灭弧装置（共7篇）
灭弧装置 篇1
1引言
真空断路器在电力系统中具有保护和控制双重功能,是电力系统一次设备中维护工作量最大的设备之一。据相关资料证实,开关的维修费用占用变电站总维修费用的50%以上,而且大部分用于断路器的定期检修上[1-4]。真空断路器的主要性能参数是真空度,真空度的优劣直接影响到真空开关的寿命,使用期间的耐压水平和开断能力。目前,真空开关在我国中低压领域得到了广泛的应用,灭弧室的真空度在线监测已成为工程领域的一个热门话题。
真空断路器真空度的测试方法从大的方面说, 包括离线检测和在线检测两大类。离线检测的方法较多,而且发展相对成熟,磁控放电法是其中一种重复性较好、灵敏度高的定量测量方法[5-7]。除了磁控放电法,还包括工频耐压法、吸气挤膜法、德斯拉线圈法等。在线检测由于要在不改动开关主体结构及运行状态的前提下,随时监测真空度的变化,目前国内外还无法实现真空度的直接测量。用于真空度的间接测量方法有耦合电容方法和电光变化方法[8-12]。耦合电容法是根据局部放电测量原理提出来的,若被测真空灭弧室的带电触头至中间屏蔽罩的耐压强度由于真空度降低而下降,则当工频电压从零点升至某一值时,带电触头和屏蔽罩之间的等值电容发生放电,该局部放电信号可通过位于屏蔽罩与接地箱之间的两个局部放电探头进行在线监测[13-15]。这种监测方法的主要问题是其测量的灵敏度有待于进一步验证。
结合国内外对真空度在线监测的研究成果,文献[8]研究了真空断路器屏蔽罩的电位与灭弧室内真空度关系,本文通过测量屏蔽罩的电位相对正常值和其他两相电位的变化,从而抵消了由于环境变化带来的测量误差,利用高阶数字滤波器提取工频信号和高次谐波。采用Atmel公司集成AD采集模块AVR单片机,实现了数据采集、数据分析、报警和通信等功能,实现了真空度的在线监测低成本、高灵敏度。
2真空度在线监测原理
灭弧室内真空度正常时,仅需几百伏的电压就可维持带电触头与中间屏蔽罩之间由场致发射引起的电子电流。屏蔽罩积累的负电荷使其负电压电位几乎能达到电极电压峰值; 真空断路器灭弧室真空度劣化时,灭弧室内气体密度变大,场致发射电子被气体分子吸附后成为负离子。由于负离子质量大, 漂移速度慢,使得上述电子电流减小,屏蔽罩电位降低[8]。灭弧室真空度持续劣化时,金属导杆和触头与屏蔽罩之间产生了局部放电,最后发展成电晕现象。此时屏蔽罩上的电位增加,同时伴有高次谐波信号。检测方法[7，8]就是通过监测屏蔽罩上交流电位来判断真空度的变化情况,只是受现场工频干扰的影响较大,本文通过数字滤波器提取工频信号和高频信号,消除周围噪声干扰。
搭建一套模拟真空断路器运行环境和控制真空度实验系统,设计一个简单实用的电场传感器,传感器外壳是由绝缘材料制成并且呈柱状接口,不会改变屏蔽罩和接地网之间的电场分布,其整体电气隔离特性和良好的绝缘性能满足在线监测系统可靠性与安全性,并且对真空断路器的工作性能无任何影响。该传感器探头除了包括电容部分还包括信号放大器、供电、信号传输等部分。原理如图1所示,当屏蔽罩电位绝对值降低,将引起屏蔽罩附近的电场的改变,上述过程引起电容C2和C3上电荷重新分布,通过检测信号输出端Uo的变化即可跟踪屏蔽罩Uc的变化过程,从而实现真空度的状态监测。
文献[10]对真空度在线监测时,首先进行离线实验,标定出不同型号的真空度断路器屏蔽罩的电位与真空度的关系,这种方法需要对各种断路器做离线标定实验,同时容易受到现场环境的干扰。本文叙述的在线监测装置,不需要事先标定真空断路器屏蔽罩电位与真空度的关系,对真空断路器的状态进行定性判断。安装在线监测装置后,把断路器A、B、C三相屏蔽罩电位测量值通过软件增益系数调节,调试到三相传感器信号平衡。然后根据三相屏蔽罩的电位的相互差值判断故障相,同时也记录不同时段的有效值,作为趋势比较参考。
3在线监测系统结构
真空度在线监测系统以断路器A、B、C三相耦合电容传感器的输出信号为输入,处理器采用At- mel公司生产的AVR芯片atmega32,其内部集成了8路为10位的A / D、定时器、异步串行通信接口和看门狗定时器,极大地简化了硬件结构,提高了整个系统的可靠性。监测系统能够同时监测多套开关柜,最高达到256套。计算机可实时观察到各个检测节点的动作情况,一旦有节点丢失可马上报警,保证了系统的可靠性。
3. 1监测系统的基本组成
监测系统包括智能监测单元、485网络通信单元、计算机等设备。每个开关柜需配备一个智能监测单元、三个传感器监测A、B、C三相真空开关。其中智能监测单元实现传感器数据采集、处理、故障识别诊断等功能,通过485总线方式上传数据到计算机。
智能监测单元利用AVR单片机的AD和定时器实现等间隔采样,数据采样率为3. 2kHz,每次采样间隔时间为0. 3125ms,利用采样间隔完成数字滤波器计算,实现了实时采样实时滤波功能,极大增加了抗干扰能力,消除了周围环境带来的脉冲干扰、噪音干扰等。连续采集10个周期后,计算采样数据工频信号的有效值和谐波含量,作为后面故障诊断依据。依次完成A、B、C三相数据的采集和滤波,软件体系流程如图2所示。
3. 2智能监测的软件设计
根据相关文献所述断路器工作环境干扰较大, 如果采用普通的运算放大器或者RC组成的滤波器,元件较多,参数调节复杂,并且杂散电容会大大影响滤波器特性。利用MCU自身的资源,实现数据的数字滤波,能够准确地提取信号的工频分量。常用的数字滤波器FIR滤波器和IIR滤波器,其中IIR数字滤波器因具有结构简单、占用存储空间少、运算速度快、较高的计算精度和能够用较低的阶数实现较好的选频特性等特点,得到广泛应用。这样就避免了周围环境带来的干扰,同时也降低了硬件的复杂度,可有效减小电路体积,提高电路性能。
本文根据要求设计一个10阶的切比雪夫I性带通滤波器和一个7阶高通滤波器分离工频和高频信号,其采样率3. 2kHz,带通通带频率为30 ~ 70Hz,通带衰减1dB,阻带衰减40dB。高通滤波器, 其阻带频率60Hz,通带频率90Hz。设计的数字滤波器幅频特性仿真结果如图3( a) 和图3( b) 所示。 从图中可以得出,该数字滤波器具有良好的滤波功能,提高了抗干扰能力。
