非工频运行风力发电系统保护用大容量框架断路器电弧开断特性研究

The new technology combining permanent magnet synchronous generator and full power dual PWM converter is the development trend of the large power and grid integration wind turbine. However, for the generator side, the working frequency is variable, and the output voltage is higher, which brings the severer protection problems for the air circuit breakers (ACB).This project will focus on the simulation and experimental studies of the arc interruption characteristics under the conditions of the higher voltage, variable frequency, from the following three points: calculating the post-arc physical parameters and the critical breakdown strength properties for the non-equilibrium and multi-component air, understanding the influence of voltage and frequency on the multiple parallel contacts air arc evolution, and proposing the design principle and method for the new type arc quenching system. It aims to solve the interaction mechanism of multiple parallel contacts and three-phase air arcs, the method to restrain and evaluate the post-arc breakdown, and the optimization design of the arc quenching chamber under the conditions of the higher voltage and variable frequency. Through this project, the prospective achievements could enrich and develop the theory of air switching arc, provide scientific theoretical basis for independent innovation and performance improvement of ACB under this new application background, and serve the development of the wind power.

永磁同步发电机与全功率双PWM变流器相结合的新技术是大功率、并网型风力发电机组的发展方向，但机侧工作频率变化范围大、工作电压高，给短路保护用框架断路器提出了新的、更高要求。本项目拟围绕框架断路器在更高电压、非工频条件下的电弧开断特性这一关键科学问题，结合多物理场耦合仿真和微观、定量诊断技术，从获取弧后非平衡态、多组分空气介质的物性参数及临界击穿场强特性等基础数据，掌握电压、频率对多触头并联空气电弧演变特性的影响规律，提出新型触头灭弧系统的设计原理和方法等三个方面开展研究工作。从而解决更高电压、非工频条件下，多并联触头间及三相间电弧的相互作用机制，电弧电流过零后的弧后击穿有效抑制与评价方法，以及新型灭弧系统的优化设计等理论和关键技术问题，实现机电特性匹配。研究有助于丰富和发展空气开关电弧理论，为新的应用背景下框架断路器自主创新研发及性能提升提供科学的理论基础，有效地服务于我国风力发电的发展。

本项目面向研发应用于风力发电系统非工频工况下低压断路器高性能分断的迫切需求，结合多物理场耦合仿真和微观、定量诊断技术，开展了电弧基础数据计算和电弧演变特性仿真、新型触头灭弧系统优化设计方法等研究工作。.建立了基于三维有限元瞬态电磁耦合的电动稳定性模型和基于正弦电磁场-瞬态温度场迭代耦合的热稳定性模型，分析了多并联触头系统动热稳定性，着重研究了电流不均衡分布和侧偏滑动现象的发生规律和机理。结果表明：在相间效应和集肤效应的作用下，三相短路电流在多并联动导电杆上分布不均衡；在分布不均衡的电流的影响下，随电动斥力和接触点温度变化的接触电阻反过来起到缓解上述电流分布不均衡的作用；各动导电杆间的电动斥力距、导电斑点温度和半径分布与电流分布相近；各相外侧动导电杆侧偏和滑动力矩较大，其主要源于关于触头转轴不对称分布的侧向力。.建立了三维磁场-电场-温度场-气流场高度耦合的MHD空气电弧仿真模型，模型考虑了近极压降，栅片非线性B-H特性，整个计算区域内的涡流，多并联触头间相互影响。揭示了多并联触头系统下电弧的演变过程及机理，并分析了频率对多并联触头系统电弧演变过程的影响。在振荡回路下，对实际MCB和MCCB产品进行了非工频电流下的开断实验。结果表明：对于微型断路器，频率越高，电弧电压峰值越高；而对塑壳断路器，频率越高，电弧电压峰值越低，这主要是因为塑壳断路器灭弧室宽度较大，高频下电流的增加，很大程度的增加了弧柱横截面积，而在弧柱拉长上贡献较小。对多并联触头系统(阳极由多个并联触头组成)，随着电流的增加，阳极弧根从一个触头扩展到多个触头；多个电弧分支间的电流大小变化是一个动态过程，向趋于电流相等的方向发展，这主要是受对流作用的影响。.研究丰富和发展了空气开关电弧理论，为相关低压断路器的研发及性能提升提供了理论基础，并有效地服务于我国风力发电的发展。