基于连续过渡模型的直流真空断路器弧后介质恢复分析

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)沈阳工业大学电气工程学院 作者:刘晓明

  搭建多端直流输电用直流真空断路器模块,基于连续过渡模型,结合重击穿判据,利用变步长四阶龙格库塔法,对直流真空断路器弧后介质恢复进行仿真分析。仿真结果表明:弧后电流初始变化率高,而后缓慢变化,直至趋近于零; 在鞘层发展阶段中,鞘层厚度呈指数趋势变化。采用对照分析方法,研究燃弧能量、触头电侵蚀率及触头间纵向磁场强度对直流真空断路器弧后介质恢复的影响。结果表明:燃弧能量大,触头电侵蚀率高使得弧后初始离子密度大,离子衰减时间长,鞘层发展缓慢; 弧前触头间纵向磁场强度大,弧后初始离子密度小,有利于鞘层发展; 剩余纵向磁场强度大,离子衰减时间长,抑制鞘层发展。

  鉴于风能、太阳能等新能源间歇、随机的发电特点,其并网难度大,电力系统消纳能力有限,因而大部分可再生能源发电未得到充分、有效利用。基于常规直流输电和柔性直流输电的多端直流输电系统与直流电网技术是解决这一问题的有效技术手段之一。而直流断路器技术是构建多端直流输电网络关键技术之一,因此,研究直流断路器具有重要意义。同时,真空断路器因具有无火灾和爆炸危险、环境友好、触头损耗小、免维护等优点而应用广泛,因此,其应用于直流领域有着良好的发展前景。

  直流断路器主回路电流过零时,真空灭弧室触头间隙中仍残存离子、电子及金属蒸气粒子。若残余物消散足够快,触头间隙能够承受恢复电压,真空灭弧室成功开断;否则,触头间发生重击穿。因此,研究直流真空断路器弧后介质强度恢复对解决实际问题具有重要意义。

  目前国内对于直流真空断路器的研究多集中于断路器拓扑结构的设计与换流回路参数优化,对其弧后介质恢复研究较少。本文以有源式直流真空断路器为研究对象,运用变步长四阶龙格库塔法,基于连续过渡模型,结合重击穿判据,对其弧后介质恢复进行仿真分析。同时,研究燃弧能量、触头电侵蚀率及触头间纵向磁场强度对直流真空断路器弧后介质恢复的影响。

  1、有源式直流真空断路器及其仿真线路

  选取12 kV/10 kA 有源式直流真空断路器为研究对象,其包含主开断回路、换流回路以及吸能回路三部分,结构原理图如图1 所示。

有源式直流断路器结构原理图

图1 有源式直流断路器结构原理图

  图1 中,ZnO,VCB,TVS,R,C 和L 分别为避雷器,真空断路器,真空触发开关,换流回路电,预充电电容和换流电感。

  有源式直流真空断路器工作原理:①真空断路器接收分闸指令后执行分闸,真空灭弧室内产生电弧;②触头运动到一定行程下,TVS 导通,C 放电,产生一反冲高频振荡电流; ③反冲电流与系统电流叠加,使VCB 电流产生过零点,电弧熄灭;④主回路电流向换流回路转移,为电容C 充电;⑤当充电电压超过避雷器动作电压,避雷器导通,电流向吸能回路转移;⑥避雷器消耗能量,实现开断。12 kV/10 kA 有源式直流真空断路器仿真线路图如图2 所示。忽略电感L0,则主断路器中电流过零后断口电压不超过系统电压,ZnO 不导通,以简化仿真线路。

仿真线路图

图2 仿真线路图

  5、结论

  本文基于连续过渡模型及弧后介质恢复理论分析,对直流真空断路器弧后介质恢复进行数值仿真。仿真结果给出弧后电流以及鞘层厚度随时间变化趋势。其中,弧后电流在反向增大阶段上升快,在随后的鞘层发展阶段,缓慢下降,直至趋近于零。采用对照分析方法,研究真空电弧弧后介质恢复影响因素: 燃弧能量、触头电侵蚀率以及触头间纵向磁场强度。上述三种因素主要影响初始离子密度Ni0与反应离子扩散衰减时间参数τ。其中,燃弧能量大,触头电侵蚀率高,使得弧后初始离子密度大,离子衰减时间长,鞘层发展缓慢,不利于弧后触头间隙短时间内承受较高电压。而对于纵向磁场,其强度大,初始离子密度减小,但如剩余磁场强,离子衰减时间长,不利于直流开断。

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