一种基于多维度分析的真空灭弧室设计方法

1.本发明涉及真空灭弧室的技术领域，尤其涉及一种基于多维度分析的真空灭弧室设计方法。


背景技术：

2.基于换流变压器因极高的可靠性及高技术性能要求，对真空灭弧室的设计与制造提出了更高的要求。
3.从产品电寿命、机械寿命、型式试验等方面分析，真空灭弧室的开发存在以下几方面设计难点：难点1：额定电压6kv、额定电流1300a条件下，电寿命要求高达36万次。难点2：额定开距5.5mm下的机械寿命要求高达150万次，且机械寿命试验条件苛刻1次/5s。难点3：型式试验条件严苛，试验难度巨大。产品因长的电寿命、长的机械寿命，苛刻的型式试验条件及产品使用场合的特殊性，对真空灭弧室的可靠性要求极高。产品从结构设计、性能参数、材料特性、工艺保障等多方面有待突破。


技术实现要素：

4.本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本技术的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
5.鉴于上述现有存在的问题，提出了本发明。
6.为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案，包括：分别对西门子单节瓷壳灭弧室、西门子双节瓷壳灭弧室、宝光股份单节瓷壳灭弧室和宝光股份双节瓷壳灭弧室进行电场计算，并通过施加电压分别进行灭弧室电场仿真；根据电场计算结果和仿真结果从选取真空灭弧室，并通过计算参数对真空灭弧室进行总装设计；设置限值，对真空灭弧室进行x射线试验，若试验结果不满足限值要求，则调节辐射仪器的读数，直至满足要求。
7.作为本发明所述的基于多维度分析的真空灭弧室设计方法的一种优选方案，其中：电场计算包括：静端加20kv高压时各灭弧室的最强电场和位置分别为：西门子单节瓷壳灭弧室：8.8453e 6v/m，动触头边缘；宝光股份单节瓷壳灭弧室：7.7360e 6v/m，动触头边缘；西门子双节瓷壳灭弧室：1.6024e 7v/m，静瓷封；宝光股份双节瓷壳灭弧室：1.0270e 7v/m，动瓷封；动端加20kv高压时各灭弧室的最强电场和位置分别为：西门子单节瓷壳灭弧室：8.8460e 6v/m，动触头边缘；宝光股份单节瓷壳灭弧室：7.7370e 6v/m，动触头边缘；西门子双节瓷壳灭弧室：1.4648e 7v/m，动瓷封；宝光股份双节瓷壳灭弧室：7.7837e 6v/m，动瓷封。
8.作为本发明所述的基于多维度分析的真空灭弧室设计方法的一种优选方案，其中：包括：分别在静端加60kv高压、动端加60kv高压，进行灭弧室电场仿真，获得电场分布。
9.作为本发明所述的基于多维度分析的真空灭弧室设计方法的一种优选方案，其中：总装设计包括触头设计、屏蔽系统设计、波纹管设计和瓷壳设计；其中，触头的材质为铜
铬合金，波纹管材料选择316l。
10.作为本发明所述的基于多维度分析的真空灭弧室设计方法的一种优选方案，其中：包括：加工工艺：薄壁焊管液压成型。
11.作为本发明所述的基于多维度分析的真空灭弧室设计方法的一种优选方案，其中：x射线试验包括：将真空灭弧室安装于试验定位支架，触头分离在规定的最小触头间距且辐射仪器就位，在触头的两端施加额定电压ur，经过最短15s后，读取辐射仪器的辐射水平；将触头两端的电压升高到额定工频耐受电压ud，经过最短15s后，读取辐射仪器上的辐射水平。
12.作为本发明所述的基于多维度分析的真空灭弧室设计方法的一种优选方案，其中：限值要求包括：真空灭弧室发出的x射线不超过下述限值：在额定电压ur下1m处的每小时5μsv；在额定工频耐受电压ud下1m处的每小时150μsv。
13.作为本发明所述的基于多维度分析的真空灭弧室设计方法的一种优选方案，其中：包括：辐射仪器的传感元件位于分离的触头平面内且距真空灭弧室最近的外表面1m处。
14.作为本发明所述的基于多维度分析的真空灭弧室设计方法的一种优选方案，其中：包括：若试验结果不满足限值要求且电气安全要求辐射仪器位于超过1m的距离处时，根据平方反比法则调节辐射仪器的读数r(1m)，如下式：