为了快速实现IIR数字滤波器,把浮点型系数转换成Q16整型格式,可以大大提高MCU的计算速度,同时把滤波器系数存到SRAM区,方便计算时提取系数数据,利用采样时间间隔完成IIR数字滤波器计算,实现了实时在线分离传感器探头的工频和高频信号,提高了在线监测接地电流的灵敏度和可靠性。根据滤波后工频信号,计算工频信号和高次谐波的有效值,作为诊断真空断路器真空度的判断依据。
4真空度故障诊断
真空断路器真空度降低时,测量电场的绝对值需要准确的校准曲线,容易受到现场的干扰。本文通过测量电场的绝对值,分析出电场的相对值,采用三相不对称算法、趋势判断法、高次谐波法来判断真空度的变化情况。
4. 1三相不对称分析方法
电场传感器测量屏蔽罩上的电位,容易受到距离、环境等多方面的干扰,给每相带来不可避免的系统误差,智能监测单元通过软件增益来平衡抵消系统带来的干扰误差,使断路器三相传感器具有相同的指标参数。测量过程中,如果某相真空度降低,导致屏蔽罩电位下降或者发生局部放电导致屏蔽罩电位上升,传感器测量信号如图4(a)所示,此时该相经过上述的高阶数字滤波器提取的工频信号有效值将明显降低或者升高,三相滤波后基波有效值两两做差,得到三相之间相对差值|VArms-VBrms|、|VArms-VCrms|、|VCrms-VBrms|,假设A相故障,A相断路器传感器测量数值明显变化,则|VArms-VBrms|、|VArms-VCrms|相对差值较大,可以诊断出A相真空度发生了劣化。
4. 2趋势判断法
三相不对称分析方法采用了横向比较三相数据,而趋势判断法利用每相传感器不同时间段测量数据为依据,以此计算真空断路器真空度的变化趋势,如果一段时间内相对于另一段时间内的平均值相差较大,可以判定该相真空度发生劣化。
4. 3高次谐波方法
真空断路器真空度发生劣化,压强在0. 5 ~ 200Pa,会伴有局部放电的产生,此时局部放电信号会改变屏蔽罩对地的电场变化,传感器测量信号中会含有高次谐波,通过计算高次谐波含量,也可以作为真空度劣化程度的依据。该监测方法具有较高的灵敏度和抗干扰能力。
真空断路器漏气故障时一个漫长的过程,不是瞬间发生和消失的,监测系统利用上述真空度劣化过程出现的局部放电现象,提取传感器测量信号的高频信号作为诊断断路器的真空度,由于电力系统自身会出现偶然过电压,虽然不是真空断路器故障, 容易误诊断断路器故障,本监测系统通过连续采集20个周期内,对20个周期数据分析处理来综合判断断路器真空度状况,防止系统自身干扰发生误报, 大幅度地降低了电磁和系统过电压干扰的影响。
5试验测试结果及分析
为了验证真空度在线监测系统的可行性,利用搭建的试验模拟平台,通过真空泵将真空断路器灭弧室抽到真空10 ~ 3Pa,此时电场探头测量的波形如图4( a) 所示,该压强下灭弧室电子的平均自由程较大,不易产生气体电离,高阶数字滤波器分离的工频信号恰好达到设定参考值。随着压强的降低,灭弧室内发生局部放电,电场探头测量的波形如图5所示,此时所测量的电场由于受到放电的影响,与图4( a) 所示波形相比,有大量的高次谐波成分。随着灭弧室的压强持续增加,气体放电现象终止,此时电场探头测量的波形如图4( b) 所示,所测量的数据又恢复到正弦波,但是包含的工频信号的有效值明显降低,没有达到设定的参考值。通过上述的多种方法可以诊断出真空断路器灭弧室的真空度。
6结论
( 1) 搭建了模拟真空断路器运行的平台,测量真空度控制系统测量断路器在不同压强的屏蔽罩电位的变化。
( 2) 采用高阶数字滤波器,从电容传感器中分离出工频信号和高次谐波信号,作为诊断灭弧室真空度的依据。
( 3) 利用电场探头测试灭弧室屏蔽罩附近的电场变化,由单片机同时采集三相灭弧室屏蔽罩的电场变化情况,通过三相不对称分析方法、趋势判断法、高次谐波方法,综合诊断灭弧室内真空度的优劣,抵消了由于环境温度变化带来的测量误差,提高了系统的测量灵敏度。
( 4) 灭弧室真空度在线监测装置可以实现对设备的实时监测,对于设备出现的隐患及损坏趋势可以及时检测到,避免事故时断路器跳不开。
真空灭弧室的环保设计 篇2
众所周知, 真空灭弧室为环保产品, 本身对环境无害, 但其生产过程并非对环境无害。在世界范围内, 高技术电子产品的生产已经对环境造成了相当大的污染。据测算, 为生产一只2 g重的PC存储器芯片, 需要消耗的原材料和燃料共为1 400 g, 能耗比例为700:1。这是因为芯片的生产过程需要很高的清洁度, 需要使用非常复杂的“洁净室”制造和洁净技术。真空灭弧室的生产过程与电子产品相类似, 需要与之相当的清洁度。若使用传统技术, 真空灭弧室生产过程的能耗比为100:1。
由于真空灭弧室生产过程能耗高, 对环境不利, Areva公司对新灭弧室的研制采用了环保设计法, 不仅极大地降低了生产和研发费用, 给公司带来显著的经济效益, 而且对环境大大有利。
1 环保设计法
环保设计法贯穿于产品研制、生产和试验的全过程。
首先在项目的最初阶段就开始应用环保方法。选择的材料和元件不含有害添加物, 在产品寿命终了时易于回收, 易于进行环保处理。
1.1 研制阶段
在研发阶段, 采用模型仿真技术, 包括机械、静电、三维电动计算。通过大量使用计算机模型仿真设计方法, 大大节约了研制中初始试验和验证的费用。可减少大约10轮短路试验, 每轮可减少用电1.2万k W·h, 总共节省电能12万k W·h, 这就节省了大量资金, 如每轮节省1.5万欧元, 总共节省15万欧元。
由于对灭弧室进行了优化设计, 使之体积大大减小, 这样对不同额定等级的灭弧室都有材料节约。总的来说, 平均每个灭弧室可节省材料2.7 kg, 若以20年生产100万个计算, 可节省材料总计约2 660 t。
1.2 生产阶段
