直流开关

直流开关（精选8篇）

直流开关 篇1

1 地铁直流开关跳闸故障的原因

1.1地铁直流开关跳闸故障的统计信息

选取了南京地铁1号线于2005年9月3日正是开通运营起, 至2015年5月止。直流开关跳闸故障共计32次, 详情见图1与表1所示。

由图1及表1可知, 造成地铁直流开关跳闸故障的原因中, 最主要的还是地铁车辆的缺陷。当开关跳闸后, 若能迅速的判断其原因, 可缩短处理时间, 并更快的恢复地铁正常运营[1]。

1.2 馈线保护

(1) Imax保护:电流速断保护; (2) 保护:电流增量保护; (3) 保护:电流变化率保护; (4) 过电流保护; (5) 接触网热过负荷保护; (6) 大电流脱扣保护:开关自带近端接触网短路保护, 切断较大短路电流。

1.3地铁直流开关跳闸故障的特征

(1) 牵引供电跳闸形式较为统一, 几乎全为保护跳闸:即当系统存在短路时;过负荷通过IDP、Imax保护跳闸;通常对电流变化值的反映保护会更灵敏。 (2) DC01型直流车的开关跳闸故障的发生率更高, 为83.41%; (3) 地铁直流开关跳闸故障发生的时间大多集中于早高峰之前; (4) 故障发生后, DC01型直流车的损坏部位有: (1) 制动晶闸管; (2) 电抗器; (3) 主接触器; (4) 消磁电阻; (5) 牵引电机; (6) 橡胶联轴节; (7) 门极可关断晶闸管;等。AC04型列车的损坏部位主要是辅助逆变器箱中的熔丝、主牵引箱等;AC01型列车的损坏部位主要是高速断路器。

2 地铁直流开关跳闸故障的分析

2.1 持续超载

通过对直流电动车特性的分析, 南京地铁1号线在牵引状态下, 在4台直流串激电动机中, 有2台串联, 2台并联。由此可知, 其具备软机械特性。如下图所示:

即:当南京地铁1号线的客流量变大时, 负荷相应的增大, 电动机的转速将会降低, 甚至低至运营的要求范围以下。而此时, 为了保证地铁的正常运营, 就必须采取两种办法: (1) 提高单车载重:此种方法会导致电流增加, 电机严重过载, 而产生电机运行中的隐患; (2) 提高车速:此种方法导致电阻过流, 并且增多通流时间, 致使电阻发热异常。此二种方法都是有导致地铁直流开关跳闸故障的原因之一[2]。

2.2 离散性故障性质

通过对现场列车的跟踪测试和数据采样, 以及通过向检修人员、维修更改报表的了解。损坏最频繁的列车部件为:牵引电机换向机、放电螺栓、接触器、主晶闸管、电刷、消磁电阻箱等。几处部件的位置、耐受能力等均存在差异, 导致其损坏的原因也各不相同, 因此得出, 故障性质具有离散性。而这几处部件损坏的共性皆与过电流、绝缘性能下降等原因造成的局部短路有关。

2.3 绝缘性能下降

由于不同的电气设备其绝缘性能大小不一, 以及国内设计人员习惯放大裕量, 而国外设计人员更注重经济性, 因此造成电气设备的绝缘材料的选择上存在差异[3]。因此, 当持续超载的情况发生时, 绝缘材料将会持续老化, 其性能也逐步下降, 最终导致短路, 进而发生跳闸故障。

2.4 故障处理对策

(1) 故障处理流程。故障发生后, 工作人员需第一时间进行通报, 并赶赴现场搜集相应的故障信息。以此同时, 启动故障处理预案, 将人员、材料、工具等准备齐全, 并进行抢修工作。 (2) 相关建议。 (1) 对客流进行限流、分流等, 避免超载引起的跳闸故障; (2) 定期维护和更换直流车滤波电容、消磁电阻以及电阻箱等, 并及时更新老化的设备, 防止因其绝缘性能下降而导致的部分短路, 而造成跳闸故障; (3) 开发在线记录系统, 加强检测车辆运行及牵引供电, 尤其加强对于特殊地段和特殊车况的重点检测, 以采集更全面、更广泛、更详尽的数据, 及时预防还未发生的跳闸故障; (4) 阶段性总结故障处理的问题, 并对应急机制进行调整, 以提高应急处理的效率, 为地铁的正常运营提供保障与支持。 (5) 对故障信息进行统计与分析。

3 结束语

地铁列车的安全运行在城市轨道交通系统中是最重要的基础。而在地铁直流车的故障中, 最常见的为供电系统的跳闸故障。造成地铁直流开关跳闸故障的原因中, 最主要的还是地铁车辆的缺陷。

摘要：在城市轨道交通系统中, 列车的安全是最重要的基础。作为地铁的供电动力, 供电系统的安全也是及为重要的一部分。本文就地铁供电系统直流开关跳闸故障原因进行分析, 并提出相应的处理方式及解决对策。

关键词：城市轨道交通系统,跳闸故障,地铁直流开关,故障分析

参考文献

[1]肖涛古, 李敏.广州地铁四号线牵引变电所1500V直流开关柜变送器故障分析[J].科技风, 2012, (01) :123-124.

[2]方刚, 王开康.地铁直流开关柜热过负荷保护温升校验法[J].城市轨道交通研究, 2014, (12) :112-114.

[3]莫斌涛.基于地铁牵引供电系统直流保护特性的接地点优化策略研究[D].华南理工大学, 2012.

直流开关 篇2

关键词：地铁 直流开关柜 热过负荷保护 温升校验法

目前，我国很多的地铁列车内的直流开关柜都设置了热过负荷保护装置，只是对于其保护的定值还没有准确的验证方法，定值过大或者过小都会影响铁路的运营，严重的甚至还会出现安全事故，所以，如何来验证这个保护的定值是偏大还是偏小，就显得尤为重要。

一、供电接触网的特性

目前，接触网是我国地铁授流的主要方式，一般是以750V或者15V的电压来供电，接触网主要分为刚性结构的接触网和柔性结构的接触网，其中刚性结构的接触网一般使用在地下区段，而柔性结构的接触网则经常使用在地面、高架区段等。

1、刚性结构接触网

刚性接触网通过将接触线和汇流排构成电流的传输载体，其中，按照国家的标准，接触线允许连续运行的温度一般不得超过95℃，短时最高温度不得超过150℃，汇流排允许连续运行的温度不得超过85℃，短时最高温度不得超过120℃。

2、柔性结构接触网

柔性结构的接触网主要构成包括接触线和承力索，这两者按照国家的标准，其允许连续运行的温度不得超过95℃，短时最高温度不得超过150℃。

二、地铁直流开关柜的热过负荷保护

因为技术的原因，不同的厂家为地铁直流开关柜配套了不同的热过负荷保护方案，不过总结起来主要分为两种，即基于热态曲线和基于冷态曲线的热过负荷保护。根据规定，冷态曲线和热态曲线必须分别满足公式（1）（2）。

[t=τ×1nI2I2-（kIB）2] （1）

[t=τ×1nI2-I2pI2-（kIB）2] （2）

其中：t—动作时间；I—流过接触网的电流；τ—时间常数（取绕组的热时间常数）；k—常数（取允许长期运行的最大电流倍数）；IB—基本电流（取变压器的额定电流）；IP—过负荷前的负载电流；