15.r(1m)＝r(d)
·
d216.其中，r(d)为距离真空灭弧室表面d处测量的辐射水平。
17.本发明的有益效果：本发明从电场分析、材料性能分析、波纹管寿命分析、工艺性能分析等多个维度进行分析，为真空灭弧室设计提供依据，设计的真空灭弧室满足高技术性能要求。
附图说明
18.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
19.图1为本发明第一个实施例所述的基于多维度分析的真空灭弧室设计方法的xmz-d静端加高压60kv的灭弧室电场仿真结果示意图；
20.图2为本发明第一个实施例所述的基于多维度分析的真空灭弧室设计方法的xmz-d动端加高压60kv的灭弧室电场仿真结果示意图；
21.图3为本发明第一个实施例所述的基于多维度分析的真空灭弧室设计方法的bg-d静端加高压60kv的灭弧室电场仿真结果示意图；
22.图4为本发明第一个实施例所述的基于多维度分析的真空灭弧室设计方法的bg-d动端加高压60kv的灭弧室电场仿真结果示意图；
23.图5为本发明第一个实施例所述的基于多维度分析的真空灭弧室设计方法的xmz-s静端加高压60kv的灭弧室电场仿真结果示意图；
24.图6为本发明第一个实施例所述的基于多维度分析的真空灭弧室设计方法的xmz-s动端加高压60kv的灭弧室电场仿真结果示意图；
25.图7为本发明第一个实施例所述的基于多维度分析的真空灭弧室设计方法的bg-s静端加高压60kv的灭弧室电场仿真结果示意图；
26.图8为本发明第一个实施例所述的基于多维度分析的真空灭弧室设计方法的bg-s动端加高压60kv的灭弧室电场仿真结果示意图；
27.图9为本发明第一个实施例所述的基于多维度分析的真空灭弧室设计方法的真空灭弧室x射线辐射仪器的位置示意图。
具体实施方式
28.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明的保护的范围。
29.在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
30.其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
31.本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
32.同时在本发明的描述中，需要说明的是，术语中的“上、下、内和外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一、第二或第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
33.本发明中除非另有明确的规定和限定，术语“安装、相连、连接”应做广义理解，例如：可以是固定连接、可拆卸连接或一体式连接；同样可以是机械连接、电连接或直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，也可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
34.实施例1
35.参照图1～9，为本发明的第一个实施例，该实施例提供了一种基于多维度分析的真空灭弧室设计方法，包括：
36.s1：分别对西门子单节瓷壳灭弧室(xmz-d)、西门子双节瓷壳灭弧室(xmz-s)、宝光股份单节瓷壳灭弧室(bg-d)和宝光股份双节瓷壳灭弧室(bg-s)进行电场计算，并通过施加电压分别进行灭弧室电场仿真。
37.(1)电场计算的结果如表1所示。
38.表1：4种类型的灭弧室电场计算结果对比。
[0039][0040]
由上表可见，1)单节瓷壳灭弧室电场最强点虽然小，但电场不均匀，实际产品的绝缘能力较差；
[0041]
2)宝光双节瓷壳灭弧室电场最强点数值小于西门子双节瓷壳灭弧室。
[0042]
进一步的，分别在静端加60kv高压、动端加60kv高压，进行灭弧室电场仿真，仿真结果如图1～8所示，结合仿真结果获得电场分布，如表2所示。
[0043]
表2：电场最强点对比——冲击60kv计算结果。
