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耦合磁场直流空气断路器栅片特性对灭弧性能的影响研究

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电工技术学报 2022年第21期37卷 5587-5597页

作者：彭世东李静曹云东刘树鑫于龙滨特种电机与高压电器重点实验室(沈阳工业大学电气工程学院) 沈阳110870 国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院沈阳110006

栅片材料与结构对断路器的灭弧性能有着重要的影响。该文建立了永磁体作用下灭弧室内磁场的计算模型与电弧磁流体动力学(MHD)模型,实现了两者的耦合。在此基础上,对永磁体作用下栅片材料与栅片结构对电弧动态特性的影响进行了仿真,同时... 详细信息

栅片材料与结构对断路器的灭弧性能有着重要的影响。该文建立了永磁体作用下灭弧室内磁场的计算模型与电弧磁流体动力学(MHD)模型,实现了两者的耦合。在此基础上,对永磁体作用下栅片材料与栅片结构对电弧动态特性的影响进行了仿真,同时考虑电源极性的影响,得出了永磁体作用下灭弧室内磁场的空间分布、电磁耦合作用下灭弧室内温度分布与气流分布,提取了灭弧室内平均温度与电弧燃弧时间等关键参数,讨论了栅片材料与栅片结构对电弧特性的影响。结果表明,外施磁场作用下铁栅片会造成灭弧室内磁短路现象。相同仿真条件下,含铁栅片的灭弧室燃弧时间最长;动触头作为阳极更有利于弧根跃迁,燃弧时间缩短;当分断电流相同时,铜-绝缘栅片对电弧的冷却效果最佳;栅片倾角可以改变气流场分布,从而影响燃弧时间。

关键词：直流空气断路器空间磁场分布栅片材料栅片倾角电源极性

磁吹直流空气断路器弧根跃迁及对开断特性的影响研究

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中国电机工程学报 2023年第4期43卷 1651-1660页

作者：李静钱宇王奥飞曹云东刘树鑫于龙滨特种电机与高压电器重点实验室(沈阳工业大学电气工程学院) 辽宁省沈阳市110023 辽宁省电力有限公司电力科学研究院辽宁省沈阳市110006

直流空气断路器的弧根跃迁与其开断特性有着密切的关系。该文搭建实验平台,采用高速摄像机拍摄电弧演变过程,得到清晰的弧根跃迁图像,观测弧根跃迁过程中的“双弧根”现象。基于磁流体动力学理论,建立二维磁吹直流空气电弧模型。模型中... 详细信息

直流空气断路器的弧根跃迁与其开断特性有着密切的关系。该文搭建实验平台,采用高速摄像机拍摄电弧演变过程,得到清晰的弧根跃迁图像,观测弧根跃迁过程中的“双弧根”现象。基于磁流体动力学理论,建立二维磁吹直流空气电弧模型。模型中赋入鞘层条件,通过耦合外电路模块模拟实验工况,对开断过程中电弧温度场、气流场及弧根跃迁现象进行分析。在此基础上,完成磁场、烧蚀金属蒸气浓度变化对弧根跃迁及开断特性影响的仿真研究。结果表明:磁场强弱会改变弧柱高温区的运动轨迹,影响前后侧的气流场分布,改变局部区域电导率,产生弧根的停滞与跃迁现象,显著影响断路器的开断性能。外施50m T磁场会发生弧根跃迁现象,弧根跃迁可以减少烧蚀,加速开断,其本质成因是通过“双弧根”完成的。“双弧根”现象是由于引弧板表面电导率增大,在其表面形成新的导电斑点形成的。烧蚀产生的金属蒸气不总是阻碍熄弧,当灭弧室中铜蒸气浓度达到50%~60%时,出现弧根跃迁,减少燃弧时间,有利于开断。

关键词：直流空气断路器磁流体动力学弧根跃迁开断特性双弧根

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直流空气断路器电场分布对重击穿影响分析

船电技术 2019年第3期39卷 18-20,25页

作者：徐庭伟马子文黄中董宏宪任志刚武汉船用电力推进装置研究所武汉430064

为了解决直流空气断路器的重击穿问题,本文简要分析了重击穿的基本过程和机理,阐述了电场分布因素对重击穿过程的重要影响,并提出了一种通过静电场计算来分析和预测断路器重击穿及其发生位置的方法,为抑制断路器的重击穿,提高空气直流... 详细信息

为了解决直流空气断路器的重击穿问题,本文简要分析了重击穿的基本过程和机理,阐述了电场分布因素对重击穿过程的重要影响,并提出了一种通过静电场计算来分析和预测断路器重击穿及其发生位置的方法,为抑制断路器的重击穿,提高空气直流断路器的性能和可靠性提供了帮助。

关键词：直流空气断路器重击穿静电场仿真

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直流空气断路器智能化测控单元的研究

船电技术 2004年第3期24卷 39-41页

作者：贺开华中国人民解放军驻湘潭电机厂军事代表室湖南411101

本文介绍了一种新研制的直流空气断路器智能化测控单元。该单元以80C196KB单片机作为核心处理器,集保护、控制、测量、通讯、显示等功能于一体。本单元采用了整机一体化的硬件设计和实时多任务调度的软件设计方法,使单元具有准确度高、... 详细信息