三、温升校验法的原理

要了解温升校验法的原理，我们可以通过一个例子来说明，假设接触网在时间t内产生的电能损失，全部都转化为了热能，那么长度为l的接触网所产生的热能Q就可以表示为：

[Q=R×I2×t=ρR×l×I2×tS] （3）

其中：R—接触网的电阻；I—流过接触网的电流；ρR—接触网的等效电阻率；S—接触网的等效截面积；

再根据热力学的公式，接触网材料的比热容就可以表示为：

[Q=Cal×ml×△T=Cal×ρm×S×l×△T] （4）

其中：Cal—接触网的比热容；ml—长度为l的接触网的质量；ρm—接触网的密度；S—接触网的等效截面积；ΔT—接触网在t时间内的温升；

根据公式（3）（4）就可以得出：

[△T=R×I2×tCal×ml=ρR×I2×tCal×ρm×S2] （5）

即：[I2×t=△T×Cal×mlR] （6）

比如某個地铁采用的是刚性结构的接触网，而且是用1500V的电压来供电，接触网设计的额定载流量为3000 A，汇流排的比热容为0.88×103 J/（kg·℃），汇流排截面积为2214mm2，汇流排计算质量为6.0kg/m，汇流排常温下电阻率小于0.032 Ω/（mm2/m），接触线比热容为0.39×103 J/（kg·℃），接触线截面积为120mm2，接触线常温下电阻率小于0.01777 Ω/（mm2/m），单位质量为1.082 kg/m，那么根据标准ΔT应当满足下列要求：

ΔT≤45 K （7）

根据公式（6）（7）可以推出：

[I2×t≤45×Cal×mlR] （8）

然后将上述的数值全部代入公式（8）就可以计算出I2×t≤1.9485×1010。

下面以基于热态曲线为例，我国的地铁直流开关柜负荷保护使用的热过负荷动作方程式可以用以下公式表示：

[θt=（1-e-lτ）×（IIn）2±θt-△t×e-lτ] （9）

其中：θt—热过负荷启动比值；In—接触网的认定载流量；θt-Δt—Δt时刻前的热过负荷启动比值；

当τ=10 min的时候，标准热过负荷曲线就如下图：

图1 τ=10 min的热过负荷曲线

如果In=3000 A，那么就可以知道在t时刻的电流取值，然后与公式（8）中的t时刻电流值进行校验，然后，将In的取值进行调整，得出相应的t时刻的电流取值，依次与公式（8）中的电流值进行校验，以此类推，就可以得到最合理的热负荷保护中In的取值了。

四、结束语

直流开关 篇3

电弧效应是所有电气系统设计时必须面对和解决的问题[1]。根据不同电气系统的运行特点, 电弧大致可以分为交流电弧与直流电弧两类。其中, 直流电弧因并没有交流电弧有自然电流过零的特性, 其电弧效应产生的危害和隐患甚至会更大。尤其在民用飞机领域, 存在大量的直流开关设计环节, 因此直流开关回路的设计质量, 极大的影响着整个飞机电气系统的可靠性和稳定性。因此, 直流电弧开关电弧效应, 长久以来都是民用飞机电气设计人员研究的痛点和焦点所在。

所以为了规避直流开关电弧效应, 对民用飞机电气系统造成不利影响, 在民用飞机直流开关回路设计过程中, 有必要对直流开关电弧效应进行软件建模, 分析其造成的影响程度大小, 并结合系统设计特性, 给出相应的改进方案。

1 直流开关电弧效应国内外研究现状

在电弧物理数学模型研究领域, 国外研究人员早在1939年, 就提出了最初的凯西 (Cassie) 模型。Cassie模型数学机理是将电弧燃烧熄灭的物理过程, 等效为一个动态的随输入电压、输入电流波动的动态电阻, 将其代入所涉及回路中进行数学运算, 最终得到电弧在回路中的运行特性。该模型对电弧的诸多物理参数进行了假设, 可以对交流电弧进行一定程度定性、定量的分析。但是其不能体现直流电压与直流点就对电弧动态特性的影响, 因此对直流电弧的适应性相对较差。

在Cassie模型的基础上, 针对开关直流电弧的特殊性, 国外研究人员进一步提出了梅尔 (MAYR) 电弧模型。MAYR电弧模型, 假设电弧在确定的圆柱形气流通道内放电, 假定圆柱体在电弧放电时间段内体积恒定, 直径不变。以开关断开瞬间, 回路的剩余能量为初始条件, 能量的传到是利用空气电离的特性常数, 对开关电弧从产生、持续最后熄灭的过程进行数学解析, 最终拟合得到开关电弧持续过程中的电压电流曲线。MAYR模型目前已经在直流开关电弧效应的研究中得到了广泛的应用, 是目前比较成熟的电弧模型。

随着20世纪90年代以来计算机仿真技术的飞速发展, 研究人员开始考虑将电弧的物理数学模型与计算机仿真软件有机结合。利用计算机的强大计算能力, 辅助进行电弧这一非线性电气现象的研究。其中, MATLAB/SIMULINK软件作为一款相对成熟的电气仿真软件, 以其强大的模块化电气接口、优异的数学运算速度, 一直以来受到了相关设计人员的广泛青睐。因此, 本文以MATLAB/SIMLINK为仿真环境, 利用MAYR电弧数学模型, 对民用飞机28V直流开关回路电弧效应进行建模, 并给出初步仿真分析结果。

2 基于MATLAB软件直流开关电弧效应仿真分析

本文所构架的基于MATLAB软件直流开关电弧效应仿真模型如图1所示。在主回路中, 供电电源采用飞机28V直流电源, 在电源输入端串入电感, 模拟飞机线路中寄生电感以及阻抗参数。主回路负载是单个直流步进电机阀门, 因该模型是研究直流开关电弧效应, 所以无需对负载侧的控制策略做完整的模拟, 仅需将电机以及控制部分模型简化为如图1所示的等效电感、电阻和电容模块。开关电弧模型在图面显示上示意为一个开关式样, 内部封装了基于MAYR模型的电弧数学模型, 主旨建模思路是将开关关断瞬间, 负载侧电感电容储存的瞬态能量值作为MAYR模型的输入, 根据所假设直流电弧的物理参数, 对电弧运行时电压电流特性进行测算。

本文基于该仿真模型, 对28V步进电机阀门负载关断时开关电弧效应进行了仿真, 仿真结果如图2所示。初始电源电压都加载在负载侧, 开关本身视作无电阻导线, 不承受电压。在0.02S时, 开关开始由开通转为关断状态, 由于步进电机绕组的电感电流无法突变, 电感上存储了一定量的电感能, 因此在关断瞬间产生了约80V的反电势, 反电势与电源电压一起由开关关断所产生的电弧承受。此时, 开关在硬件接触上, 已经从回路断开, 但是由于电感能量泄放需要, 开关触点之间拉出电弧, 电弧电流在极短时间内, 随着反电势电压的下降而减小, 最终电感电流通过电弧释放完毕。

3 结语

本文基于MAYR电弧数学模型, 以及MATLAB电气仿真环境, 搭建了基于民用飞机直流开关关断时产生的电弧回路仿真模型, 并进行了初步仿真。通过仿真结果可以看出, 在负载侧存在感性元件的情况下, 开关关断瞬间, 会产生四五倍电源电压的反电势电压, 随着电感能量的释放, 开关电弧所承受的电压和电流, 经过极短时间下降到稳定值。在此期间, 电弧放电能量, 随着航线运营时间的增长, 开关作动次数的增加, 必然会对直流开关造成不可逆的影响。因此, 有必要设计缓冲回路, 对开关电弧能量释放过程进行优化, 从而延长民用飞机直流开关使用寿命。

摘要：本文首先介绍了民用飞机控制板开关运行过程中电弧效应对系统可能造成的不良影响, 以及电弧效应的国内外研究现状, 然后基于MATLAB/SIMULINK仿真环境, 建立了基于MAYR方程的仿真模型, 对开关电弧效应进行仿真验证, 并给出初步分析结果, 最后验证分析结果的有效性。

关键词：开关电弧,MAYR,仿真分析

参考文献

[1]齐郑, 杨以涵.中性点非有效接地系统单相接地选线技术分析[J].电力系统自动化, 2004, 28 (14) :125.