[0044][0045]
s2：根据电场计算结果和仿真结果从选取真空灭弧室，并通过计算参数对真空灭弧室进行总装设计。
[0046]
根据电场计算结果和仿真结果，可得：
[0047]
(1)宝光双节瓷壳的电场分布均匀，满足使用在变压器油中。
[0048]
(2)一节瓷壳的灭弧室，内部场强分布不均，动导杆对应屏蔽筒收口处的电场集中，动导杆较长，在偏斜的情况下，此处可能会出现击穿的情况，宝光的实际经验这种结构绝缘水平适合低电压场合。
[0049]
(3)两节瓷壳的灭弧室，电场分布对称较为均匀，虽然两节瓷壳动静瓷封场强较一节瓷壳强，实际经验该结构绝缘水平较好，但都满足使用用于油中。
[0050]
因此，本实施例选取宝光股份双节瓷壳灭弧室作为真空灭弧室，进一步的，对真空灭弧室进行总装设计，总装设计包括触头设计、屏蔽系统设计、波纹管设计和瓷壳设计；
[0051]
(1)触头设计
[0052]
表3：电场最强点对比。
[0053][0054]
依据项目组对灭弧室在换流变有载分接开关的使用工况，对截流值的要求不高，因此触头的材质使用铜铬合金更适合。
[0055]
(2)屏蔽系统设计
[0056]
屏蔽系统选取宝光双节瓷壳均压屏蔽系统。
[0057]
(3)波纹管设计
[0058]
表4：4种形式波纹管性能对比。
[0059]
材料牌号抗点腐蚀抗晶间腐蚀碳化物析出焊机性能耐高温性能304一般一般一般一般一般304l一般好少好好316好好少好好316l优优少优优
[0060]
因此，波纹管材料选择316l；加工工艺：薄壁焊管液压成型。
[0061]
(4)瓷壳设计
[0062]
瓷壳型号选取该瓷壳较长，有利于高频次开断。
[0063]
s3：设置限值，对真空灭弧室进行x射线试验，若试验结果不满足限值要求，则调节辐射仪器的读数，直至满足要求。
[0064]
(1)x射线试验
[0065]
①
将真空灭弧室安装于试验定位支架，触头分离在规定的最小触头间距且辐射仪
器就位，在触头的两端施加额定电压ur，经过最短15s后，读取辐射仪器的辐射水平；
[0066]
②
将触头两端的电压升高到额定工频耐受电压ud，经过最短15s后，读取辐射仪器上的辐射水平。
[0067]
其中，辐射仪器的传感元件位于分离的触头平面内且距真空灭弧室最近的外表面1m处，如图9所示。
[0068]
(2)设置限值
[0069]
真空灭弧室发出的x射线不超过下述限值：
[0070]
①
在额定电压ur下1m处的每小时5μsv；
[0071]
②
在额定工频耐受电压ud下1m处的每小时150μsv。
[0072]
若试验结果不满足限值要求且电气安全要求辐射仪器位于超过1m的距离处时，根据平方反比法则调节辐射仪器的读数r(1m)，如下式：
[0073]
r(1m)＝r(d)
·
d2[0074]
其中，r(d)为距离真空灭弧室表面d处测量的辐射水平。
[0075]
实施例2
[0076]
为了对本方法中采用的技术效果加以验证说明，本实施例对设计的真空灭弧室进行试验检测，以验证本方法所具有的真实效果。
[0077]
(1)触头自闭力和触头反力测量
[0078]
试验方法：将产品静端垂直固定在测试台上，用测力机测量触头刚分离时的力和达到触头开距额定值时的力。测量时产品动端向下拉，则测量值加上运动部分的重力；测量时产品动端向上拉，测量值减去运动部分的重力即为触头自闭力和触头反力。
[0079]
(2)内部气体压力测量及允许储存期检查
[0080]
内部气体压力测量：采用脉冲式磁控真空计测量。
[0081]
允许储存期检查：采用贮存期加压检测法，即排气后的真空灭弧室，放入压力容器内,在一定气体压力下保持规定的时间，再利用脉冲磁控真空计测量真空灭弧室内部气体压力。
[0082]
jb/t8738-2008行业标准要求出厂检测内部气体压力应低于1.33x10-3
pa，真空灭弧室的允许贮存期为20年，在允许贮存期内，真空灭弧室的内部气体压力应低于6.6x10-2
pa；为了保障产品可靠性，宝光真空灭弧室出厂气体压力按照低于5.0x10-4
pa控制，远高于行业标准要求。
[0083]