本文介绍了一种新研制的直流空气断路器智能化测控单元。该单元以80C196KB单片机作为核心处理器,集保护、控制、测量、通讯、显示等功能于一体。本单元采用了整机一体化的硬件设计和实时多任务调度的软件设计方法,使单元具有准确度高、实时性好等优点。实验证明其可靠性高。

关键词：船舶供电系统直流空气断路器智能化单片机软件设计

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直流空气断路器缩小弧区的研究

船电技术 2004年第2期24卷 28-29页

作者：宁佐清罗锦华中国船舶重工集团公司712研究所武汉430064

本文论述了直流空气断路器缩小弧区研究的意义,根据电弧及弧焰的特点,阐述两种缩小弧区的方法,并简单介绍了一些研究试验的情况。

关键词：船舶工程船舶配电系统直流空气断路器电弧弧焰短路分断能力缩小弧区

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直流空气断路器小电流开断试验研究

电器与能效管理技术 2015年第8期 8-11页

作者：满家健孙昊宁嘉琦纽春萍西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室陕西西安710049

针对轨道交通用直流空气断路器及其磁吹系统,利用2kV/30 k A直流断流冲击试验回路,对小电流开断过程进行了试验研究。研究结果表明,磁吹系统能够辅助断路器成功完成小电流开断,并且存在开断时间最长的临界电流。此外在电流反向时,铁磁... 详细信息

针对轨道交通用直流空气断路器及其磁吹系统,利用2kV/30 k A直流断流冲击试验回路,对小电流开断过程进行了试验研究。研究结果表明,磁吹系统能够辅助断路器成功完成小电流开断,并且存在开断时间最长的临界电流。此外在电流反向时,铁磁材料的剩磁使开断时间变长。试验研究对小电流开断难题的解决和磁吹系统的研制有着重要的指导意义。

关键词：直流空气断路器磁吹系统小电流开断实验研究

负载类型对直流空气断路器电弧特性的影响研究

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负载类型对直流空气断路器电弧特性的影响研究

作者：闫敏沈阳工业大学

学位级别：硕士

近年来,伴随着分布储能、轨道交通、高压直流输电等系统的大规模建设与规划,直流输配电系统迎来了一个快速发展的黄金时期。直流空气断路器是低压配电领域常用的开关设备,大功率直流电源的快速发展,对其开断性能提出了更高要求,设计大... 详细信息

近年来,伴随着分布储能、轨道交通、高压直流输电等系统的大规模建设与规划,直流输配电系统迎来了一个快速发展的黄金时期。直流空气断路器是低压配电领域常用的开关设备,大功率直流电源的快速发展,对其开断性能提出了更高要求,设计大功率、小体积、分断性能更好的直流空气断路器已刻不容缓。相对于交流电弧,直流电弧不存在自然过零点,必须采取有效的手段短时提高电弧电压,这使得直流电弧熄灭比交流电弧熄灭要困难得多,因此,研究和掌握不同负载类型下直流空气电弧的动态特性,寻求有效的措施提高弧压,以此来指导和改进直流空气断路器产品的研发设计,具有一定的现实意义。本文基于磁流体动力学理论（MHD）,建立了直流空气电弧等离子体的数学模型,采用移动网格技术实现了灭弧室内动触头的匀速圆周运动,对电弧等离子体鞘层条件进行了假设,并在电极两端耦合开断回路,将外电路模块与直流放电模块耦合在一起,对直流空气断路器在分断不同负载（阻感性、阻容性）类型情况下电弧的整个演变过程进行了仿真,通过对比灭弧室内各物理量参数,分析不同负载条件下电弧的运动规律,探究负载改变对电弧演变过程产生影响的背后机理。为验证仿真结果的正确性,搭建了实验平台,并设计了实验样机,采用高速相机拍摄了阻感性和阻容性负载条件下直流空气断路器分断过程中的电弧图像,记录了分断电弧的动态行为特性,将实验观测结果与相应条件下的仿真结果进行了对比,二者具有一致性。本文的工作对于不同负载下直流空气电弧灭弧理论研究及直流空气断路器结构的改进具有一定的指导意义。

关键词：直流空气断路器动态电弧磁流体动力学(MHD) 负载类型电弧演变

不同驱弧方式下直流空气断路器全动态电弧特性研究

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不同驱弧方式下直流空气断路器全动态电弧特性研究

作者：王奥飞沈阳工业大学

学位级别：硕士

二十一世纪以来,直流输配电技术得到了空前的发展和长足应用,大功率直流电源的快速发展,也对相应的电器设备提出了更高要求。直流空气断路器,作为低压开关电器的主导产品,主要用于故障隔离、开断正常条件或非正常条件下的电流,并为负载... 详细信息