直流开关 篇4

1 典型GZDW直流系统的组成及工作原理

1.1 直流系统的组成

主要由充电模块、控制单元、直流馈电单元 (合闸回路、控制回路、保护回路、信号回路、公用回路以及事故照明回路等) 、降压单元、绝缘监测、蓄电池组等组成。其中最主要的设备就是充电模块和蓄电池组。

电力系统现在使用的高频开关电源整流系统比较老式直流系统的最大区别是模块化配置, 比如GZDW型智能高频开关直流电源系统根据功能可划分为高频开关整流模块、监控模块、配电监控模块、调压硅链模块、绝缘监测模块、交流配电单元、蓄电池监测仪、蓄电池组、馈电单元几部分。

1.2 工作原理和功能

1.2.1 交流配电单元

直流系统一般都有两路交流电输入, 一路工作, 另一路备用, 交流电经交流输入空气开关、交流接触器、避雷器等送至各个充电模块。正常时交流电输入切换开关置于“自动”位置, 当一路交流失电时, 另一路交流自动投入, 避免了任何一路交流失电造成充电模块不能工作的问题。

1.2.2 高频开关充电模块

三相三线交流电380VAC经三相整流桥整流后变成脉动的直流, 在滤波电容和电感组成的LC滤波电路的作用下, 输出直流电压, 再逆变为高频电压并整流为高频脉宽调制脉冲电压波, 最后经过高频整流, 滤波后变为220VDC的直流电压, 经隔离二极管隔离后输出, 一方面给蓄电池充电, 另一方面给直流负载提供正常工作电流。

1.2.3 调压硅链模块

充电模块在蓄电池浮充时输出一般约为直流240V左右, 在蓄电池均充时一般约为直流250V左右送至合闸母线, 蓄电池则经蓄电池总保险送至合闸母线, 正常时调压硅链的控制开关置于“自动”位置, 经硅链自动降压后输出稳定的220VDC, 送至控制母线, 以上两部分共同组成直流输出系统。

1.2.4 配电监控模块

主要是对交流输入和直流输出的监控, 可检测三相交流输入电压, 蓄电池组端口电压, 蓄电池充/放电电流, 合闸母线电压, 控制母线电压, 负载总电流;并且实现空气开关跳闸, 防雷器损坏, 蓄电池组电压过高/过低, 蓄电池组充电过流, 蓄电池组熔丝断, 合闸母线过/欠压, 控制母线过/欠压, 各输出支路断路等故障告警。

1.2.5 绝缘监测模块

用于监控直流系统电压及其绝缘情况, 在直流系统出现绝缘强度降低等异常情况下, 发出声光告警, 并能找出对应的支路号和对应的电阻值。

1.2.6 监控模块

用于对充电模块的监控板、配电监控模块、绝缘监测模块等下级智能监控模块实施数据搜集并加以显示;也可根据系统的各种设置参数进行告警处理、历史数据管理等;同时对这些处理结果加以判断, 根据不同的情况进行电池管理, 输出控制和故障回叫等操作;此外还包括LCD、键盘等人机界面设备;可实现与后台机的通讯, 将数据上传。

1.2.7 蓄电池组

作为全站直流系统的后备电源, 在充电模块停止工作时, 蓄电池无间断的向直流母线送电;此外, 在电磁式断路器进行合闸操作时, 合闸电流大于100A, 此时蓄电池成为合闸电源。

2 直流系统的运行与维护

目前电力系统的变电站一般都是无人值守的, GZDW型智能高频开关直流电源系统可通过监控串口与变电站后台的监控实现通讯, 可在调度端实现对直流系统的“三遥”。但还是需要定期进行一般性的清扫、日常检查等工作。一般220KV及以上变电站按照每天一次, 110KV变电站按照一周两次进行周期巡视。

2.1 在下列情况时要加强巡视

(1) 新投运的设备; (2) 在高温季节、高峰负荷期间和电磁式开关动作频繁时; (3) 在雷雨季节有雷电发生后; (4) 在直流系统或蓄电池的工况不良时; (5) 特殊用电期间。

2.2 正确使用工器具

直流回路最怕正极和负极间短路, 工作时应戴绝缘手套, 使用绝缘工具, 必须防止麻痹大意所造成的人身或系统事故。

2.3 直流屏室和蓄电池室的管理

基本要求:保障室内环境的温度、相对湿度、洁净度、静电干扰、噪声、强电电磁干扰等要素符合机房内电源设备和控制设备的要求, 保障设备的性能的稳定、运行可靠、生产安全, 保障控制设备的正常供电和蓄电池的应急放电;保障设备的机械性能完好, 设备电气性能符合标准要求, 设备运行稳定可靠, 与设备相关的技术资料、原始记录齐全。

蓄电池组室应安装空调保证温度应在25°C左右, 温度对蓄电池的寿命影响较大, 若在35°C及以上的持续温度下运行, 预期寿命减少一半。温度过低, 充电时产生氢气使内压增高, 电解液减少, 蓄电池寿命也将缩短。

2.4 充电装置的运行及维护

运行人员或专职直流维护人员应对充电设备进行如下的巡视检查:三相交流输入电压是否平衡或缺相, 运行噪声有无异常, 各保护信号是否正常, 直流输出电压值和电流值是否正确, 各充电模块的输出电流是否均流, 正负母线对地的绝缘是否良好, 装置通讯是否正常等。

运行人员或专职直流维护人员特别要注意充电模块自动均充是否准时定期, 均充时的充电电流和充电电压是否正确;雷电发生后应及时检查直流装置的防雷装置和充电装置工作是否正常;每月对充电装置作一次清洁除尘工作。

充电装置内部故障时, 应及时把故障充电装置取下退出运行, 这就是模块化配置的好处, 在设计上采用N+1的方式, 少一个充电装置不影响运行, 应及时把坏的充电装置返厂家修理, 这期间加强对直流装置的巡视。

2.5 蓄电池的运行及维护

在正常运行情况下, 变电站的二次设备只需由充电模块来供电就行了。现有的变电站, 断路器一般有电磁合闸方式和储能合闸方式两种。在电磁式断路器进行合闸操作时, 要求直流电源能提供瞬时的合闸电流 (20~200ms内提供数百安培的大电流) , 显然仅由充电模块来供电是远远不够的, 这时蓄电池组就发挥了重要的作用, 它能无间断地提供大电流, 保证断路器的正常合闸, 这也是直流系统为什么要有合闸母线的原因了。在储能合闸方式下, 合闸电流远小于充电模块的额定输出电流, 不用蓄电池来合闸。

