新型大电流开关的设计理论与应用研究

论文摘要

随着电能消费的不断增加和能量利用形态的高功能化,大电流技术成为在电能的生产、传输、变换、控制等方面正在迅速崛起的领域。本文以两个大电流电力开关的工程项目为背景,研究了新型并联双断口型真空发电机断路器和特大电流电解铝有载专用投切开关的设计理论与应用。本文设计了一种基于电流转移原理并结合相控技术的并联双断口型真空发电机断路器(Vacuum Generator Circuit Breaker,VGCB)。区别于传统的设计方式,本文通过采用双灭弧室异步动作的开断方式,可选择不同参数的真空灭弧室进行并联。主灭弧室(Main Vacuum Interrupter,MVI)主要承担额定电流,而辅助灭弧室(Auxilary VacuumInterrupter,AVI)主要承担开断故障电流的任务。通过适当的回路结构布置可以实现两灭弧室支路的电流分配值符合VGCB的设计要求。根据开断电流性质的不同,设定了VGCB在开断负荷电流和故障电流时相应的动作流程以减轻触头烧蚀。通过实验得到的额定短时耐受电流情况下电流分配,并以此为依据计算出VGCB各部分的受力情况。通过力效应和热效应的综合分析,VGCB可以实现在关合状态下长期稳定工作。通过对系统源、发电机源以及失步故障电流的电流变化方程分析,并结合电流转移过程的数学模型,得到三种故障源的动态电流转移过程变化公式,并根据仿真结果得到电流转移过程的变化趋势及影响因素,进而确定MVI和AVI分闸时刻配合方式。通过电流仿真分析,新型VGCB可以实现在额定短路开断电流的条件下的电流转移并且电流转移过程与故障电流源的类型、初始电流相角、系统设备参数、主灭弧室触头分离时刻等多种因素有关,突破了一些学者仅对单一电流、固定分闸时刻的电流转移分析的局限。结合应用研究,本文制作出并联双断口型真空发电机断路器样机。通过测试永磁机构分闸线圈激磁时间,提出进一步缩短激磁时间的要求。通过电流分配实验,证明所设计的开关回路结构能够实现电流的合理分配。通过电流转移试验和仿真分析进行对比,确定出电流能够转移的原因和变化趋势,并确定仿真误差原因。通过温升实验样机能够满足国家相关规定,提出进一步改善散热条件的方式。本文采用多组小开关并联同步分合闸的方法设计一套特大电流有载投切开关以实现不停电投切电解槽的目的。本文制定了开关投切的工作流程,通过电气参数计算并对开关投切过程进行仿真分析,本文所设计的开关能够实现特大电流的电流转移。通过对开关的动热稳定性分析,开关采用多断口并联结构能够满足关合状态下稳定运行的需要。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 大电流设备的相关理论与关键技术
• 1.2.1 大电流设备的热效应与力效应理论研究机理
• 1.2.2 大电流真空开关的关键技术
• 1.2.3 并联断口型真空断路器的研究进展
• 1.2.4 电解槽开关的应用研究现状
• 1.3 发电机断路器的特殊性能要求及“瓶颈”问题
• 1.3.1 发电机出口断路器的发展与应用
• 1.3.2 发龟机断路器的特殊性能要求
• 1.3.3 GCB发展的“瓶颈”问题
• 1.4 电解系统特大电流有载投切开关
• 1.5 本文的主要研究内容和章节安排
• 2 新型真空发电机断路器的结构设计及其动热稳定性分析
• 2.1 新型发电机断路器的结构参数
• 2.1.1 整机结构
• 2.1.2 发电机断路器基本性能参数
• 2.2 两灭弧室工作流程
• 2.3 各支路的电流分配
• 2.3.1 各灭弧室支路阻抗分布
• 2.3.2 各灭弧室支路额定电流下和故障下电流的分布
• 2.4 GCB中短路电流的力效应分析
• 2.4.1 发电机断路器的导体电动力分析
• 2.4.2 真空灭弧室触头电动斥力分析
• 2.5 GCB中短路电流的热效应分析
• 2.5.1 温升分析
• 2.5.2 热稳定电流下的熔焊问题
• 2.5.3 强迫冷却措施分析
• 2.6 本章小结
• 3 发电机断路器工作状态分析
• 3.1 引言
• 3.2 系统源短路电流分析
• 3.2.1 系统源对称短路电流
• 3.2.2 系统源非对称短路电流
• 3.3 发电机源短路电流分析
• 3.3.1 发电机源对称短路电流
• 3.3.2 发电机源非对称短路电流
• 3.4 失步故障电流分析
• 3.5 电流转移过程分析
• 3.5.1 电流转移模型
• 3.5.2 系统源故障电流的电流转移过程分析
• 3.5.3 发电机源故障电流的电流转移过程
• 3.5.4 失步故障的电流转移过程
• 3.5.5 电流转移过程分析总结
• 3.6 真空发电机断路器的相控开断
• 3.7 本章小结
• 4 新型发电机断路器样机及其实验研究
• 4.1 开关分合闸特性实验
• 4.1.1 主灭弧室和辅助灭弧室分闸时间测试
• 4.1.2 主灭弧室与辅助灭弧室合闸时间测试
• 4.1.3 操动机构的分合闸特性要求
• 4.2 电流分配实验
• 4.2.1 罗氏线圈电流互感器的校核
• 4.2.2 测试结果分析
• 4.3 电流转移实验
• 4.3.1 不同时刻MVI断开时的电流转移变化情况
• 4.3.2 同时刻MVI触头分离时不同短路电流下的电流转移情况
• 4.3.3 电流转移实验总结
• 4.4 温升实验
• 4.5 本章小结
• 5 大功率电解系统有载投切开关的设计研究
• 5.1 电解铝有载专用投切开关的设计
• 5.1.1 停电投切电解槽存在的问题
• 5.1.2 不停电停开电解槽的改进方式
• 5.1.3 开关投切工作过程
• 5.2 特大电流有载投切开关本体结构设计
• 5.2.1 有载投切开关的机械结构
• 5.2.2 有载投切开关电气参数计算
• 5.3 有载投切开关分合闸时的电流转移过程
• 5.3.1 开关合闸的电流转移过程
• 5.3.2 开关分闸的电流转移过程
• 5.4 有载投切开关动稳定和热稳定分析
• 5.4.1 动稳定性分析
• 5.4.2 正常工作时的发热分析
• 5.4.3 热稳定性分析
• 5.5 本章小结
• 结论
• 创新点摘要
• 参考文献
• 附录A 真空灭弧室技术参数
• 附录B 发电机-变压器系统设备参数
• 附录C 样机实验系统
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 致谢
• 作者简介