生产阶段分为3个部分:清洁或准备, 组装和密封, 老炼、检查和试验。
1.2.1 清洁或准备阶段
在清洁或准备阶段, Areva公司利用自己发明的一种环保型清洁剂, 尽量减少化学品和水的用量, 并且处理过程完全自动化 (使用计算机和机器人系统) 。这就意味着在今后的20年生产中 (生产量同前文假设) , 总用水量从近1 300万L减到700多万L, 可节省近600万L水。
1.2.2 组装和密封阶段
在组装和密封阶段, 该公司对一次封排工艺作了改进和优化, 使每个灭弧室的熔炼时间从24 h减到12 h, 使熔炼容量翻一番。又由于灭弧室重量和尺寸的减小, 使总的熔炼容量增加了2.6倍。熔炼容量的增加, 使所消耗电能大大减少。据估计, 以前生产一个真空灭弧室所耗电能为100 k W·h, 而新方法仅需60 k W·h, 在20年生产中 (生产量同前文假设) 可节省电能4 000万k W·h。
1.2.3 老炼和试验阶段
在老炼和试验阶段, Areva公司重新设计了老炼和试验部分。在高压试验时, 用氮气代替SF6作为绝缘介质。通过优化老炼和试验, 减少了总的时间和能量消耗。
2 结语
该环保设计法取得了良好的环保效果。Areva公司利用一种被称作EIME (环境信息管理系统) 的计算机工具, 分析了新产品对环境的影响, 并与原有产品作了对比, 新产品的指标大大优越老产品。
工艺过程对真空灭弧室的影响 篇3
关键词：工艺过程,真空灭弧室,工作原理,影响要素,分析和探究
1 真空灭弧室的基本工作原理
真空灭弧室, 主要由一对密封在真空中的电极构成。利用真空绝缘的特点, 真空灭弧室能够实现电路电流的导通和开断功能。其基本工作原理是:在分断电流时, 首先动定触头分离致使金属桥爆炸, 从而产生绝缘的真空电弧, 并在自生磁场的作用下, 保持电弧的扩散形态, 以保证触头的燃弧面能够均匀烧蚀, 然后在电流过零时电弧熄灭, 动定触头的熔断处会冷却凝固, 与此同时, 触头之间的等离子体也将迅速恢复, 从而保证触头能够承受快速升高的恢复电压, 实现电流的开断。
2 真空灭弧室的生产工艺过程及其影响要素
2.1 真空灭弧室的生产工艺过程
真空灭弧室的生产工艺过程及其水平, 是影响真空灭弧室与其他灭弧室具备竞争力的重要因素。通过结合陶瓷外壳真空灭弧室的制造过程, 真空灭弧室的工艺过程需要经过原材料检验、零件加工、陶瓷表面处理、部件装配与钎焊、氦质谱检、超声波清洗、一次封排和老炼测试及烘装, 以及成品综合检验等几个步骤。其中, 在对原材料进行检验时, 需要对所有真空灭弧室材料的性能和结构进行分析测量;在加工零件时, 要根据真空灭弧室的不同功能要求, 精确零件的尺寸和形状设计;在陶瓷表面的处理及清洗工作中, 需要严格控制真空灭弧室的各个零件的洁净程度;在装配与钎焊、封排外壳部件时, 则需要控制其焊缝的气密性和牢固性。在陶瓷外壳真空灭弧室的整个生产过程中, 每一个环节的生产都会对真空灭弧室的某一性能参数带来致命性的影响。因此, 通过对工艺过程中真空灭弧室的影响要素的分析, 有着极为重要的意义。
2.2 真空灭弧室的影响要素
2.2.1 真空度要素
真空度指标通常可以分为静态真空度和动态真空度。静态真空度是指真空灭弧室触头完全断开或关合后, 留在灭弧室内的真空度。而动态真空度则是触头断开或关合的过程中的真空度。为保证真空灭弧室具备高度的真空度, 前提条件是要保证静态真空度和动态真空度两者的工艺过程得到有效控制。包括原材料质量、工艺环境和排气工艺等方面的控制。
在原材料质量上, 要加强控制真空灭弧室所有的金属材料及其绝缘外壳的机械、物理和化学特性, 例如选用无氧铜时, 要控制其含氧量在0.003%以下, 在选用陶瓷外壳时, 最大限度保证其三氧化二铝的含量在90%以上。在这方面, 我公司的陶瓷外壳主要采用95瓷的三氧化二铝, 保证了真空灭弧室良好的气密性和较低的放气量。在真空灭弧室的装配、封接等工艺环境方面的控制, 应该将重点放在控制影响各种金属零件的温度及湿度上, 温度一般在20℃~25℃之间, 相对湿度控制在30%~80%左右。同时, 还应按洁净间的要求严格控制尘埃数。最后, 在控制排气工艺方面, 应该在一次封排生产过程时, 进行大量的工艺试验, 确保零部件去气彻底。
2.2.2 绝缘性能要素
在真空度控制上, 若真空度在1.33×10-3Pa以上, 会影响真空灭弧室的绝缘强度, 而当真空度在1.33×10-3Pa以下时, 则能够保证绝缘强度基本维持不变。为了保证真空灭弧室的绝缘性能, 必须将真空度控制在优于1.33×10-3Pa的水平上。在零件清洁工艺及保护措施上, 除了生产厂家的清洗, 还包括零件在运输和保存当中的清洁和保护问题。应该最大限度避免零件受到污染、损伤, 从而降低其绝缘性能。在老炼工艺方面, 通过高电压老炼、电流老炼、电容老炼和辉光放电等方式, 能够进一步提高真空灭弧室的触头、导电杆或波纹管及其他部件的质量, 保证其绝缘性能的良好。
2.2.3 导电性能要素
在影响真空灭弧室的工艺过程中, 导电性能也是主要因素之一。因此, 在控制导电性能时, 要严格要求其电流密度和回路电阻足够低, 且均匀分布。可以在了解焊缝结构和焊接要求的前提下, 选用合适的焊接工艺来实现焊缝焊料流散均匀饱满。
2.2.4 机械性能及环境耐受性能要素
除了上述几个要素之外, 工艺过程中机械性能及环境耐受性能也会对真空灭弧室造成一定影响。机械性能通常是指其机械强度和机械寿命。若真空灭弧室机械强度差, 在分合闸操作中, 极有可能导致构件无法承受机械冲击作用而变形、脱落。而环境耐受性能, 则要求真空灭弧室在制造过程中, 充分考虑制成后其耐高温低温、潮湿等气候的性能。并通过定期实行抗冲击、耐高低温等环境耐受性能的检测工作, 确保真空灭弧室的机械性能及环境耐受性能良好可靠。
3 波纹管对真空灭弧室寿命的影响
