直流电力系统应用日益广泛,短路故障所引发的问题愈发凸显。直流短路故障电流上升速度快且缺乏自然过零点,其产生的瞬态大电流对电力设备具有极大危害,对开关的分断速度提出了更高要求。为此,提出一种基于压电执行机构的快速机械开关(PA-FMS)结构,采用混合式开关方案,实现快速直流开断。针对压电执行机构的工作特性,设计恒流驱动电路;通过电路参数优化,减小动触头的过冲和回弹。构建混合式直流断路器实验系统,测试结果表明,混合式直流断路器的故障电流转移时间约为200 μs,全开断时间<800 μs。
欠压脱扣器作为塑壳式断路器(MCCB)的关键附件,在电源电压异常下降时能可靠分断断路器,对线路和设备起到重要保护作用。针对传统自吸式和助吸式欠压脱扣器在高温环境下存在动作可靠性不足的问题,详细阐述了自吸式欠压脱扣器的结构设计要点,并基于Ansys软件对其动态特性进行了深入仿真分析。通过仿真与试验相结合的方法对设计方案进行了有效验证。结果表明,优化后的欠压脱扣器显著提升了在高温等严苛条件下的动作可靠性,从而有效提高了MCCB的欠压保护性能。
连接器的密封性能是评估其可靠性的关键指标,而大多数连接器密封性能主要依赖橡胶件过盈配合完成设计。以氟硅橡胶标准件为基础,开展基于失效物理和质量一致性的可靠性预计方法研究。首先,研究电连接器中橡胶件的典型失效机理,建立失效物理模型;然后,利用标准件研究材料、结构、工艺参数与失效物理模型中系数之间的数学关系,建立迁移模型;最后,在典型应力下开展加速退化试验,验证所提方法的有效性。通过验证,所提模型能够准确建立不同规格的橡胶件失效物理模型,平均精度高达90%。
随着大量非线性负荷接入电力系统,电能质量问题日益突出,传统电力变压器已无法满足现代电力系统的需求。推挽型电力电子变压器(PET)具有电压隔离、功率因数校正、网侧谐波滤除等改善电能质量的作用。通过拓扑结构推导出推挽型电力电子变压器的数学模型、传递函数和控制策略,并通过MATLAB/Simulink软件进行仿真研究。试验结果表明推挽型PET具有调节电能质量的作用。
变电站数字化转型是新型电力系统建设的必然趋势。从宏观角度整体阐述变电站数字化系统的建设方案。首先,在基础层,汇集现有站内在线监测数据及新增传感器采集数据,建立数据资源池;在传输层,搭建融合宽、窄带及定位信息的统一数据传输网络,同时对所有数据进行规则化治理,构建设备与遥信、遥测、遥脉、告警信息的关联关系,以供上层应用调取;在应用层,针对站内运维、检修业务,建立智能化运维和精益化检修平台,促进日常运检业务的人工替代。然后,针对站内重点设备搭建智能诊断平台,实现对设备状态的诊断和故障分析,进而实现对设备全寿命周期的管理。最后,在管控层,打通向上信息汇集和向下现场管控的通路,提高对作业现场的管控能力。最终建成一套实用、有效的变电站数字化系统,为今后变电站的数字化转型建设提供有益借鉴。
2P DC 2 000 V框架隔离开关适用于新一代的新能源系统。针对DC 2 000 V框架隔离开关设计,在主弧触头的强制隔离上,通过增加绝缘件,将电弧集中于弧触头,提升分断能力;在触头时序可靠控制方面,依据不同电流下弧柱电压和残余电压关系,确定合适时序差,同时考虑触头磨损影响,保证电弧可靠熄灭;结合高电压动态绝缘仿真和直流弧压精控计算,精确保证产品的可靠性。经过试验验证,新的2P DC 2 000 V框架隔离开关符合新老标准要求。
能否可靠地分断临界电流是衡量低压断路器性能的一个重要指标。由于2P DC 2 000 V万能式断路器在64 A的临界电流下燃弧时间超过1 s,无法通过试验,所以对影响临界电流试验的各个因素进行试验分析。结果发现,产气材料PA的产气效果最佳且去游离效果好;动静触头间的开距从45 mm增加到60 mm可拉长电弧,起到拉断小电流的直流电弧和提高弧压的效果,同时将窄缝的宽度调整为10 mm时,可以使产品通过临界电流试验。在此基础上进一步修改,最终使产品达到其他性能指标要求。
为进一步提高低压直流微电网短路故障检测的灵敏性与可靠性,提出一种基于电压、电流多尺度小波变换的短路故障早期检测方法。基于最小二乘前置滤波,充分考虑电压、电流短路故障奇异性,以第四层小波分解细节分量构建短路故障早期检测判据。实验结果表明,所提检测方法对过渡电阻不敏感。过渡电阻较小时能够在0.5 ms内快速检测出短路故障,过渡电阻较大时能够在0.6 ms内可靠检测出短路故障,同时能够有效避免负载频繁投切等干扰工况的影响,具有更好的灵敏性与可靠性。
针对某双断点塑壳断路器(MCCB)进行有效值为8 000 A的短路过载试验,对出现的触头烧蚀故障进行了分析。首先对电动力进行理论计算,再利用Maxwell 3D有限元分析软件,结合Holm力计算公式,对双断点MCCB的电动斥力进行计算。两种计算结果趋势一致,通过对比给出触头烧蚀的原因。仿真计算结果与触头压力实测值的误差不超过8%,所用计算方法可为MCCB触头系统的设计和优化提供参考。