当电网事故, 必然使交流输入电压下降, 当充电模块不能正常工作时, 蓄电池无间断的向直流母线送电, 毫不影响直流电源屏的对外功能, 保证二次设备和断路器的正确动作, 确保电网的安全运行。而作为最后保障的蓄电池, 如果其容量的不足将会产生严重后果。所以, 蓄电池的重要性就就可想而之了, 其维护、在线监测一直是大家最为关心的问题。

电池巡检仪作为在线监测装置, 可实时发现落后或故障电池, 并可检测电池组的温度是否处于正常范围内, 但直流系统工作时输出电流较小, 电池容量的不足或漏液、破损很难通过电池巡检仪发现, 而电池内阻和电池容量的在线测试, 准确度依旧不高, 其测量精度和可靠程度通常只用于定性分析。所以还是需要运行人员或专职直流维护人员对蓄电池进行巡视。

具体巡视项目如下:

(1) 检查蓄电池连接片有无松动和腐蚀现象, 壳体有无渗漏和变形, 是否清洁;极柱与安全阀周围是否有酸雾溢出;绝缘电阻是否下降;蓄电池温度是否正常25℃左右;测试单只蓄电池电压和内阻是否正常。

(2) 最好能每半月进行一次断开直流系统交流输入电源, 让蓄电池来供电, 10分钟后测试合母电压 (也就是蓄电池组端电压) 和控母电压及直流电流是否正常。以此来保证作为最后保障的蓄电池工作正常。

(3) 还要注意对备用搁置的蓄电池的维护, 因蓄电池要自放电而减少容量, 应用便携式充电机每3个月进行一次补充充电。

(4) 由于电池品牌、型号及电池状况的不同, 应根据实际情况通过监控模块重新调整电池充电参数, 以保证电池处于良好工作状态。蓄电池寿命一般为10年左右。

(5) 通常以标准温度25℃下10h放电率 (I10) 的容量为蓄电池的额定容量。核对性放电用I10的放电电流放电5小时, 2V的蓄电池端电压不低于2V则蓄电池容量合格。全核对性放电用I10的放电电流放电10小时, 2V的蓄电池端电压不低于1.8V则蓄电池容量合格。新安装的蓄电池在补充电后, 应进行全核对性放电实验, 以考核电池容量。变电站只有一组蓄电池时, 在运行中一般用核对性放电来考核蓄电池的容量是否合格, 周期可为1-2-2-1方式。即新投运1年内进行一次, 此后每2年进行一次, 运行5年后每年进行一次。

3 常见系统故障的原因及处理

直流系统的故障有很多, 只列举现场运行容易发生的2种故障。

3.1 阀控蓄电池的故障和处理

(1) 阀控蓄电池壳体鼓胀变形

造成原因:充电电流过大, 充电电压超过了2.4V×N (2V为单体的电池个数) ;蓄电池内部有短路或局部放电等造成温升超标;阀控失灵使蓄电池不能实现高压排气, 内部压力超标等。

处理方法:进行核对性放电, 容量达不到额定值80%以上的蓄电池应进行更换;运行中减少充电电流, 降低充电电压, 检查安全阀体是否堵死。

(2) 浮充电时蓄电池电压偏差较大 (大于平均值±0.05V)

造成原因:蓄电池制造过程分散性大;存放时间长, 又没按规定补充电。

处理方法:质量问题, 应更换不合格产品;存放问题, 应按要求进行全容量反复充放2~3次, 使蓄电池恢复容量, 减少电压的偏差值。

(3) 运行中浮充电压正常, 但一放电, 电压很快下降到终止电压值。

造成原因:蓄电池内部失水干, 电解物质变质。

处理方法:更换蓄电池。

(4) 核对性放电时, 蓄电池放不出额定容量。

造成原因:蓄电池长期欠充电, 单体蓄电池电压浮充时低于2.23-2.28V, 造成极板硫酸盐化;深度放电频繁 (如每月一次) ;蓄电池放电后没有立即充电, 极板硫酸盐化。

处理方法:浮充电压运行时, 单体蓄电池电压应保持在2.23-2.28V;避免深度放电;对核对性放电达不到额定容量的蓄电池, 应进行3次核对性放电, 若容量仍达不到额定容量的80%以上, 应更换蓄电池组。

3.2 直流系统绝缘故障和处理

直流系统的正、负母线绝缘电阻均不能低于规定门限值, 当任何一点出现接地故障时将会打乱变电站的整个正常运行秩序, 造成控制、信号、保护的严重紊乱, 必须迅速排除故障, 以免出现两点同时接地短路而造成的直流系统熔断器熔断及使断路器出现误动、拒动等。

3.2.1 GZDW系统绝缘监测两种方式

母线监测式仅监测母排同保护地间绝缘电阻的变化情况。

支路巡查则可同时监测母排和各支路的绝缘状况, 并作出相应告警。

发生绝缘告警的主要原因有以下:其分路出线受潮、破损或负载设备安装错误;GZDW系统在运输、开箱、安装过程中出现的导电异物等。

3.2.2 查找直流接地故障的一般顺序

(1) 分清接地故障的极性, 粗约分析故障发生的原因:长时阴雨天气, 会使直流系统绝缘受潮, 室外端子箱、机构箱、接线盒是否因密封不良进水等;站内二次回路上有无人员在工作、是否与工作有关。

(2) 将直流系统分成几个不相联系的部分, 即用分网法缩小查找范围。

(3) 对于不太重要的直流负荷及不能转移的分路, 利用“瞬停法” (一般不应超过3s) , 各站应根据本站情况在现场运规中制定拉路顺序;对于较重要的直流负荷, 用转移负荷法, 查找该分路所带回路有无接地。

(4) 如果接地点是在GZDW系统内, 可以采用逐段排除来确认告警具体位置。具体方法是:依次抽出充电模块;断开各功能单元和母线间的熔断器连接;断开蓄电池接入开关。分段、分步测量故障母线同保护地间的电压状况。通常, GZDW系统出厂后发生电气故障可能性较小, 在找出“故障段”后, 其故障点多可通过目测直接发现。

(5) 确定接地点所在部位后, 再逐步缩小范围认真查找, 直到查出接地点并消除为止。

4 结束语

变电站的直流系统, 一经投入, 可以说就与站共存了。因为全站所有电气设备中, 唯有直流屏设计为“永久性”的, 没有像变电站主变、开关等那样的电气设备可以安排停电进行检修的机会。因此, 一方面要做好直流系统正常的巡视检查和正常维护;另一方面由于直流屏上设备的缺陷都是在带电的情况下处理的, 这类工作的安全风险非常大, 就要求处理直流缺陷工作要具有高度的责任感和严谨的工作作风。请将缺陷消除在萌芽状态, 确保电力系统的安全可靠运行。

参考文献

[1]DL/T 724-2000[S].电力系统用蓄电池直流电源装置运行与维护技术规程.北京:中国电力出版社, 2001.

[2]国家电网公司电力安全工作规程 (发电厂及和变电所电气部分) .北京:中国电力出版社, 2010.

