高压真空灭弧室结构与工艺的设计与实验研究

论文摘要

本文首先简要回顾了国内外真空灭弧室的发展历史与现状，综述了真空灭弧室的基本设计理论和工艺方法，以高电压等级真空灭弧室为对象，根据目前的发展水平与研究现状、存在的几个主要问题，引出本文的研究内容与目标。 高电压等级真空灭弧室的设计关键是其结构电场的优化。本文以动态绝缘为设计目标，提出高电压真空灭弧室的全程优化设计方法。根据击穿弱点理论，确定把主电场引入均压屏蔽罩的多间隙高电压真空灭弧室结构，然后应用有限元法和最优化理论，对真空灭弧室的电场进行数学建模和优化，即通过求解灭弧室内部的静电场定解问题，优化其内部元件的几何参数，使灭弧室内部电场均匀化，并使静态电场强度的峰值出现在“第二辅助间隙”中。 电真空陶瓷的封接强度是高电压等级真空灭弧室的结构与制造工艺中的关键问题之一。本文首先分析了影响封接强度的主要原因，应用液体焊料的能量约束方程，确定立封结构的焊料凝固轮廓线，得到立封焊缝的有限元模型；对比传统的平封焊缝结构下的应力，并通过标准抗拉件试验证明，立封结构比平封结构的封接应力小，总拉断载荷和单位面积上的抗拉强度都比平封的高。大直径的高压陶瓷真空灭弧室应选择立封结构形式。 针对高电压等级真空灭弧室尺度大、结构可靠性受到威胁的问题，本文对封接过程的工艺参数进行了理论分析、优化与实验研究。通过Surface Evolver软件得到焊缝的有限元模型，进而用ANSYS软件计算不同钎焊降温工艺条件下的封接应力。通过应力分析，得到了一种新的降温工艺，在不增加封接应力、不降低封接强度的前提下，降温时间比传统降温工艺缩短了3小时。标准抗拉件试验验证了这种工艺的效果。在工艺方面，作者还解决了实际生产中出现的中间屏蔽罩固定环断裂问题。 高电压等级真空灭弧室工作过程中的动态绝缘水平是我国目前高电压等级真空灭弧室产品开发的“瓶颈”问题，目前主要靠出厂前的各种老炼工艺来稳定绝缘水平。本文根据中压真空灭弧室的老炼机理，建立了“击穿弱点”分布模型，提出老炼是针对击穿弱点的电子逸出与离子轰击的复合过程，提出了高电压等级下保证动态绝缘水平的老炼方法和老炼参数，用以指导高电压真空灭弧室绝缘的稳定化处理。在工艺方面，作者还分析老炼后出现的瓷壳黄斑现象，并给出了解决的方法。 合成回路试验是检测开关开断性能重要的手段之一。本研究对用于高压真空灭弧室试验的合成回路进行了改进性设计，包括硬件电路的参数计算、合成回路的PLC控制

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 真空灭弧室的发展历史与现状
• 1.2.1 真空灭弧室的发展历史
• 1.2.2 真空灭弧室发展的现状及关键技术
• 1.2.3 真空灭弧室的发展趋势
• 1.3 高压真空灭弧室的基本设计理论与方法
• 1.3.1 真空灭弧室电场优化理论研究进展综述
• 1.3.2 高压真空灭弧室触头系统的设计与计算
• 1.3.3 真空灭弧室的其他部件
• 1.4 真空灭弧室的生产工艺和试验
• 1.4.1 瓷壳、金属化及其工艺
• 1.4.2 真空灭弧室的老炼工艺
• 1.4.3 真空灭弧室的合成回路试验
• 1.5 真空灭弧室向高电压等级发展亟需解决的主要问题
• 1.6 本文主要研究内容和章节安排
• 2 高压真空灭弧室电场的全程优化设计
• 2.1 引言
• 2.2 均压屏蔽罩的设置
• 2.3 屏蔽罩边缘的形状与等位线
• 2.3.1 平板电极边缘的最高电场
• 2.3.2 平板电极边缘的形状
• 2.4 均压屏蔽罩的圆角半径和材料
• 2.5 均压屏蔽罩圆角的指向
• 2.6 高压真空灭弧室的电场优化
• 2.6.1 电场优化理论
• 2.6.2 电场优化模型
• 2.7 电场优化结果
• 2.8 本章小结
• 3 高压真空灭弧室的封接结构与封接工艺研究
• 3.1 引言
• 3.2 封接结构的理论分析与计算
• 3.2.1 平封结构的应力分析与计算
• 3.2.2 筒夹封结构的应力分析与计算
• 3.2.3 立封结构的应力分析与计算
• 3.3 封接结构的ANSYS分析
• 3.3.1 润湿现象与接触角
• 3.3.2 立封结构分析
• 3.3.3 平封结构分析
• 3.4 高压真空灭弧室封接结构的确定
• 3.4.1 封接质量测试
• 3.4.2 高压真空灭弧室封接结构的确定
• 3.5 高压真空灭弧室的封接工艺
• 3.5.1 不同降温工艺条件下的应力分析
• 3.5.2 标准抗拉件和抗拉强度试验管试验
• 3.5.3 封接工艺小结
• 3.6 屏蔽罩固定环断裂的原因和解决措施
• 3.6.1 中间屏蔽罩固定环断裂现象
• 3.6.2 金相分析
• 3.6.3 解决措施
• 3.7 本章小结
• 4 高压真空灭弧室的老炼
• 4.1 老炼的机理
• 4.1.1 击穿弱点分布模型
• 4.1.2 老炼作用机理分析
• 4.1.3 高压老炼的微观分析
• 4.2 高压真空灭弧室老炼的实验研究
• 4.2.1 大电流老炼
• 4.2.2 热态高压老炼
• 4.2.3 辅助间隙的高压老炼
• 4.2.4 变开距老炼
• 4.3 高压真空灭弧室老炼工艺的设计
• 4.4 瓷壳黄斑的形成机制及消除措施
• 4.4.1 对瓷壳黄斑现象的试验分析
• 4.4.2 对黄斑现象的理论分析
• 4.4.3 消除的措施和结论
• 4.5 本章小结
• 5 高压真空开关的合成回路试验
• 5.1 合成回路的原理及发展现状
• 5.1.1 合成回路的原理
• 5.1.2 合成试验回路发展现状
• 5.2 合成回路的主回路
• 5.3 充放电电路
• 5.3.1 电压源充放电电路
• 5.3.2 电流源背靠背充放电电路
• 5.4 合成回路试验的等效性
• 5.5 合成回路的PLC控制系统
• 5.5.1 系统控制原理
• 5.5.2 机构电源回路与手动分、合闸
• 5.5.3 开关参数测量系统及高速计数器的应用
• 5.5.4 合成试验控制系统
• 5.5.5 控制参数的修改
• 5.6 合成试验波形分析
• 5.7 本章小结
• 6 结论
• 创新点摘要
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 致谢
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