在真空灭弧室中, 波纹管通常焊接在动导电杆的外部和端盖板的内口上, 在真空灭弧室的开断过程中, 主要起到密封作用, 是真空灭弧室寿命最主要的影响因素。在选择波纹管的内外径时, 由于其内径受动导电杆粗细和导向套的限制, 外径受真空灭弧室内径、工频和冲击耐压限制, 因此, 在选用时, 应该保证外径距离瓷壳18~22 mm, 距内径6~9 mm。一般壁厚为0.14~0.18 mm, 壁厚公差为±10%。
通常在钎焊波纹管前, 要做好清洗和电镀 (镀层10~15μm) 工作, 并经过氦质谱检漏仪检验, 确定不漏后才能使用。同时, 为确保其使用寿命, 在设计波纹管的安装在合闸位置的尺寸大小时, 应该尽量保持波纹管呈自然状态, 在触头磨损中有稍微的拉伸。
4 结语
接触器磁吹灭弧技术分析 篇4
一、接触器磁吹灭弧技术的发展分析
1电弧产生的原因及接触器的灭弧装置
当接触器切断电路时, 如果电路电压不小于10V~12V、电流不小于80m A~100m A时, 在触头间隙中的自由电子以及触及阳极表面上所跑出来的电子 (阳极高温产生热电子发射) , 因受到触头间强电场强度的电场作用, 而以高速向阳极方向移动。在电弧间隙中, 不断地与气体中的原子撞击, 使分离成新的自由电子和正离子, 它们在电场及热运动的作用下, 又撞击其它原子形成电离, 这就是电弧间隙中的撞击电离, 不断撞击电离的结果使触头间隙中大量电子在电场作用下流向阳极, 这就是电弧产生和维持的原因。电弧一方面烧蚀触头, 另一方面使切断时间延长, 因此, 在开闭的过程中一定要及时消灭电弧。在接触器中灭弧装置主要是用来保证当触头断开电路时产生的电弧可靠的熄灭, 减少电弧对触头的破坏作用, 保证电气的可靠工作。通常灭弧装置采用的灭弧方式有: (1) 利用触头的回路本身电动力灭弧; (2) 磁吹灭弧; (3) 狭缝灭弧; (4) 灭弧栅片灭弧; (5) 多断口灭弧。
2磁吹灭弧
磁吹灭弧的原理在于电弧在磁场的作用下受力而产生运动, 电弧被迅速冷却, 介质强度迅速恢复, 从而使电弧熄灭。磁吹灭弧装置中获得激磁的方法有两种:一种是通过磁吹线圈灭弧, 一种是通过永久磁铁灭弧, 而磁吹线圈又分为串接激磁和并接激磁两种。
串接激磁法:主要有磁吹线圈、磁吹铁芯、导磁极板和灭弧角等组成。磁吹线圈串联在触头回路中, 通过线圈的电流就是电弧电流, 线圈电流产生磁通, 经铁芯、导磁极板两出头件形成回路, 在两触头件产生较强的磁通, 电弧在磁场中受力而运动, 很快离开触头而导致在灭弧角上拉长和冷却, 迫使电弧熄灭。其优点是磁吸力的方向不随电流的方便改变而改变, 磁吹的作用力更大;但为了得到一定的磁吹力, 就必须增加灭弧线圈的匝数, 加大触头开距, 结果是增加了铜线的消耗和增大了电器的尺寸。
并接激磁法:它的灭弧磁场强度是有独立的并激线圈产生的, 并激线圈内的电流和触头上的电弧电流无关, 优点在于能得到恒定的磁场强度, 因而无论在断开大电流或小电流都没有串激磁吹力的过多与不足;缺点是具有方向性, 即触头上的电流反方向时, 磁吹力的方向也相反, 往往引起熄灭的困难和灼伤电气零件。
永久磁铁产生灭弧磁场法, 其工作原理和并接激磁法相同, 其主要缺点是具有方向性, 但同时具有更多的优越性: (1) 无需为装置灭弧线圈而使结构复杂, 灭弧系统的机构可以简化; (2) 不受网络电压波动而影响灭弧的磁场强度; (3) 没有电能损耗; (4) 在某些结构中可以缩小触头的开距。
二、与接触器磁吹灭弧相关的国内外专利的申请趋势
1国外磁吹灭弧的发展
1970年以前美国和德国的磁吹灭弧方式发展比较迅速, 专利库中专利申请量也明显高于别的国家;在1977年至2006年之间, 关于接触器中磁吹灭弧的专利申请量和申请人数量呈现跨越式增长, 成为了磁吹灭弧专利的增长期。进入增长期后美国的申请量开始下降, 而日本却在此期间的申请量实现突增。随后, 由于磁铁优良的灭弧特性, 松下电工株式会社、欧姆龙株式会社、安电株式会社等日本申请人纷纷采用利用永磁体的磁力实现吹弧, 其研究重点也从永磁体代替线圈灭弧变换到永磁体的设置位置、永磁体磁性材料的选取等方面, 尤其是随着钡铁氧体、稀土钴永磁的出现, 降低了永磁体的成本, 为磁吹灭弧方式的发展起到了推动的作用。2006年至今成为了磁吹灭弧方式的成熟期, 越来越多的申请人将磁吹灭弧与别的灭弧方式共同作用或者减小方向对永磁灭弧的影响, 缩短灭弧时间, 保证了灭弧效果。
2中国磁吹灭弧的发展
在接触器灭弧技术领域中, 中国申请相对较少起步较晚, 但是进入21世纪后, 尤其是近几年, 国内开关电器企业对磁吹灭弧技术的研发投入, 其专利申请量开始逐年增加。可见虽然国内的磁场触头技术起步较晚, 但与国外的技术差距却在逐渐缩小。在2002年~2006年之间突飞猛进, 同时, 国外来华申请量也在激增。专利申请中磁吹灭弧的改进分为了三类, 第一类是对永久磁铁的改进, 第二类是对线圈的改进, 第三类是将磁吹灭弧与其它灭弧形式相结合。
结语
从国外磁吹灭弧的专利技术发展来看, 该技术领域的技术成熟度已经非常高, 对于国内的申请人来说, 想要绕开国外公司的专利壁垒, 开辟新的途径是比较困难的。毕竟国外的磁吹灭弧技术发展经历了一个多世纪的漫长发展周期, 而国内发展的时期都非常短, 国内与国外在该项技术上的存在一定差异。但今后该技术的发展可与其它灭弧方式共同作用。
摘要：接触器是利用电磁机构的动作来接通或者断开电路的自动控制电器, 可用于较大电流的频繁操作。接触器中灭弧装置主要是用来保证当触头断开电路时产生的电弧可靠的熄灭, 减少电弧对触头的破坏作用, 保证电气的可靠工作。本文主要以专利数据库中的检索结果为分析样本, 从专利文献的视角对接触器磁吹灭弧技术的发展进行了全面的分析, 总结了与接触器磁吹灭弧相关的国内外专利的申请趋势。
关键词：接触器,灭弧,磁吹灭弧
参考文献
[1]化学工业部人事教育司, 化学工业部教育培训中心组织.工厂电气设备[M].1997.
[2]电气电子绝缘技术手册编辑委员会.电气电子绝缘技术手册[M].北京:机械工业出版社, 2008.