新型电力系统电-碳-绿证市场面临交易标的物不一致、交易核算不统一、交易信息不共享等问题,采用区块链技术能很好地解决上述问题。基于区块链技术研究电-碳-绿证市场协同运行技术。首先,对“电-证-碳”市场协同关系进行深度剖析;其次,利用区块链构建统一的积分认证机制,以衔接电-碳-绿证市场之间的交易标的物,结合区块链智能合约、共识机制构建电-碳-绿证溯源模型,确保交易的透明性及各参与方间数据一致性;最后,通过实验对电-碳-绿证溯源性及区块链的共识性能等进行验证,结果证明了市场体系的有效性。
热双金属片作为小型直流断路器热脱扣器的核心零件,其动作特性决定着小型直流断路器热过载动作的稳定性。为了解小型直流断路器热双金属片的动作特性,以10 A和16 A小型直流断路器用热脱扣器为研究对象,提出一种针对热双金属片温升、挠度和热推力的测量方法,并将实测值与理论计算值进行对比,实测值略低于理论计算值,两者挠度误差率在6.70%以内,热推力误差率在8.60%以内。同时,基于10 A和16 A试验温升实测值,计算10 A和16 A小型直流断路器用热脱扣器的综合散热系数KT分别为9 W/(m2·K)和13 W/(m2·K)。KT的准确测量为小型直流断路器理论计算提供了关键参数。
针对电磁干扰(EMI)滤波器灌胶后滤波效果变差的问题,首先建立综合考虑电场耦合和磁场耦合的滤波器近场耦合等效模型,并对磁元件灌胶前后近场耦合等效参数进行提取,结果表明灌胶会影响滤波器的自寄生效应和磁元件间的近场耦合效应。其次,对灌胶前后滤波器磁元件的近场耦合等效参数进行敏感性分析,结果表明灌胶前后滤波器插入电压增益变化主要由受近场耦合影响大的磁元件近场耦合等效电容参数变化引起,进一步明确了灌胶对磁元件近场耦合的影响机理。最后,提出部分灌胶方法改进传导EMI噪声,实验验证了部分灌胶的有效性。
基于热传导微分方程、流体运动控制方程及理想气体方程,采用内热源方式将电弧功率加载至流体运动控制方程,建立开关柜电缆室燃弧压力计算的数值模型。在电缆室接线铜排处发生燃弧故障时,对电缆室三维气流场进行数值计算,指出燃弧初期电缆室内的压力升分布规律及压力冲击波的传播特性。最后,基于GB/T 3906—2020对产品进行了40 kA、1 s的内燃弧试验,结果表明压力场数值计算结果和试验结果较为吻合,误差满足工程实际需求,为后续同类产品的设计及优化提供了理论支撑与设计参考。
开关电容降压拓扑具有效率高、无须电感、体积小等优点,通过与Buck变换器串联,可实现高降压比恒压输出。分析级联拓扑工作原理,在同一工作频率下,通过开关管的复用可以进一步减少开关器件数量,形成混合降压拓扑结构,实现变换器小型化。所提拓扑可以显著提升降压电路占空比,适用于高降压比应用领域。经实验,结果验证了理论分析的正确性。
智能塑壳断路器(MCCB)中的电流互感器(CT)不仅用于采集电流信号,而且为电子脱扣器提供能量。如果设计不合理,其在小电流下供能不足或者带载阻抗较大,就会导致磁芯饱和并引起二次侧电流畸变,进而引起测量误差。针对上述问题,以额定电流63 A智能塑壳断路器为研究对象,从理论上推导满足测量和取能要求的电流互感器匝数范围,通过Ansys仿真分析确定最优匝数,并在二次侧加入MOS管,采用PWM方式控制负载侧电压。仿真和实验结果表明,所设计的电流互感器能够在0.4In~10.0In电流范围内,带载等效阻抗为1 kΩ的负载输出波形不失真,在全电流范围内既保证测量精度又满足供能要求。
针对DC 1 000 V船用大容量两断口直流断路器的设计,通过增加触头开距、引入带产气功能的窄缝灭弧技术及磁吹技术等,对大容量两断口直流断路器进行改进与优化,并进行试验验证。结果表明,改进优化的大容量两断口直流断路器样机能够有效解决40 kA短路分断和临界负载电流分断燃弧时间较长的问题,而且能够应对在高电压与大电流应用场合中,采用多极并联再串联技术所导致的大容量直流断路器体积庞大、功耗高、接线复杂等工程实际应用问题。
电力电容器接入线路会产生200倍额定电流以上的合闸涌流,带限流电阻的切换电容接触器常用于抑制合闸涌流。为了优化抑制效果,通过随机抑制涌流实验研究电容器组投入时的合闸涌流波形,定义了一、二次合闸涌流。在同一台切换电容接触器更换3种不同阻值的限流电阻,投切相同容量的电容器组获取抑制涌流波形。研究发现,限流电阻值过小则一次涌流会超出应用要求,限流电阻值过大则二次涌流会超出应用要求,但选取合适的限流电阻值可使对一、二次涌流的抑制达到预期效果。为切换电容接触器的检验、选型以及限流电阻值的确定提供参考。
CLLC变换器因其宽电压增益范围且易实现软开关的优点被广泛应用于新能源功率变换系统中。然而,其设计广泛使用的基波近似法在远离谐振点时存在较大误差,因此从谐振腔电流优化的角度提出一种基于时域模型的CLLC变换器参数设计方法。首先,基于时域模型分析变换器的电压增益及谐振腔电流特性,并提出一种特征阻抗与谐振电流的约束函数。然后,以增益、模式边界及零电压开关(ZVS)条件进行约束得到参数设计域,并用约束函数在区域内获得优化设计点。最后,通过所设计的1 kW实验样机验证了所提方法的可行性,样机峰值效率达到97.48%。