[3]DL/T781-2001[S].电力用高频开关整流模块.北京:中国电力出版社, 2002.

高频开关直流电源的保护技术探讨 篇5

大功率的开关元件的电路控制电路较复杂, 并且其在高频开关直流电源模块中的造价相对而言较贵。另外, 我们通常采用大量的集成化程度高的元件安装电子系统作为开关电源的负载。由于开关直流电源里的集成元件和晶体管在抗电冲击和耐受热等性能方面较差, 要求保护高频开关直流电源系统的装置应具有负载的和本身的安全性能。保护电路具有多样性, 具体而言主要包括过极性保护、电流保护、欠电压保护、过热保护等等。在实际的操作应用中, 将这些多样性的保护电路进行组合, 综合利用, 创建良好的保护措施。

1 极性保护

我们一般将没有经过处理的直流电源输入到高频的开关直流电源系统的开关稳压器设备中, 若在操作中出现意外情况或出现失误, 常常引起错接电源正负极的现象, 导致开关电源的损坏。因此我们采用这种保护措施的原因就在于能够实现当两级电源接错时能够使电源停止工作不至于被烧坏, 只有当开关稳压器两级接入正确时, 未稳压直流电源才可以正常运行。针对极性保护我们常常采取的措施之一是利用二极管的单向导电的特性, 图1所示的是最直观简单的极性保护电路图, 该电路的基本工作是电流流出二极管向电路中输入总电流, 由于二极管属于单向导电元件, 电流只能单向通过, 因此对电源起到了保护作用。这种电路适合在小功率的开关稳压器中使用。如要在较大功率的开关稳压器上使用, 还需把此种电路规定为保护系统的一个必要环节, 减少许多耗能。为了在实际运用方便操作人员操作, 在电流通过电流方向之后应加装一支指示灯。

2 过电流保护

如果高频开关的直流电源发生负载过多、短路或者电路控制失常等特殊情况发生时, 会导致过大的电流流入稳压器开关。在这个过程中会因为产热而消耗大量有用的功率, 倘若未对超出限制的电流流经的电气设备安装保护装置, 那么产生的大量的热可能会损坏大功率的开关管。所以说, 安装限流装置在开关稳定器中的措施是必要的, 在实际操作中, 应用保险丝对过流设备的保护是最常见、最普遍的方式。但是普通的保险丝在例如晶体管这种较小的热容量中很难发挥作用, 因此将普通的保险丝换为速溶的保险丝, 这种具有方法经济有效, 操作简捷的特性被广泛的用在安全工作中。但由于保险丝具有一定的使用寿命, 因此在工作中需定期的检查和更换。

针对线性开关的稳压器, 一般将电流截止保护与这种方法运用到开关稳压器的保护装置中, 由于开关稳压器有自身的特点, 所以在这种保护方式并不适用于控制开关管, 而必须采用将保护过电流的设备转变成脉冲指令控制调节器来起到保护开关装置的效果。除此之外, 考虑到高频开关的稳压器可能消发热和消耗, 因此应减少电阻的接入, 将保护过电流设备转变为欠、过电压保护措施。

3 欠电压保护

当开关稳定器内部或负载、输入直流电源出现异常情况时, 会发生输出电压较大的偏离规定值。具体而言, 当低于规定值时, 会使开关稳压器的电流变大、电压变小, 直接的后果是导致输入电源盒开关三极管的损坏。所以, 设置欠压装置来保护电路是十分必要的。其直观简单的保护电路如图2所示。

具体工作原理:当源电压的电压值达到正常数值后, 稳电压把ZD击穿, 晶体元件V连通, 继电器工作, 将触点吸合, 开关稳压器加电, 电路连通。当输入的电压值少于规定数值后, 不能击穿稳压管ZD, 影响晶体元件的连通性, 电磁继电器无法吸合触电, 开关稳压器无法正常运行。造成这种现象发生的主要原因可能是开关三极管不完整或者电路内部的控制电路工作失常。除此之外负载出现接触不良、短路也会使输入电压下降。因此我们常常通过接入一个电压比较器在开关稳压器的电压输出端来避免这种问题的发生。具体的电路图如图3所示。

当电压正常时比较器没有电压输出, 只是作为一根导线存在, 一旦电压值下降在规定值之下比较器就会发出警报提醒工作者。同时将信号反馈给开关稳压器的控制电路, 使开关三极管切断输入电源。

4 过热保护

开关稳压器内部的体积小和高集成化等特点直接决定了装置单位体积内的功率密度较高的特性, 因此电源系统装置中的元件对其运行工作环境也有相当高的要求, 尤其是对温度有较高的要求。如果温度控制不当, 会使电路性能减弱, 甚至影响元件的使用时间。因此, 应该设有过热保护装置在大功率开关稳压器中。

温度继电器是过热保护装置一般采用的设备。当较高的装置温度时, 温度继电器开始运行, 致使整个电路时刻处于警戒状态, 确保实现单一电源的保护。也可以在开关三极管附近置于温度继电器, 一般较大功率的三极管允许的耐高温值, 其值不能超过70-75摄氏度, 温度调节度值在55-60摄氏度。当三极管温度较高超过规定数值时, 继电器就会立即自动的切断电源, 使电路停止工作, 如图4所示。

根据图我们可知其工作原理:在温度控制方面半导体热敏元件“热晶闸管”起到重要作用。根据热晶闸管的自身的特性, 该器件的导热温度值由Rt的值来确定, Rt越小, 导热温度就越高。当将其放在电源内部装置或大功率开关三极管附近时, 它具有显示温度高低的功能。当电源装置温度或大功率三极管的管壳温度超过规定数值, 热晶闸管自动导通, 发光元件发出警告信号。如将热晶闸管与光电耦合器配合使用, 就可以整个系统具有告警电路动作, 保护开关稳压器。

5 结语

对于高频开关直流电源的整个工作系统而言, 对于整机的保护方面做好以下几点:首先考虑开关稳压器, 要把其应用的开关管控制在直流安全工作区域之内;其次, 把稳压器的输出电压限制在规定范围之内;再次, 由于电源系统的可靠性可能会因为电源中添加了保护电路之后而受到影响, 所以, 要在保护本身电源系统的稳定性的前提下实现相关保护电路的加设;最后, 必须合理、全面而系统的考虑到各个开关电源的保护措施, 确保开关电源工作的安全性、可靠性和高效性。

摘要：本文主要探讨了高频开关直流电源的保护系统, 根据高频开关直流电源模块中容易出现的问题加以分析, 提出适当的保护方案和措施, 并分析这些保护措施的应用特点, 对使用电路的保护提出一些其他方法。

关键词：开关电源,保护电路,系统设计

参考文献

[1]刘峰.高频开关直流电源的保护技术[J].电源保护, 2011, 8 (07) :45-48.

[2]王忠民.高频开关直流电源系统的探析[J].上海电力, 2010, 13 (01) :28-31.