二十一世纪以来,直流输配电技术得到了空前的发展和长足应用,大功率直流电源的快速发展,也对相应的电器设备提出了更高要求。直流空气断路器,作为低压开关电器的主导产品,主要用于故障隔离、开断正常条件或非正常条件下的电流,并为负载提供保护。低压配电系统广泛采用塑壳断路器为负载设备提供过载及短路保护,负责电路的正常接通及故障开断。随着电压水平的不断提高,现有的空气直流断路器受到了开断容量等关键参数的限制,电弧快速、可靠熄灭变得极其困难,已经不能满足当前我国直流配电系统及工程应用对断路器大容量、小型化、长寿命的需求。因此,研究和掌握影响电弧调控的因素并找到行之有效的电弧驱动方式,以此来指导和改进直流空气断路器产品的研发设计,具有较好的现实意义。本文制作了直流空气断路器样机并搭建开断实验平台,在内置产气材料与外施磁场两种驱弧条件下完成特定回路的开断实验,采集并分析了电弧的相关数据和动态电弧图像。根据样机模型,基于磁流体动力学(MHD)理论和相关假设,运用COMSOL Multiphysics软件建立了二维直流空气断路器电弧仿真模型。采用移动网格技术将灭弧室模型内动触头的运动简化模拟为匀速圆周运动,分别完成了不同大小磁场作用下的模型开断电弧仿真,得到电弧变化的全动态过程。通过对比分析灭弧室内各物理场、洛伦兹力、电导率分布对弧压、弧流等电弧参数影响,揭示了电弧动态演变、“双弧根”和弧根跃迁等现象产生的根本原因,并与同等条件的实验结果进行了比对,论证了仿真模型的正确性。通过更改模型参数和入口边界条件,仿真研究了不同压强大小的气流流入对空气断路器灭弧室内电弧的影响,并于不同外施磁场时的电弧动态特性进行了对比;同时增大模型开断的回路电压,探究了模型在磁场驱动下开断较大电压回路时电弧演变过程。证明了本仿真模型具有良好的可拓展性,能够实现以仿真手段正确地指导断路器灭弧室的设计和实验的开展。仿真与实验结果表明:本文模型较好地揭示了直流空气断路器灭弧室内电弧发展的全动态过程,及电弧动态变化的各影响因素,从气流和磁场两方面探究了电弧驱动的有效手段,对于设计并改进断路器内灭弧室结构有一定的指导意义。

关键词：直流空气断路器动态电弧磁流体动力学(MHD) 电弧特性电弧驱动

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大容量直流空气断路器电弧动态特性的研究

大容量直流空气断路器电弧动态特性的研究

作者：钱宇沈阳工业大学

学位级别：硕士

近年来,我国新能源系统与分布式电网得到了空前的大力发展,直流输配电技术凭借其经济性好、损耗少、噪声低等优点广泛应用于现代电力系统的各个环节。直流空气断路器是系统中不可替代的保护装置,常承载着关合与分断短路电流的作用,其灭... 详细信息

近年来,我国新能源系统与分布式电网得到了空前的大力发展,直流输配电技术凭借其经济性好、损耗少、噪声低等优点广泛应用于现代电力系统的各个环节。直流空气断路器是系统中不可替代的保护装置,常承载着关合与分断短路电流的作用,其灭弧室的结构与磁场分布特性决定了断路器熄弧的能力。以光伏输电、舰船推进、地铁轨道等领域为代表的电力工业对直流空气断路器的开断容量提出了更高的要求,研发高质量性能优异的大容量空气断路器也成为了直流开断领域目前亟待解决的问题。大容量直流空气断路器是从传统的塑壳式直流空气断路器演化而来,其灭弧室内部空间体积更大,电弧特性更加复杂,若想进行产品的研发,则必须先对大容量直流空气断路器灭弧室中的电弧动态转移机理展开细致的研究。本文基于磁流体动力学(MHD)理论,建立了大容量直流空气电弧等离子体的数学模型,参考国内外常见大容量空气断路器灭弧室内部结构,完成若干个灭弧室内电弧等离子体的动态仿真,展示了电弧从跑弧道中运动发展、拉伸延展、被栅片切割、最后熄灭的电弧演变全过程。通过对比分析多个仿真之间的电弧演变形态以及电弧外特性的差异,总结了不同因素影响下,大容量直流空气灭弧室中电弧的转移机理,详细分析了栅片结构、金属蒸气、磁场分布等因素对电弧动态特性的影响。通过对气流场与温度场的分析,阐明了大尺度空间内电弧的演变行为,并提出了相应的灭弧室结构优化改进的建议。仿真结果表明:本文很好地展示了大容量直流空气断路器灭弧室中电弧的形态变化过程,及不同类型灭弧室的熄弧性能。本文的工作对于大容量直流空气断路器灭弧室的结构设计、优化以及样机的研发提供了一定理论指导作用。

关键词：大容量直流空气断路器磁流体动力学(MHD) 栅片结构金属蒸气