(3)短时工频耐受电压试验
[0084]
依据gb/t16927.1-2011中第6条交流电压试验要求执行。
[0085]
试验电压：
[0086]
试验电压一般应是频率为45hz-55hz的交流电压，通常称为工频试验电压。
[0087]
试验电压的波形应为近似正弦波，且正半波峰值与负半波峰值的幅值差应小于2％。若正弦波的峰值与有效值之比在以内，则认为高压试验结果不受波形畸变的影响。
[0088]
试验电压的产生：
[0089]
①
试验波形：试验电压一般用升压试验变压器产生，也可以用串联谐振或并联谐振回路产生。
[0090]
试验回路的电压应足够稳定。不致受泄露电流变化的影响。试品上非破坏性放电不应使试验电压降低过多及维持时间过长以致明显影响试品上破坏放电电压的测量值。
[0091]
在非破坏性放电的情况下，除有关技术委员会另有规定，只要表明试验电压值在相应放电放生后的几个周期时间内变化不超过5％，并且非破坏性放电期间瞬时电压降不超过电压峰值的20％，则认为耐压试验通过。试验回路的特性必须满足上述要求，它与试验类型(干试验、湿试验)、试验电压水平和试品性能有关。
[0092]
试品和所有外接电容的总电容量应足以确保测得的破坏性放电电压不受试品非破坏性局部放电或预放电的影响。通常，总电容量在0.5nf-1.0nf范围内就足够了。
[0093]
②
试验电压的测量：试验电压值，方均根(有效)值和瞬态电压降的测量应采用经gb/t16927.2规定程序认可的测量系统。
[0094]
③
试验电流的测量：通常使用接在试品地线上的传统的电流互感器测量试品电流，也可在试品高压引线上来侧取。应使用校准过的测量系统进行电流测量。
[0095]
试验程序：按照gb/t 16927.1-2011标准中的6.3条的6.3.1条：耐受电压试验执行。
[0096]
耐受电压试验：
[0097]
对试品施加电压时，应当从足够低的数值开始，以防止操作瞬变过程引起的过电压的影响；然而应缓慢地升高电压，以便能在仪表上准确读数。但也不能生得太慢，以免造成在接近试验电压u时耐压时间过长。若试验电压值从达到75％u时以2％u/s的速率上升，一般可满足上述要求。试验电压应保持规定时间，然后迅速降低，但不得突然切断，以免可能出现瞬变过程而导致故障或造成不正确的试验结果。
[0098]
试验电压施加时间由有关技术委员会规定，并且在频率为45hz-55hz范围内与频率无关。如果有关技术委员会未规定试验电压的施加时间，则耐受试验的持续时间为60s。
[0099]
如果试品上无破坏性放电发生，则满足耐受试验要求。
[0100]
(4)雷电冲击耐受电压试验
[0101]
依据gb/t16927.1-2011中第7条雷电冲击电压试验要求执行。
[0102]
试验电压：标准雷电冲击电压，即波前时间t1为1.2μs，半波峰值时间t2为50μs的光滑的雷电冲击全波，一般表示为1.2/50μs冲击；
[0103]
试验电压的产生：试验电压一般由冲击电压发生器产生，冲击电压发生器主要由许多电容器组成，电容器先由直流电源并联充电，然后串联对包含试品在内的回路放电。
[0104]
试验程序：按照gb/t 16927.1-2011标准中的7.3条的7.3.1.2条：耐受电压试验程序b执行。
[0105]
对试品施加15次具有规定波形和极性的耐受电压，如果在自恢复绝缘上发生不超过2次破坏性放电，且按有关技术委员会规定的检测方法确定非自恢复绝缘上无损伤，则认为通过试验，除非有关技术委员会另有规定，试验程序应按如下规定进行：
[0106]
①
冲击次数至少15次；
[0107]
②
非自恢复绝缘上不应出现破坏性放电；如不能证实，可通过在最后一次破坏性放电后连续施加3次冲击耐受来确认；
[0108]
③
破坏性放电的次数不应超过2次(此次数是指从第1次施加冲击至最后1次施加冲击的合计的破坏性放电次数，且仅发生在自恢复绝缘上)；
[0109]
④
如果在第13次至第15次冲击中发生1次破坏性放电，则在放电发生后连续追加3次冲击(总冲击次数最多18次)；如果在追加的3次冲击中没有再发生破坏性放电，则认为试品通过试验。
[0110]