灭弧装置 篇5
1 电弧现象及特点
我们通过实验观察电弧, 可以发现, 除两个极 (触头) 外, 明显的分为三个区域, 即近阴极区、近阳极区及弧柱区。近阴极区, 在电场力的作用下正离子向阴极运动, 造成此区域内聚集着大量的正离子而形成正的空间电荷层, 使阴极附近形成高电场强度;近阳极区, 在电场力的作用下自由电子向阳极运动, 它们聚集在阳极附近而且不断被阳极吸收而形成电流。在此区域内聚集着大量的电子形成负的空间电荷层。
弧柱区是电弧中温度最高亮度最强的区域。因在自由状态下近似圆柱形, 故称弧柱区。在此区中正、负电粒子数相同, 为等离子区。电弧按其外形分为长弧与短弧。电弧还可按其电流的性质分为直流电弧和交流电弧。
2 电弧产生的物理过程
当触头开断电路, 在间隙中产生电弧时, 电路仍然是导通的。这就说明已分开触头间的气体由绝缘状态变成了导电状态。其成因主要是电场力作用下的碰撞游离和高温状态下的热游离。热发射和强电场发射碰撞游离:带电粒子在电场力作用下获得动能而加速, 并以大于中性粒子的游离能的动能碰撞到气体的原子或分子 (中性粒子) , 使中性粒子分解为带电荷的自由电子和正离子。这一现象就是碰撞游离或称电场游离。
热游离:在高温时, 中性粒子由于高速热运动相互碰撞而生的游离, 叫做热游离。热游离的实质也是碰撞游离, 只不过发生碰撞的原因是高温引起的热运动, 而不是电场引起的。
金属材料表面在某些情况下能发射出自由电子, 其一为热发射:当金属的温度升高到一定值时, 其表面的电子能获得足够的动能以克服内部的吸引力从金属表面逸出成为自由电子;其二为强电场发射:当金属表面存在较高的电场强度时, 可将电子从金属表面拉出, 形成强电场发射电子。
触头间产生电弧的物理过程如下:触头刚开始分离时, 接触面积逐渐减小, 接触处的电阻越来越大, 电流密度也逐渐增大, 触头表面的温度剧增。触头表面形成热发射电子。在触头刚刚分开发生热发射的同时, 由于触头之间的距离很小, 线路电压在这很小的间隙内形成很高的电场。阴极表面形成强电场发射电子。由于这两种发射的作用, 大量电子从阴极表面进人弧隙, 它们在电场的作用下, 随着触头的分开就会不断地撞击中性气体分子, 形成碰撞游离, 产生自由电子与正离子。被游离的自由电子在电场作用下又会发生新的撞击和游离。弧隙中的中性气体就变为导电的自由电子与正离子。在电场作用下, 它们向阴极、阳极运动, 电弧形成, 电路并未断开。随着电弧形成产生的高温, 弧隙间的热游离作用越来越强, 气体中带电粒子越来越多, 电弧则完全形成了。应该注意的是, 在整个过程中几种物理作用并不是截然分开的, 而是交叉进行或同时存在的。从能量的角度来说, 电弧燃烧时要从电源不断向电弧内部输人能量, 而这个能量又不断转变为电弧的热量通过传导、对流及辐射三种方式散失。
3 灭弧方法的物理过程及原理
开关电器在分断时之所以会产生电弧, 是因为触头本身和其周围介质含有大量的可游离的电子, 要使电弧熄灭, 就必须使其间的去游离速度大于游离速度。即离子消失的速度大于离子产生和速度。
其实, 当电弧稳定燃烧时是处在热动平衡状态, 此时不可能有电子和离子的积累。这说明电弧中气体游离现象的同时还存在一个相反的过程, 也就是我们上述所说的消游离。消游离就是正、负带电粒子中和而变成中性粒子的过程。消游离的方式分两类:复合和扩散。
复合:带异性电荷的粒子相遇后相互作用中和而变成中性粒子称为复合。带电粒子运动速度是直接影响复合作用大小的重要因素。降低温度、减小电场强度可使粒子运动速度减小, 易于复合。此外, 带电粒子浓度增大时, 复合机会增多, 复合作用也可以加强。
扩散:带电粒子从电弧区转移到周围介质中去的现象称为扩散。扩散的方向一般为从高温、高浓度区向低温、低浓度区。扩散使电弧中的带电粒子减小。扩散出来的带电粒子因冷却很容易相互结合, 中和电荷而形成中性粒子。扩散速度与电弧内外浓度差、温度差成正比。电弧直径愈小, 弧区中带电粒子浓度愈大;电弧与周围介质温差愈大, 扩散速度愈大。因此, 加速电弧的冷却是提高扩散作用的有效方法。
基于上述原理, 电力系统中常用的灭弧方法有如下几种:
速拉灭弧法:在切断电路时, 迅速拉长电弧, 使触头间电场强度迅速下降, 使带电离子的复合速度加快, 从而加速电弧的熄灭, 这种灭弧方法是开关电器中普遍使用的最基本的灭弧方法, 如低压开关中的速断弹簧。
冷却灭弧法:降低电弧的温度, 可使触头间的电场减弱, 导致带电离子的复合速度加快, 也有助于电弧的熄灭。
吹弧灭弧法:利用外力吹动电弧, 使电弧加速冷却, 同时拉长电弧, 迅速降低电弧的电场强度, 从而加速电弧的熄灭。典型的吹弧方法有多种, 按吹弧的方向分, 有横吹和纵吹;按外力的性质分有气吹、油吹、电动力吹、磁吹等。
短弧灭弧法:利用金属栅片把电弧分割成若干个相互串联的短弧, 使触头间的电压不足以击穿所在栅片间维持电弧产生的电压, 从而使电弧熄灭。
狭沟灭弧法:将电弧与固体介质所形成的狭沟接触, 使电弧冷却而熄灭。同时电弧在狭缝中燃烧产生的气体使内部压力增大, 去游离作用大于游离作用, 有利于电弧熄灭, 如在熔断器的熔管中充满石英砂等。
真空灭弧法:由于真空具有较强的绝缘强度, 不存在空气游离问题。电弧就不会继续燃烧。真空断路器就是利用这个原理。
六氟化硫SF6灭弧法:SF6气体具有较强的绝缘性能和灭弧性能, 氟原子及其化合物SF6分子与自由电子的粘合作用很强, 即复合能力很强, 所以称为负电性气体。是比较理想的消游离和绝缘介质。其绝缘强度约空气的3倍, 介质复合速度是空气的100倍, 如六氟化硫断路器就是利用SF6气体作为绝缘介质的。
日前的电气设备特别是开关电器中, 往往都是根据具体情况综合运用上述灭弧方法达到迅速灭弧的目的。
结语:电弧产生的成因无外乎是电场力作用下的碰撞游离和高温状态下的热游离, 电弧中存在着游离和消游离两方面的作用。当游离作用占优势时电弧就会产生和扩大, 当消游离作用占优势时, 电弧就趋于熄灭。游离与消游离作用与许多物理因素有关, 如电场强度、温度、浓度、气体压力等。那么, 我们可以根据这些物理因素的变化影响情况, 找出一些切实可行的方法, 减小游离, 增加消游离, 使触头断开电路时产生的电弧尽快地熄灭。
参考文献
[1]曹金福.供配电技术[M].北京:化学工业出版社, 2010.[1]曹金福.供配电技术[M].北京:化学工业出版社, 2010.