直流开关 篇6

1 免维护电池质量和容量

现在免维护电池直流屏基本已经没有合闸整流变压器, 其充电装置常见为高频开关模块, 高频开关输出电流数值较小, 达不到部分少油断路器的合闸要求 (例如SNl0—10系列) , 而只有电池组释放出很大电流时, 才能够满足断路器的合闸要求, 故配电室倒闸操作时对电池组质量和容量的要求都非常高, 所以在对配电室的直流屏系统升级改造时, 要特别注重这个问题, 并要引起设计者的足够的重视。我们在选择电池组容量时除了要考虑电池组异常事故供电容量的计算, 还应该充分考虑整个配电室 (所) 高压柜的数量总和以及合闸电流的大小、高压柜在年检及事故时的操作次数和间隔时间等, 在带有重要负荷的变配电室 (所) 的电池组容量的裕量应适当放大点, 以满足用户用电安全和供电的可靠性。

2 免维护电池单个电压

免维护电池单个电压的规格有四种分别为2V、4V、6V、12V。单从改造的投入来看, 如果直流系统电压一定时, 选择单个电池的电压值越高, 所需串联的电池数量就越少, 直流屏的造价就越低, 占用空间也就越小。弊端是一旦在运行中一块12V电池坏掉退出运行, 那么对整个直流系统的电压影响就会很大, 使系统存在很大的不确定性。反之如果选用单个电压2V的电池, 即使有个别电池出现故障, 也不会影响整个系统的稳定性, 缺点是巡监仪只能检测出电池组的电压的总和, 不能及时发现有故障的电池。

3 电池的充电装置

按照电池的特征, 电池组在设定电压下, 充电装置以恒流充电的方式向电池组充电, 为避免电池被大电流冲击, 电压值达到设定电压后, 转为恒压充电, 电流则逐渐递减转为浮充方式。充电装置性能的好坏对电池的运行非常关键, 所以选用合理的充电装置就非常重要了。目前充电装置的发展很快, 高频开关模块运用越来越广泛, 相对以往的磁放大型充电装置和相控型充电装置, 高频开关模块具有效率高、功率因数高、模块化积木式配置, 易于扩容的优点, 便于集中监控和智能化管理, 为变电站无人值班创造条件, 低噪声、低污染、低辐射, 是优良的绿色电源。

4 控母调压装置的选择

充电装置一边要向电池组长期供应浮充电流, 一边又要向控制母线的负荷供电。因为充电装置的浮充电压要比控制母线的电压高, 所以必须要设置一个降压装置才能够满足控制母线的电压需求。目前主要有二种调压方式:硅链降压和高频开关降压。高频开关降压模块采取新型高频软开关无级双向调压, 摒弃传统硅堆降压方式, 输出电压精度高, 动态响应速度快。同时高频开关降压模块化设计, N+1热备, 可平滑扩容, 监控功能完善, 高智能化, 但其电气结构复杂, 价格也昂贵。硅链降压属于有级调压方式, 响应速度慢, 输出电压精度低, 工作中如果有一个二级管出现故障, 发生开路现象, 则整个控母将失压, 造成整个系统不稳定, 优点结构简单, 价格便宜。

5 免维护电池保有容量的检测

免维护电池组在整个直流系统中非常重要, 肩负着整个直流系统稳定运行的重任, 所以要随时监测在线电池的运行情况。免维护电池在使用中最大问题是使用以往方法无法检测出电池组的保有容量值, 这个问题应引起足够的重视, 目前行业内对免维护电池保有容量主要有以下4种方法:

(1) 交流电导法。交流电导法也叫交流内阻法, 其测量电池的状态实质是检测电池的静态内阻, 静态内阻和免维护电池保有容量没有严格的对应关系, 通过研究证明其只能对电池进行定性检测, 不能进行定量检测, 而且检测仪器成本太高, 所以使用范围很小。

(2) 空载电压法。就是利用直流电压表来测量每个电池的电压值, 空载电压与电池电液密度有着相对应的关系, 故电液密度值通过空载电压值来表现出来, 其测量结果的可靠性和电液密度法相同, 但这种方法不适用于对电池安全性要求过高的用户, 由于测试简单方便应用较广。

(3) 恒流放电法。恒流放电法就是利用恒定的电流对电池持续放电, 然后记录电压下降到规定值时的放电时间, 恒流的电流X时间即为现有电池的保有容量, 此方法主要应用于对电池容量状态要求较高的用户 (如煤矿行业) , 这个方法是IEC规定的方法, 中国对电池容量最终的判定都是以此为判定依据.对其他的测试方法, 也是以其他方法对照本方法来衡量精度的。

(4) 负载电压法。对电池施加一个电流进行放电, 记录其在一定时间的电压值, 如果电池在失容过程中, 静态内阻没有什么变化, 而是因动态内阻增大造成的, 那么动态内阻则为放电过程的极化电阻, 其实质是测定电池的极化电阻的增大值, 检测可靠性很高, 所以不会发生检测的误判断。

6 结束语

高频开关免维护电池直流屏是直流屏的发展方向, 整体设计方便简洁, 人机界面友好, 符合用户使用习惯, 它既符合现代化企业对设备可靠、清洁、人员精干的要求, 又因其采取高频软开关技术, 模块化设计, 配有标准RS232/485串行接口和以太网接口, 易于自动化系统对接, 适用于各类变电站、发电厂和水电站使用。所以随着新技术不断运用及生产厂家产品的持续改进, 其可靠性越来越高, 应用范围会越来越广阔。

摘要：本文介绍了高频开关免维护电池直流屏的技术特点, 以及在运用中应该注意的问题。

关键词：免维护电池,高频开关,直流屏

参考文献

[1]刘胜利.高频开关电源实用新技术

浅谈高性能开关型直流稳压电源 篇7

1 动态小信号模型探析

动态小信号模型的选取具有多样性, 选取不同的模型运用得到的设计结果各不一样。开关电源本质上是一个非线性的控制对象, 采用解析的方法指导建模只能近似建立其在稳态时的小信号扰动模型, 而用这种模型来解释大范围的扰动时所获得的结论并不完全准确。其基本得益于开关电源一般工作在稳态。依据小信号扰动模型设计出的高性能开关型直流稳压电源, 配合辅助电路的使用, 完全能使开关电源的性能满足要求。

2 直流稳压电源性能指标的确定

2.1 稳定性指标要求

据有关数据及实践结果表明, 不同的系统应该具有不同程度的鲁棒性, 同时暂态特性也相对较好。然而对于直流稳定电源来说, 其要求系统的增益余量大于或等于40d B, 相位余量大于或等于30d B。

2.2 瞬态响应指标

开关电源在受干扰状态下, 其输出量会受到影响导致相应的抖动, 最后渐渐地恢复到稳定值。通常我们以过冲幅度和动态恢复的时间长短来测评动态特性。穿越频率越高, 动态恢复所需的时间越短;过冲幅度与相位余量亦存在紧密的相关性。

2.3 电源精度探析

电压精度具有严格的要求, 其设计范围为不大于1‰, 纹波不大于1‰。然而纹波中分为高频和低频两部分, 开关频率造成高频部分的产生, 依靠输出滤波器来抑制;电网波动引入了低频部分, 低频部分主要依靠系统负反馈来加以克服。

3 高性能开关型直流稳压电源的分析与设计

3.1 补偿网络的设计及运用

在稳定电源设计中, 最常用的方法就是采用PI或PID算法来设计补偿网络。当PI调节器补偿之后, 大大地提高系统的抗高频干扰能力, 唯一的不足是动态性能差。当引入微分算法后, 会大大提高系统的响应速度, 但是也存在有一定的缺陷: (1) 额外的引入了过多的零点, 导致对高频信号的敏感程度加强, 容易造成放大器堵塞。 (2) 对应于开关纹波的放大倍数增大, 容易导致放大器进入非线性区。因此尝试选用超前滞后对补偿网络进行相关的补偿。

