研究背景

SF6氣體具有優(yōu)異的絕緣與滅弧性能，廣泛應(yīng)用于110kV及以上電壓等級(jí)系統(tǒng)中，但 SF6氣體溫室效應(yīng)、廢氣污染等問(wèn)題限制了其長(zhǎng)久使用，且國(guó)際上對(duì)低碳、減排等環(huán)保意識(shí)也在不斷增強(qiáng)，1997年《京都議定書》也明確表示將SF6列為限制排放的6種溫室氣體之一。因此，亟需尋求環(huán)保型氣體替代 SF6。

國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者針對(duì)SF6替代氣體進(jìn)行了大量研究，其研究方向主要分為三類：①混合氣體；②合成氣體；③單一常規(guī)氣體。在眾多SF6替代氣體中，CO2被認(rèn)為具有較大發(fā)展?jié)撃堋?/p>

CO2氣體雖發(fā)展?jié)撃茌^大，但其動(dòng)態(tài)介質(zhì)恢復(fù)速度依然十分緩慢，針對(duì) CO2氣體較差的介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度，本文以串聯(lián)晶閘管充當(dāng)快速導(dǎo)通換流環(huán)節(jié)、以分閘電阻充當(dāng)限流環(huán)節(jié)，提出了采用串聯(lián)晶閘管與限流電阻串聯(lián)的電流轉(zhuǎn)移提升CO2氣體斷路器動(dòng)態(tài)介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度的方法。

論文所解決的問(wèn)題及意義

綜上，針對(duì)CO2氣體較差的介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度，本文以串聯(lián)晶閘管充當(dāng)快速導(dǎo)通換流環(huán)節(jié)、以分閘電阻充當(dāng)限流環(huán)節(jié)，提出了采用串聯(lián)晶閘管與限流電阻串聯(lián)的電流轉(zhuǎn)移提升 CO2氣體斷路器動(dòng)態(tài)介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度的方法。

首先對(duì)基于電流轉(zhuǎn)移的CO2氣體斷路器結(jié)構(gòu)與工作原理進(jìn)行介紹，而后基于相關(guān)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)，利用暫態(tài)分析軟件 ATP-EMTP對(duì)基于電流轉(zhuǎn)移的CO2氣體斷路器進(jìn)行開斷仿真測(cè)試，在此基礎(chǔ)上搭建試驗(yàn)平臺(tái)對(duì)基于電流轉(zhuǎn)移的CO2氣體斷路器動(dòng)態(tài)介質(zhì)恢復(fù)特性開展試驗(yàn)研究，獲得不同提前過(guò)零時(shí)間下CO2氣體斷路器動(dòng)態(tài)介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度，討論不同提前過(guò)零時(shí)間下 CO2氣體斷路器動(dòng)態(tài)介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度增益效果，選取 “最優(yōu)”轉(zhuǎn)移電阻及相應(yīng)的“最優(yōu)”提前過(guò)零時(shí)間實(shí)現(xiàn)CO2氣體斷路器“最優(yōu)”動(dòng)態(tài)介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度。試驗(yàn)結(jié)果可為大容量CO2氣體斷路器研制奠定基礎(chǔ)。

基于電流轉(zhuǎn)移的CO2氣體斷路器試驗(yàn)樣機(jī)

論文方法及創(chuàng)新點(diǎn)

（1）提出了基于電流轉(zhuǎn)移的CO2氣體斷路器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并對(duì)其工作原理進(jìn)行分析，在CO2氣體斷路器開斷過(guò)程中，由于轉(zhuǎn)移支路在主電流過(guò)零前完成了電流轉(zhuǎn)移，即CO2氣體斷路器在電流過(guò)零前電弧熄滅，提前過(guò)零為CO2氣體斷路器創(chuàng)造了大于幾百微秒的動(dòng)態(tài)介質(zhì)恢復(fù)時(shí)間，可大大提高主電流過(guò)零后的動(dòng)態(tài)介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度，進(jìn)而提高其開斷能力。理論分析了基于電流轉(zhuǎn)移的CO2氣體斷路器的可行性。

（2）基于電磁暫態(tài)仿真軟件ATP-EMTP搭建了CO2氣體斷路器開斷仿真模型，進(jìn)行了有無(wú)電流轉(zhuǎn)移時(shí)CO2氣體斷路器開斷仿真測(cè)試。經(jīng)過(guò)仿真結(jié)果對(duì)比可知，增加電流轉(zhuǎn)移可為主開關(guān)創(chuàng)造幾百微秒介質(zhì)恢復(fù)期，可彌補(bǔ) CO2氣體斷路器較差的介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度，故仿真結(jié)果足以證明增加電流轉(zhuǎn)移可在一定程度上提高CO2氣體斷路器動(dòng)態(tài)介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度。