灭弧装置 篇6
六氟化硫(SF6)气体无毒,具有稳定的化学性能,且绝缘和灭弧性能十分优越,长期以来被作为气体绝缘介质广泛应用于电力设备中,大大减少了电力设备的占地面积。然而,在多年的实际应用过程中也暴露出SF6气体的不足:价格相对昂贵;液化温度较低,导致其不适宜应用在高寒地区;对局部不均匀电场十分敏感;而最为突出的一个问题是SF6气体的温室效应指数(Global Warming Potential,GWP) 极高,为CO2的23 900 倍[1],而且由于其在大气层中极难降解,甚至可以保持3 200 年,对全球变暖有累积效应[2],SF6气体因而在1997 年签订的《京都议定书》中被联合国气候变化公约缔约方列为6 种限制性使用的温室气体之一。因此,寻找一种在绝缘和灭弧性能上能取代或部分取代SF6的对环境影响较小的气体来作为新的绝缘和灭弧介质并推广应用在各种高压电气设备中是电力系统发展的整体趋势,同时也已成为国内外学者在该研究领域的重点研究课题之一。
为了寻找SF6气体的优良替代气体,国内外学者对于几种有可能的SF6替代气体的绝缘和灭弧特性作了大量的研究,目前所作研究工作最多的替代气体主要有4 类:(1) 常规气体及其与SF6的混合气体,主要包括空气、CO2、SF6/CO2、N2、SF6/N2等;(2) 惰性气体(He、Ar、Xe、Kr) 及其与SF6的混合气体;(3) 全氟化碳气体(Perfluorocarbon Gas) 及其混合气体,这类气体无毒、不可燃、不可爆,同时其电气强度相比大多气体有着较大优势[3],主要包括CF4、C2F6、C3F8、c-C4F8等;(4)全氟化碳的卤代气体及其混合气体,主要是CF3I及其混合气体,其电气强度也较高,而温室效应指数却与CO2相当,且在大气层中短时间内即可分解。进入21 世纪以来,随着温室效应的不断加剧,国内外学者越发重视关于SF6的替代气体电气特性的研究,并相继开展了大量很有意义的理论分析和实验研究工作,下面主要对国内外有关SF6的替代灭弧气体电气特性的研究进展进行综述。
1 欧美国家的研究进展
德国ABB公司通过一台标准SF6高压断路器对压缩空气电弧在熄弧后的介质恢复特性进行了研究[4,5]。研究显示:
(1) 在较高的恢复电压上升率作用下开断2 k A电流时,介质在电流过零后的前100μs恢复很快,其恢复强度大致为冷态时一半的击穿强度;从100μs到1 ms则保持不变;而在10 ms后,其介质恢复强度则与冷态时击穿强度相当。
(2) 开断11 k A电流的开始阶段与2 k A时的情况相近,然而其处于平台期时的击穿强度则小得多。
德国亚琛工业大学的Pietsch教授等人多年来从事研究开关设备中由故障电弧所引起的压力升高问题。他们在2008 年提出了一种新方法来计算SF6/ 空气混合气体的故障电弧特性[6],对于研究分析不同介质下的故障电弧特性有很大帮助。
A.Lee和L.S.Frost等人将断路器在相同条件下可开断的最大电流值Ic作为比较气体或混合气体的灭弧性能的指标,做了大量的相关实验来研究SF6、SF6/N2、SF6/He、CF2CFCF3/SF6等40 余种介电常数较高的气体或混合气体介质的灭弧能力[7]。表1 中比较了SF6与15 种候选替代气体的开断能力( 以纯SF6气体在相应条件下的开断能力为基准)。研究显示:有的候选气体在经过一定比例混合后的开断能力可以达到纯SF6气体80% 的开断水平,其中较为典型的有SF6/N2(75/25)、CH4/CCl F2CF3(50/50) 和SF6/He(75/25)。
2 日韩等国的研究进展
作为《京都议定书》的倡议国和缔约国,日本对于寻找温室气体的替代气体格外重视,因此该国许多高校实验室在SF6替代气体这方面的研究也比较多。其中名古屋大学Matsumura教授等人对不同气体(H2、CO2、He、空气) 和不同电极材料对于开断能力的影响进行了实验研究[8]。实验结果表明:在以上四种气体中H2的开断性能最好;相对于不锈钢电极,使用铜电极的开断能力更好。此外,Matsumura教授等人还设计出一种新型的混合式断路器,其灭弧介质采用热击穿性能良好的气体( 如H2、He等) 和电击穿性能良好的气体( 如N2、空气等) 的组合。对于这种混合式断路器的研究表明空气/H2作为组合灭弧介质的开断性能最为优越[9]。
日本东京电机大学的Mizoguchi等人自行研制了一台模型灭弧室,并借助该设备计算出了电弧时间常数θ和电弧散能系数N,从而研究了He、空气、CO2和CF3I及其混合气体等的开断水平[10]。实验结果显示:
(1),因此可以认为CO2的开断能力在三者中最为优越。
(2)SF6的开断能力最好,其次是CO2和空气,He的开断能力最差。
(3) 纯CF3I气体的开断能力能达到相同条件下纯SF6气体的90%。然而纯CF3I气体较高的液化温度不适宜实际应用,一般需将CF3I与N2或CO2等液化温度较低的气体混合以降低其液化温度。
除了各所高校,日本的不少电气公司对于这方面也很感兴趣。如东芝公司的Nishiwaki等人[11]和Uchii等人[12]通过实验研究了SF6和CO2的弧后电流特性:
(1) 比较相同条件下弧后电流,CO2显著高于SF6。
(2) 不同时间段的电弧特性对介质开断能力的影响程度不尽相同,从熄弧尖峰出现到电流过零点这一时间段的电弧特性则起到至关重要的影响。
此外,Nishiwaki等人[11]还进一步应用CO2/O2混合气体作为替代SF6的灭弧介质设计了一台新型实验用气体断路器,并对该断路器开断水平的检测表明,在相应电压等级下,其开断能力较为理想。
三菱公司的Kokura等人[13]采用SF6/N2混合气体作为隔离开关内的灭弧介质,并利用永磁体产生的磁场驱动电弧运动的原理,以燃弧时间为指标对灭弧介质在不同条件下的开断性能进行研究。研究显示:
(1) 对于纯SF6气体,驱动磁场的加入基本不改变其开断能力。
(2) 而对于SF6/N2混合气体,加入驱动磁场后,其开断能力有所增强,且随着驱动磁场的增强,其燃弧时间明显变短。
(3) 在磁感应强度为0.59 T的驱动磁场下,开断0.8 k A电流时,采用10%SF6/90%N2混合气体作为灭弧介质的燃弧时间与采用纯SF6气体作为灭弧介质的燃弧时间基本相同。