3.2 高性能开关型直流稳压电源的设计原理

在高性能开关型稳压电源的设计中, 其理想技术指标: (1) 输入交流电压220V (50Hz~60Hz) 。 (2) 输出直流电压5V, 输出电流3A。 (3) 输入交流屯压在180V~250V之间变化时, 输出电压相对变化量小于2%。 (4) 输出电阻R0小于0.1V。 (5) 输出最大纹波电压低于10mv。

基本工作原理:线性自流稳压电源的工作频率低, 调整管工作丁线件状态, 体积大、效率低。当调整管工作于开关状态, 体积小、效率高。开关型直流稳压电源按开关信号的产生有自激式和它激式两种, 从能量传递方式上分为电感储能和变压器耦合两大类。自激式开关型直流稳压电源, 电路简单, 电压调节范围较窄, 输出电压稳定度不高。它激式开关型直流稳压电源, 主要靠自动调整工作波形的占空比来稳定输出电压, 输出电压相当稳定。电感储能式适合在50W以下直流稳压电源中采用, 而变压器耦合式常在大功率直流稳压电源中采用。电路设有反馈误差放大环节, 根据输出电压的变化自动调节变压器原边矩形波的占空比, 从而达到稳定输出电压的目的。

4 高性能开关型直流稳压电源探究结果

从分析结果可以得出高性能开关型直流稳压电源具有如下特点: (1) 品体管是处在开关工作状态下, 功率调整管QI上的功耗很小, 对于理想的晶体管而言, 当它处于截止状态时流过晶体管Q1的电流为零:所以功耗为零。 (2) 具有较高的穿越频率, 动态响应速度较高。 (3) 低通滤波器对系统响应速度已无影响。 (4) 开环穿越频率远低于开直流电压约470V, 输出48V。电压稳定性很好, 低频纹波几乎没有稳定性为0.996, 均符合设计要求。

综上所述, 小信号模型的选择是设计高性能电源直流稳压电源的关键所在。高性能直流稳压电源的设计原理, 运用超前滞后网络补偿的原理解决了由于精度电源的纹波限制高, 输出滤波器的电感和电容值大, 构成的低通滤波器时间常数大等产生的矛盾。实践证明高性能开关型直流稳压电源技术将是一大突破, 它将更好的服务于人们的日常生活。

摘要：高性能开关型直流稳压电源是根据移相控制全桥DC/DC变换器中的小信号模型, 依据系统频域特性研究了电源性能, 按技术指标研制出来的一台样机, 经过反复的实验, 结果表明了高性能开关型直流稳压电源的实用性。本文主要着手于高性能开关型直流稳压电源的性能探究。

关键词：高性能,开关型,直流稳压电源,探究

参考文献

[1]杨明生.开关型直流稳压电源主体电路分析[J].电气开关, 2008 (4) .

[2]苏滨.工厂高压供电线路的继电保护[J].重庆交通大学学报:自然科学版, 2009 (B10) .

直流开关 篇8

混合型直流断路器能够快速切除直流输电系统中的故障,从而最大限度地减小故障对交/ 直流输电网络的冲击[1,2,3],其主要原理如图1 所示。

正常工作时,直流电流流过高速开关和辅助半导体开关串联的支路;断路器开断时,辅助半导体开关先关断,将电流转移到主半导体开关支路,待电流完全转移后分断高速开关;高速开关分闸到位后关断主半导体开关,高速开关断口将承受关断时的过压冲击。

直流系统发生短路故障后,短路电流上升很快,直流断路器需要在数毫秒内将故障切除。辅助和主半导体开关器件关断的时间是微秒级的,因此断路器开断时间主要是受高速开关的影响。

为满足高速开关分闸时间快的要求,本文研制的样机操作机构采用近年来广泛研究的电磁斥力机构。该机构的最大优点是运动速度极快,固有分闸时间为百微秒;缺点是行程较短,通常只有20 mm。其工作原理如图2 所示,预先充电的储能电容向分闸或合闸线圈放电,斥力盘因为励磁线圈上的脉冲电流产生感应涡流,涡流产生的磁场与线圈脉冲电流产生的磁场相互作用,从而推动斥力盘以及连杆运动,实现分、合闸动作。

参考文献[4-5] 通过有限元二维仿真总结了对斥力机构出力特性产生影响的因素;参考文献[6-7]分别将斥力盘等效成1 匝和多匝线圈,推导出了斥力机构的运动特性数学解析方法。这些研究都是建立在已知斥力盘和线圈等结构尺寸基础上的,并且忽略了斥力机构分闸缓冲这一重要环节。

本文在总结前面研究工作基础上,针对15 k V高速开关的斥力机构,提出了一种由理论近似计算与有限元三维仿真相结合的设计方法。采用17.5 k V、开距9 mm的真空灭弧室做为断口,结合斥力操作机构进行了样机研制,并重点关注了分闸缓冲环节的分析与测试工作。

2 理论近似计算

2.1 斥力机构结构参数

目前常见的斥力盘和励磁线圈为圆盘式形式,其结构具有轴对称性,取横截面的右半边作为研究对象,结构示意图如图3 所示。

上图中,R1、R2分别为线圈及斥力盘的内半径和外半径;h1、h2分别为线圈及斥力盘的高度;d为线圈与斥力盘初始间隙,越小越好,考虑加工精度和绝缘,取2 mm。高速开关斥力机构如运动部件质量、行程和满行程时间等的基本参数指标是已知的,需要根据这些基本参数指标来反推上图中R1、R2、h1、h2以及线圈匝数等结构参数。已知参数指标如表1 所示。

需要求解的参数如表2 所示。

2.2 参数求解

2.2.1 储能电容参数

储能电容容值C越小,斥力达到峰值的时间越短,越有利于缩短固有分闸时间。但容值降低,必须提高充电电压U才能获得所需的脉冲电流峰值,所以不能一味降低容值C。

假设斥力机构在整个分闸过程中是匀加速,根据行程s和满行程时间t1可以求出运动部件最终动能Ek。

根据相关参考文献的研究结果,电容中储存的能量只有5% ~ 10% 转化为了运动部件的动能[4,5,6,7],并且脉冲电流上升率越高转换效率η越低,这里选取η=5% 进行计算。因此:

储能电容电压U值过高会导致电容体积、成本增大,也不利于电容充电回路的设计,初步选择U =600 V。根据式(1)、(2) 可求得容值C =8 m F。

2.2.2 线圈和斥力盘参数

假设斥力峰值时间t2与电容放电脉冲电流峰值时间一致,储能电容容值C确定后,影响t2的因素只有线圈电感L1和回路阻抗Z。因回路较短,回路阻抗Z可忽略不计。

图4 为触发放电回路。

斥力达到峰值的时间t2:

Leq为线圈与斥力盘的等效电感,根据上式可求出Leq=12.7μH。将斥力盘等效为1 匝线圈,线圈电感L1与等效电感Leq耦合系数为k,有:

k越大,Leq越小,斥力盘上感应涡流越大,斥力越大。k值与线圈的外半径R2和高度h1比有关,当R2与h1之比在9 ~ 12 之间时,k值较大。这里R2与h1之比选择为10,k值约为0.9。根据式(4)可得到L1=66.74μH。

