真空开关的静态击穿统计特性和弧后重击穿统计特性,借助统计方法,将微观的内在过程与宏观的外在表现联系起来,以求更准确和更深入地理解和掌握多断口真空开关动态绝缘的基本概念。提出了多断口真空开关的击穿电压增益现象,并对其进行了理论推导,证明了多断口解决方案的优越性。 作为本文的重点,给出了光控模块式真空开关单元的设计思想,包括光控模块的总体结构、电子操动系统、电源系统等;分析给出了光控模块式真空开关单元的电磁兼容和可靠性设计。在此基础上,进一步描述了基于光控模块式真空开关单元的高电压等级多断口真空开关系统构成。采用ANSYS有限元分析软件,对基于光控模块的多断口真空开关进行电场优化设计,建立了计算模型,并分别以双断口和三断口真空开关为例进行了电场优化设计,给出了电场优化设计的结果。为了模拟双断口真空开关及三断口真空开关的电压分布关系,提出了相应的电容等值模型,可指导多断口真空开关的整体电场优化设计。 最后,本研究依赖实验描述了三个真空灭弧室串联后组成的三断口模型的击穿电压增益特性、静态击穿统计特性及各断口的电压分布特性,验证了第二章及第四章通过理论分析得出的结论;实验结果表明,理论分析和实验结果能够较好的吻合。 大连理工大学博士学位论文 基于光控模块的多断口真空开关研究 实验进一步证明:多断口真空开关各断口的电压分布规律实质上决定了多断口真空 开关的击穿电压增益倍数。因此,应该通过设计最大限度地提高多断口真空开关各 断口的电压分布均匀性,从而提高其击穿电压增益倍数,最大限度地发挥多断口真 空开关的优势。本研究还设计和制作了40.5kV电压等级的光控模块式真空开关单元 样机,进行了样机的动作精度实验。实验表明,其分合闸的动作时间分散性小于lms, 充分说明所设计的光控模块式真空开关单元样机的动作精度可达到微秒级,满足多 断口真空开关动态介质恢复的需要。 关键词:多断口真空开关;光控模块式真空开关单元;介质恢复;击穿电压增 益;击穿统计特性;电场应力;击穿弱点;ANSYS软件;电场优化与计算