（3）搭建試驗(yàn)電路，對(duì)有無(wú)電流轉(zhuǎn)移時(shí)CO2氣體斷路器動(dòng)態(tài)介質(zhì)恢復(fù)特性進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了其可行性；并探究了不同轉(zhuǎn)移電阻對(duì)CO2氣體斷路器動(dòng)態(tài)介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度的影響規(guī)律，得到了200~250mΩ轉(zhuǎn)移支路電阻為“最優(yōu)”轉(zhuǎn)移電阻，CO2氣體斷路器提前過(guò)零時(shí)間 0.8~1.2ms為“最優(yōu)”提前過(guò)零時(shí)間，可實(shí)現(xiàn)CO2氣體斷路器“最優(yōu)”動(dòng)態(tài)介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度。試驗(yàn)結(jié)果可為大容量 CO2氣體斷路器研制奠定基礎(chǔ)。

結(jié)論

（1）仿真分析得到：無(wú)電流轉(zhuǎn)移時(shí)，CO2氣體斷路器在第一個(gè)過(guò)零點(diǎn)開斷失敗；增加電流轉(zhuǎn)移后，CO2氣體斷路器在電流過(guò)零前400μs轉(zhuǎn)移完成，最終開斷成功。可見(jiàn)增加電流轉(zhuǎn)移可在一定程度上提高CO2氣體斷路器動(dòng)態(tài)介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度。

（2）對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果可知，無(wú)電流轉(zhuǎn)移時(shí)，CO2氣體斷路器在電流過(guò)零后1ms其耐壓水平不足10kV；增加電流轉(zhuǎn)移后，CO2氣體斷路器動(dòng)態(tài)介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度隨提前過(guò)零時(shí)間增加逐漸增大。在電流轉(zhuǎn)移創(chuàng)造的1.2ms提前過(guò)零時(shí)間下，電流過(guò)零后1ms時(shí)其耐壓水平已達(dá)20kV以上，基本為無(wú)轉(zhuǎn)移情況2倍以上，已基本滿足一定的絕緣要求。可見(jiàn)增加電流轉(zhuǎn)移可大大提高CO2氣體斷路器動(dòng)態(tài)介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度。

（3）通過(guò)不同轉(zhuǎn)移電阻大小對(duì)CO2氣體斷路器介質(zhì)恢復(fù)特性影響，建議選取200~250mΩ轉(zhuǎn)移支路電阻為“最優(yōu)”轉(zhuǎn)移電阻，此時(shí)CO2氣體斷路器提前過(guò)零時(shí)間0.8~1.2ms為“最優(yōu)”提前過(guò)零時(shí)間，可實(shí)現(xiàn)CO2氣體斷路器“最優(yōu)”動(dòng)態(tài)介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度。試驗(yàn)結(jié)果可為大容量CO2氣體斷路器研制奠定基礎(chǔ)。

作者和團(tuán)隊(duì)介紹

程顯教授

程顯，博士，鄭州大學(xué)電氣工程學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師，河南省輸配電裝備與電氣絕緣工程技術(shù)研究中心主任。主要從事高壓斷路器開斷與電弧等離子調(diào)控技術(shù)、新型電力開關(guān)裝備開發(fā)及其高可靠性應(yīng)用等研究工作。近5年主持國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、中國(guó)博士后特別資助項(xiàng)目、國(guó)網(wǎng)公司科技項(xiàng)目子課題、河南省國(guó)際科技合作項(xiàng)目十余項(xiàng)，研究成果獲河南省科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)1項(xiàng)、河南省科學(xué)技術(shù)普及成果獎(jiǎng)1項(xiàng)河南省第四屆自然科學(xué)學(xué)術(shù)獎(jiǎng)1項(xiàng)、河南省教育廳科技成果獎(jiǎng)2項(xiàng)；發(fā)表論文70余篇(SCI、EI檢索50余篇)，獲專利授權(quán)8項(xiàng)；獲河南省優(yōu)秀博士后研究人員、河南省電機(jī)工程優(yōu)秀青年工程師、河南省高等學(xué)校青年骨干教師等榮譽(yù)多次。社會(huì)兼職包括：國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目評(píng)議人、教育部專業(yè)學(xué)位水平評(píng)估論文評(píng)價(jià)專家、中國(guó)電工技術(shù)學(xué)會(huì)等離子體及應(yīng)用專委會(huì)委員、中國(guó)真空學(xué)會(huì)《真空科學(xué)與技術(shù)學(xué)報(bào)》理事、河南省電機(jī)工程學(xué)會(huì)高電壓與輸變電專委會(huì)委員。

鄭州大學(xué)輸配電裝備與電氣絕緣科研團(tuán)隊(duì)依托河南省輸配電裝備與電氣絕緣工程技術(shù)研究中心、河南省智能電力裝備與系統(tǒng)控制工程實(shí)驗(yàn)室等研究平臺(tái)，長(zhǎng)期從事高壓智能電器、電力設(shè)備絕緣監(jiān)測(cè)、環(huán)保型開關(guān)電器、高電壓放電等離子體應(yīng)用、電弧建模與診斷、中壓直流開斷技術(shù)等方面的研究工作。現(xiàn)有教授高工1名，教授1名，副教授2名，講師2名，博士研究生2名，碩士研究生30名。近年來(lái)課題組先后獲得國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)博士后基金、國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金、河南省科技項(xiàng)目、國(guó)家電網(wǎng)科研項(xiàng)目資助。