绕制线圈的扁铜带采用1.15 mm厚、11.15 mm宽的漆包线,其中铜导体厚度为1 mm,高度为10 mm,绝缘漆包层厚度为0.15 mm,保证匝间可靠绝缘。因此,h1=10 mm,R2=10×h1=100 mm。线圈扁铜带规格确定后其有效半径R3=R2-R1值与线圈匝数N和填充率τ有关:

《电感计算手册》中平面圆盘形线圈的电感计算公式:

上式中,μ0为线圈材料磁导率;d为线圈平均直径,d =R1+R2;Ψ为由比值ρ=R3/d决定的数值,查表可得,ρ=(R2-R1)/(R1+R2)。

联立公式可得线圈内径R1与线圈填充率τ的关系式如下:

根据上述关系式,当线圈缠绕的填充率τ为0.65 时,线圈内半径R1为70 mm,线圈匝数N为16 匝。通过式(6) 理论计算得到的线圈电感L1为71.42μH,与上述通过等效电感计算出的66.74μH相差6.5%。

依据电磁场理论,当高频电流在导体中流过时由于趋肤效应电流将集中在导体表面。斥力盘中感应的涡流由于趋肤效应,大部分分布在2 倍趋肤效应的渗透深度δ以内,趋肤深度δ为:

上式中,μ为斥力盘磁导率,ε为斥力盘电导率,频率,可得2δ≈ 6 mm。考虑斥力盘所需的机械强度,其厚度h2可选为10 mm。

3 有限元模型仿真

3.1 模型参数

上节中通过理论近似计算得到了斥力机构的主要参数如下表所示,采用Ansoft Maxwell有限元仿真软件按照表中的参数建立模型进行仿真[8],验证所设计的参数是否满足要求。

高速开关真空灭弧室在合闸和分闸状态时都需要提供2 000 N保持力,本文样机采用双稳态碟簧提供分合闸的保持力,其力学特性曲线如图5 所示。

如上图所示,双稳态碟簧工作在1 到3 点之间,合位时其处于1 点,并提供Fmax的合闸保持力;分位时其处于3 点,并提供-Fmax的分闸保持力。2 点为整个9 mm开距的中点位置。因此双稳态碟提供的力与位移s之间的关系可用式(9) 表达:

为减轻运动部件质量,斥力盘采用金属铝盘。仿真时忽略了安装金属结构件等的影响,建立的3D模型如图6 所示。

3.2 仿真结果

斥力操作机构运动特性的三维有限元仿真结果如图7 所示。

从仿真波形可以看出:

(1) 斥力峰值31.59 k N,达到峰值的时间为0.55 ms,比理论概算时设计值0.5 ms稍大,原因可能是仿真计算时代入的L1值较大。斥力维持的时间较短,1 ms后基本下降到0。

(2)9 mm满行程的分闸时间为2.8 ms,小于设计值3 ms,主要原因是斥力达到峰值时间变长,有效作用时间也变长,有利于速度的增加。

(3) 速度波形呈马鞍型,原因是运动部件从速度为0 开始加速阶段,斥力较大并占主导作用,速度一直持续增加;当运动部件开始运动远离线圈后,斥力下降,碟簧保持力占主导作用,并与运动方向相反,使得速度呈降低趋势;当运动部件位移超过满行程一半时,斥力已基本消失,碟簧的保持力与运动方向相同,使得速度又继续增加。满行程时的瞬时速度达到了4 m/s。

斥力操作机构的触发放电回路的电压、电流仿真波形如图8 所示。从图中可以看出,脉冲电流峰值8 k A,达到峰值时间为0.5 ms ;储能电容电压到0 后,电流通过续流二极管续流,不会对储能电容反充电。

4 样机研制测试

4.1 样机分闸弹跳分析

高速开关分闸到达额定开距后运动部件的速度仍然很高,需要进行缓冲,保证其超程和反弹在合理范围内,样机17.5 k V真空灭弧室对反弹幅值的要求是不大于2 mm。运动部件和缓冲之间是弹性撞击还是非弹性撞击,假设撞击后运动部件初速度为v2。即要求2 mm内,外部合力对金属杆做功A能够将初速度v2降至0。因运动部件质量较小可忽略,外部合力主要是碟簧的反作用力和真空泡的自闭力,碟簧作用力与自闭力方向相反,可得:

因碟簧工作在1、2、3 点,运动部件从第3 点开始回弹2 mm,碟簧做的功为阴影部分的面积。

因d A碟簧=d F×dx,可得:

自闭力做功:

图9为双稳态碟簧克服反弹做功示意图。

将式(9)、(11) 和(12) 代入式(10),可以得出反弹不超过2 mm时,碟簧峰值力Fmax、运动部件质量m和反弹初速度v2之间的函数关系:

通过上式可以看出,运动部件质量越大或者撞击后反弹初速度越大,就需要越大的碟簧保持力来控制反弹。

以样机采用碟簧Fmax=2 000 N,运动部件质量m =4 kg计算,可计算出反弹初始速度v2=1.3 m/s。即若缓冲效果不佳,使得反弹初速度v2超过1.3 m/s,现有的碟簧将无法满足反弹距离不超过2 mm的要求,甚至反弹过大可能造成分闸失败的危险。

4.2 样机运动特性测试分析

按照计算及仿真结果,研制出一台高速电磁斥力开关。因高速开关运动速度和加速度都非常大,常规如滑线变阻器原理的测速方法不适用。在对高速开关进行测试时采用了磁栅尺进行测量。该磁栅尺的最大测量频率300 k Hz,最大速度12 m/s,分辨率10μm。磁栅尺的磁带固定在绝缘拉杆上,分、合闸时可随绝缘拉杆上下运动,磁栅读数头固定在斥力开关托盘上不动。样机试验时分别使用了橡胶垫和聚氨酯两种材料作为缓冲,图10、图11是测试结果。

通过图10、图11 可以看出来,采用了橡胶垫缓冲运动部件与其碰撞后反弹最大速度大约为1.8 m/s,超过了2 mm反弹幅值要求的1.3 m/s,最终导致分闸失败。而采用聚氨脂材料缓冲,碰撞后反弹最大速度大约为1 m/s,低于1.3 m/s,反弹幅值为1.5 mm,整个9 mm满行程时间大约为2.9 ms,过冲大约为1 mm,最大分闸速度大约为3.8 m/s,分闸成功。

将仿真结果与分闸成功的实际测试结果进行了对比分析,仿真值与实测值非常接近,具体如表4所示。

5 结语

本文采用理论近似计算和有限元模型仿真,对15 k V混合型直流断路器高速开关的斥力操作机构进行了参数求解,并通过试验样机的研制和测试验证了理论近似计算和有限元仿真的可靠性。在样机测试过程中,着重关注了分闸碰撞缓冲物理过程,总结出了各物理量之间的数学关系,并通过试验证明了对碰撞缓冲分析的正确性。

在此基础上,针对高压高速开关的研制可从以下几点出发:

(1)提高真空灭弧室单断口耐压能力;

(2)通过串联方式提高整体耐压能力;

(3) 采用SF6等其他绝缘方式的断口形式;