韩国晓星公司的Song等人通过实际的170 k V/50 k A压气式气体断路器对SF6/N2混合气体进行了相关研究,并以弧隙所能承受的最大的恢复电压上升率为主要指标来衡量其开断能力。研究显示:当SF6/N2混合气体中N2的体积分数超过1/4 时,SF6/N2混合气体的开断能力几乎与同等条件下的纯SF6气体相当[14]。
3 国内的研究进展
国内许多高校和研究机构在寻找适合的SF6的替代气体方面也做了大量的研究工作,其中以研究绝缘性能为主,而近年来对于SF6替代气体灭弧性能的相关研究工作也在逐渐增多。
西安交通大学的王其平教授等人在国内较早开展了对于SF6的替代灭弧气体的电气特性的研究,并通过大量实验研究证明SF6/N2混合气体具有较好的开断能力。为了研究SF6/N2混合气体的灭弧性能,对喷口电弧提出了新的数学建模方法,并以此为基础对SF6/N2的电弧准稳态特性、动态特性以及开断性能进行了较为深入的研究[15]。研究结果表明SF6/N2混合气体的开断性能随着其中SF6的混合比例的升高而增强,60%SF6/40%N2混合气体的开断能力能达到纯SF6气体的0.8 倍左右。此外,王其平教授等人还研究了SF6/N2混合气体的电弧基本特性,指出其具有较大的电弧弧柱半径和很高的电弧能量,而当电弧电流过零后,虽然弧隙之间的电导率较大,但电弧温度却比较低。
此外,西安交通大学还设计并制造了可拆式气体模型断路器用于对SF6替代气体灭弧性能的实验研究。为了研究SF6、N2和CO2的电弧基本特性与气体压力和电弧电流等因素关系,张建等人进行了一系列实验[16]。研究结果显示:
(1) 当气体压力升高时,电弧弧柱半径和电弧电压均逐渐变大,而电弧温度则不断变低。
(2) 而当电弧电流变大时,电弧燃烧程度加剧,同时电弧弧柱半径和电弧电压也逐渐变大。
(3) 对上述三种气体的电弧基本特性进行比较,N2的电弧弧柱半径最小,其电弧电压和电弧温度在三者中是最高的,而CO2和SF6的电弧弧柱半径较大,且电弧电压和电弧温度也相对较低。
(4) 相对于N2,CO2的电弧特性与SF6更接近,因此从灭弧性能考虑CO2更有希望成为SF6的替代气体。
西安交通大学的朱凯等人以一台126 k V气体断路器样机作为实验平台,通过零区设备对不同条件下的弧后电流进行了多次测量,研究了SF6气体作为灭弧介质时的弧后电流与短路电流的预期有效值I、触头断开时的电流相位θ及设备内气体压力P等因素之间的关系。此外,他们在相同实验环境下多次实测了20%SF6/80%CF4混合气体的弧后电流特性,并提出了一个新的指标来衡量作为灭弧介质的气体的热开断性能的好坏。实验结果表明[17]:
(1) 在I和P保持不变(I =18 k A、P =0.5 MPa)的条件下,当电流相位θ变大时,弧隙的重燃概率也逐渐变大。
(2) 在θ和P保持不变(θ=80°、P=0.6 MPa) 的条件下,当短路电流的预期有效值变大时,弧后电流及弧后电流上升速率也不断变大。
(3) 在θ和I保持不变(θ=80°、I=12 k A) 的条件下,当气压P升高时,熄弧后的剩余电流逐渐变小。
(4) 熄弧后的临界电流值对于作为灭弧介质的气体的热开断能力有着极其重要的影响,因此可以考虑将熄弧后的临界电流值作为比较不同气体的热开断性能强弱的一个重要指标。
上海交通大学的黄亦斌学者[18]将电弧时间常数θ和电弧散能系数N作为表征气体灭弧性能的重要指标,自主设计、制造了一个试验设备,并在此实验平台上通过一系列实验研究了CF4气体和SF6气体的灭弧特性,测量得到了这两种气体的θ和N且对两者进行了比较,得出结论:CF4的电弧时间常数θ约为SF6的2 倍,其电弧散能系数N则约为SF6的0.8 倍,可知CF4的总体的灭弧能力劣于SF6,但二者的差距还在可接受范围内,可以考虑将CF4气体作为可能替代SF6的灭弧介质。
上海电力学院的高小飞等学者[19]采用相似的方法测量计算出c-C4F8气体及其与N2或CO2的混合气体的电弧时间常数θ以及电弧散能系数N。实验结果表明,可知c-C4F8的灭弧性能优于CO2和N2。
相关企业科研人员李武梅等人从可能的SF6替代气体中选取了Ar、CO2和N2三种气体,分析它们在直流下的电弧特性与电极开距、气体压力及气体种类等因素之间的关系,通过实验测得了不同条件下电弧的静态伏安特性[20]。研究表明,电弧对应的静态伏安特性越低,其在燃烧过程中越趋于稳定,因此静态伏安特性可在一定程度上衡量灭弧能力的强弱。根据实验结果可以得出以下结论:
(1) 在其余因素相同情况下,电弧的静态伏安特性随气体压力的升高而逐渐变高,说明其灭弧能力也随之加强。
(2) 在其余因素相同情况下,电弧的静态伏安特性随电极开距的增大而逐渐变高,表明其灭弧能力也随之变好。
(3) 从电弧的静态伏安特性考虑,Ar气体的灭弧能力不够理想,不建议选其作为灭弧介质来代替SF6;CO2和N2的灭弧能力相对较好,在高气压下CO2的灭弧能力更好,而在大开距下N2的灭弧能力则更强,考虑到在实际应用过程中更多遇到的是大电流大开距的情况,N2更有希望成为SF6的替代灭弧气体。
4 结语
对SF6替代灭弧气体电气特性的研究进展表明,该课题已逐渐成为本领域的前沿科学问题和研究热门方向,在研究高压开关技术方面较为领先的几个国家,对于较为可能的SF6替代灭弧气体的电气特性研究已取得了一定的成果,并提供了新思路。虽然鉴于我国目前的科技水平,SF6气体作为电气性能优越的绝缘和灭弧介质在各种高压电气设备中的应用地位在短期内还难以被取代,但长远看,SF6替代气体在未来应用空间应该更广阔。进一步加强对SF6替代灭弧气体的电气特性的研究,尽快寻找到具有实用价值的可代替SF6的绝缘和灭弧介质并将其应用于高压电气设备中,不仅可以极大增强我国在该领域的研究水平,对于开发相关新型的高压电器也意义重大。
摘要：由于近年来温室效应的不断加剧,探索一种能有效替代六氟化硫(SF6)且对环境友好的绝缘和灭弧气体介质已成为该研究领域的一项重要课题,分别对欧美国家、日韩等国和国内研究机构关于SF6的替代灭弧气体电气特性的研究进展进行了综述,并对比了各类替代介质相对于SF6的优缺点,指出随着国内外学者不断加大研究力度,SF6替代气体在未来应用空间应该更加广阔,也有助于新型高压电器的开发。
