基于高耦合分裂电抗器的限流型多腔室灭弧防雷装置研究

作     者：陈玥 

作者单位：天津工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：高圣伟;王云龙

授予年度：2023年

学科分类：080801[工学-电机与电器] 0808[工学-电气工程] 080803[工学-高电压与绝缘技术] 08[工学] 

主      题：输电线路 防雷 保护间隙 电弧 灭弧 

摘      要：自然界中频繁发生的雷击现象是高压输电线路面临的最大危害,由雷击造成跳闸导致的输电线路停电事故经济损失日趋严重。抑制雷击跳闸率的关键是抑制建弧率,即抑制雷击冲击闪络演化成为稳态工频短路电弧。因此,深入研究抑制雷击建弧率的灭弧理论,开发大开断能力,具备有效灭弧功能的装置对提高输电线路安全,解决现有输电线路防雷技术困难具有十分重要的意义。 本文首先对比分析了国内外普遍采用的“疏导型和“阻塞型两种输电线路防雷保护方法,针对目前防雷设备存在的弊端,本文基于“疏导型的保护原理,通过对电弧模型、电弧等离子体的物理特性、电弧的能量过程以及重燃和熄灭原理进行了深入分析,研究设计了一种基于高耦合分裂电抗器的限流型多腔室灭弧防雷装置。 本文对基于高耦合分裂电抗器的限流型多腔室灭弧防雷装置进行多物理场的耦合计算,采取间接耦合与直接耦合相结合的原则,综合分析基于高耦合分裂电抗器的限流型多腔室灭弧防雷装置在电、热、力综合作用下的应力分布特性。将基于高耦合分裂电抗器的限流型多腔室灭弧防雷装置几何模型导入多物理场耦合计算模型中进行网格划分;设定电场、磁场参数,计算电抗器在操作冲击电压下的电场分布,得出磁场分布及其损耗计算结果,将其作为热源作为温度场参数导入。进行温度场-流场流固耦合计算,将计算得到的温度场、磁场结果导入到应力场,以此计算电抗器热应力,通过安培定律计算电抗器电动力。由此,实现基于高耦合分裂电抗器的限流型多腔室灭弧防雷装置绝缘在电、热、力综合作用下的应力特性分布的计算。进而研究基于高耦合分裂电抗器的限流型多腔室灭弧防雷装置的环氧树脂绝缘在电场、温度场以及力场三者综合作用下的绝缘性能和机械性能的劣化过程。 通过ANSYS软件对本文提出的基于高耦合分裂电抗器的限流型多腔室灭弧防雷装置进行电弧等离子体高耦合分裂电抗深度限流仿真、多腔室中自膨胀效应高效传热仿真、灭弧通道内对流传热效应下快速熄灭的仿真,将仿真得到的电弧温度、流速、电流密度等实验数据进行综合分析,证明了装置在5ms内能够有效的熄灭电弧,验证本文提出系统的理论正确性。 通过高压试验,获取电弧等离子体从工频续流形成到稳态电弧持续燃烧以及最终熄灭的全过程,利用示波器记录装置动作以及电弧熄灭的具体时间,对照ANSYS仿真实验数据,分析装置熄灭电弧的过程原理,验证了本文提出的基于高耦合分裂电抗器的限流型多腔室灭弧防雷装置的实验可行性。