(5)环境试验
[0111]
试验规则：试验经过以下4类环境试验后，在正常大气条件下静置2h后进行检查，不应有机械损伤、锈蚀，工频耐受电压测试应合格，产品外观应符合产品外观要求。
[0112]
表5：真空灭弧室环境试验试验项目及严酷程度。
[0113][0114][0115]
结合(1)～(5)的检测项目，获得的真空灭弧室试验结果如表6所示。
[0116]
表6：真空灭弧室试验结果。
[0117]
试验检测项目检测标准检测结果自闭力80
±
40n合格反力100
±
40n合格真空度(内部气体压力测量及允许储存期检查)5.0e10-4
pa合格短时(1min)工频耐受电压20kv合格雷电冲击耐受电压60kv合格环境试验按照标准检测合格
[0118]
可见，本方法设计的真空灭弧室符合要求。
[0119]
应当认识到，本发明的实施例可以由计算机硬件、硬件和软件的组合、或者通过存储在非暂时性计算机可读存储器中的计算机指令来实现或实施。所述方法可以使用标准编程技术-包括配置有计算机程序的非暂时性计算机可读存储介质在计算机程序中实现，其
中如此配置的存储介质使得计算机以特定和预定义的方式操作——根据在具体实施例中描述的方法和附图。每个程序可以以高级过程或面向对象的编程语言来实现以与计算机系统通信。然而，若需要，该程序可以以汇编或机器语言实现。在任何情况下，该语言可以是编译或解释的语言。此外，为此目的该程序能够在编程的专用集成电路上运行。
[0120]
此外，可按任何合适的顺序来执行本文描述的过程的操作，除非本文另外指示或以其他方式明显地与上下文矛盾。本文描述的过程(或变型和/或其组合)可在配置有可执行指令的一个或多个计算机系统的控制下执行，并且可作为共同地在一个或多个处理器上执行的代码(例如，可执行指令、一个或多个计算机程序或一个或多个应用)、由硬件或其组合来实现。所述计算机程序包括可由一个或多个处理器执行的多个指令。
[0121]
进一步，所述方法可以在可操作地连接至合适的任何类型的计算平台中实现，包括但不限于个人电脑、迷你计算机、主框架、工作站、网络或分布式计算环境、单独的或集成的计算机平台、或者与带电粒子工具或其它成像装置通信等等。本发明的各方面可以以存储在非暂时性存储介质或设备上的机器可读代码来实现，无论是可移动的还是集成至计算平台，如硬盘、光学读取和/或写入存储介质、ram、rom等，使得其可由可编程计算机读取，当存储介质或设备由计算机读取时可用于配置和操作计算机以执行在此所描述的过程。此外，机器可读代码，或其部分可以通过有线或无线网络传输。当此类媒体包括结合微处理器或其他数据处理器实现上文所述步骤的指令或程序时，本文所述的发明包括这些和其他不同类型的非暂时性计算机可读存储介质。当根据本发明所述的方法和技术编程时，本发明还包括计算机本身。计算机程序能够应用于输入数据以执行本文所述的功能，从而转换输入数据以生成存储至非易失性存储器的输出数据。输出信息还可以应用于一个或多个输出设备如显示器。在本发明优选的实施例中，转换的数据表示物理和有形的对象，包括显示器上产生的物理和有形对象的特定视觉描绘。
[0122]
如在本技术所使用的，术语“组件”、“模块”、“系统”等等旨在指代计算机相关实体，该计算机相关实体可以是硬件、固件、硬件和软件的结合、软件或者运行中的软件。例如，组件可以是，但不限于是：在处理器上运行的处理、处理器、对象、可执行文件、执行中的线程、程序和/或计算机。作为示例，在计算设备上运行的应用和该计算设备都可以是组件。一个或多个组件可以存在于执行中的过程和/或线程中，并且组件可以位于一个计算机中以及/或者分布在两个或更多个计算机之间。此外，这些组件能够从在其上具有各种数据结构的各种计算机可读介质中执行。这些组件可以通过诸如根据具有一个或多个数据分组(例如，来自一个组件的数据，该组件与本地系统、分布式系统中的另一个组件进行交互和/或以信号的方式通过诸如互联网之类的网络与其它系统进行交互)的信号，以本地和/或远程过程的方式进行通信。
[0123]
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。