灭弧装置 篇7
尽管小电流接地故障不会影响电路的正常运行,但随着支线的增加,电容电流也逐渐加强。在长时间运行之后问题可以扩展成两个或更多的点而且容易形成相间短路,所以准确而快速的找到故障点是非常有必要的。提高电力供应可靠性意义重大,它能提高供电部门和用户的经济利益,维护设备,确保系统的安全运行。国内外有许多种线路选择和定位的方法。线路选择包括多种,各有局限。振幅和相位比较法在这里不使用,因为补偿电流通过消弧线圈到达故障电路。五次谐波的方法,当接地和过渡电阻非常大时,五次谐波很小,这时它将影响选择的精度。有源元件法、能量函数法和零序导纳法,如果零序电路中的电阻很小,那么通过有源元件的零序电流更小,这样很容易做出错误的选择。输入变频信号的方法,这种方法的问题是输入变频信号时很难确定什么时候使用高阻接地。而且当谐波很多时新号很容易被扰乱。即便在小电流接地系统来判断单相接地故障的方法有很多,但每个方法都有一定的局限性。因此通过消弧线圈接地系统来研究故障线路选择和中性点的定位是很有必要的。
2 通过灭弧线圈系统检测中性线接地的特点
中性点和地面之间插入电感线圈,可以补偿电容器的单相电流。感应线圈可以减少漏电故障点和自动灭弧,所以电网也称为补偿电网。中国的中压配电系统(6 kv~60千伏)是小电流接地系统,其中包括经消弧线圈的中性接地和不接地的。随着国民经济的持续发展,分配网络的增加,电力线路的增加,中性点不接地系统的电容电流日益加剧,电弧很难扑灭,并产生间隙过电压电弧,从而导致相间短路。所以中性点不接地的方法不能满足电网的要求。中性点接地的消弧线圈已广泛应用于电力系统。当发生单相接地故障,消弧线圈中的感性电流补偿电容电流以确保能扑灭电弧,并断断续续的消除间隙电弧过电压。感性电流Il与Ia的方向相反,Ia是由Ib和Ic合并而成,为了减少故障电流。当Il大比Ia,补偿的方法是在补偿消弧线圈。当小比,消弧线圈补偿是欠补偿。当Il等于Ia,接地电流接近于零,这是完全补偿方法。真正的系统一般使用过补偿,这种方式不会发生过电压的风险。使用该方法补偿,通过故障点的电流是感性电流。
3“S信号注入法”的选线和定位
在小电流接地故障线路定位方法中“S注入法”是一种完美的方法。为了说明“S信号注入法”在线路定位中的工作原理,应该首先分析TY-01型保护。
TY-01型选线和定位保护系统由两部分组成:主电路和检流器。主电路通过五条线(a,b,c,n,l)连接到PT二次侧,a,b,c三个总线连接到PT一次侧。有五个出线连接到母线。信号电流发生器注入到主机。内部电源来提供电流信号发生器的充电电池的电源。工作人员可以直接检测每个出线。
通过选择适当的电压互感器PT来确保系统的正常工作。PT的二次侧电压Uan=Ubn=Ucn=57.8 v,Uln=0 v。主机不输出电流信号。当发生单相接地故障(以A相为例),A相接地电压降到0,与此同时,B相和C相的电压提升到线电压,这是倍的相电压。PT的二次侧电压分别是,Uan=0 v,Ubn=Ucn=100 v,Uln=100 v。由于PT一次侧A相电压是短路的,二次绕组无感应电压,它就自动默认主机A相接地。线路定位的工作就完成了。然后主机自动输入一个特定频率的电流信号到PT二次侧的母线频率被设置在每个谐波上而不是电压频率的整数倍,以确保不被和它产生的高次谐波频率干扰。当工作人员用电流探测器检测出线时,电流信号消失的地方是故障点。定位工作完成。
这个定位方法适合于配电系统。因为配电系统有许多分支线,无论有多少分支线,大多数的电流输入信号将会到达故障位置,而只有少数的电流会无误的流到地面。使用这个特性,接地分支和接地点可以被准确的发现。
4 改进的“S信号注入法”和示例的模拟和证明
4.1 改进的“S信号注入法”
为消除单一频率引起的系统误差,本文采取以下措施:通过微处理器产生不同频率的信号来定位。当某一点发生故障,TY-01型将两个不同的频率的电流信号按顺序、分别的向PT的两侧输入,其中一个是基本频率,定义为f0、频率谐波在n和n+1之间,另一个基本频率,定义为f1,频率谐波在n+1和n+2之间。对这两个不同的频率电流信号进行数据采集、定位,然后将他们的结果综合比较,通过平均值来确定故障线路,信号电流输入到信号电流检测装置。
4.2 模拟和证明的例子
如今,人工手持检测器对电流信号的检测,测量点间距的选择是重点,论文选择6米作为测量点间距。为了测试了该方法的有效性,我们使用matlab建立了一个消弧线圈中性点接地系统仿真模型。仿真模型有五个不同长度的输出,线参数是:正序阻抗Z1=(0.17+j0.38)、正序容纳B1=3.045,零序阻抗Z0=(0.23+j1.72),零序容纳B0=1.884。
论文使用改进的“S信号注入法”,并选择两个输入信号频率220Hz和270Hz。当5个输出中某点出现故障,当前元件各个输出和平均值的模拟模型如表1所示。
在表1中,从两个输入频率信号得到的线路选择结果是正确的,这两个信号可以克服干扰信号的影响。因此这个故障位置可以被确定。
5 结论
在本文中,我们讨论了通过灭弧线圈系统对中性点接地故障位置的选择和定位,对“S注入法”进行了改进,通过输入双频率的电流信号来精确的对故障定位。
参考文献
[1]Sang Zaizhong,Zhang Huifen,Pan Zhencun,Etc.With the in-jection ofsmall current grounding system single-phase line selection andpositioning.Power Systems,1996,20(2):11-12.[1]Sang Zaizhong,Zhang Huifen,Pan Zhencun,Etc.With the in-jection ofsmall current grounding system single-phase line selection andpositioning.Power Systems,1996,20(2):11-12.