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40.5kV高压开关柜电场及温度场特性研究及其改进

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摘 要

ABSTRACT

Contents

1 绪 论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 高压开关柜的发展

1.2.2 高压开关柜电场分析现状

1.2.3 热分析现状

1.3 本文主要研究内容

2 电场及传热学相关理论

2.1 电场基本理论

2.1.1 位函数及其微分方程

2.1.2 静电场中的边界条件

2.2 开关设备绝缘基本理论

2.2.1 SF6气体的物理特性

2.2.2 真空的物理特性

2.3 传热学理论

1、热量传递方式有传导、对流和辐射三种。三种方式既有共同点,又各有差异。传导、对流和辐射三种方式其根本都是能量的传递,遵循能量守恒定律。不同点在于传导是单一物体的内部或者不同物体之间存在着温度差异,为了平衡这种温度差异,在不产生相对运动的前提下,由物体的分子的运动传递能量。对流顾名思义是流体之间有着温度各不相同的部分,它们之间通过相对位移来进行能量的传递。对流有自然对流和受迫对流两种,自然对流是靠着物体本身温差而产生密度改变引发的热能传递,受迫对流是受到外力作用使流体产生相对运动从而使能量传递。热...

2.3.1 开关柜温升基本理论

2.4 小结

3 开关柜和真空灭弧室的电场仿真

3.1 开关柜总体结构

3.1.1 开关柜的性能特点

3.1.2 气室压力和绝缘击穿场强

3.2 隔离开关室电场仿真

3.2.1 模型的简化

3.2.2 模型前处理

3.2.3 边界条件的加载

3.2.4 电场仿真与结果分析

3.3 断路器室电场计算

3.3.1 模型的简化

3.3.2 有限元模型的建立和参数确定

3.3.3 边界条件的加载

3.3.4 电场仿真与分析

3.4 真空灭弧室电场分析

3.4.1 真空灭弧室的结构

3.4.2 灭弧室设计关键区域

3.4.3 关键区域绝缘机理

3.4.4 真空灭弧室绝缘特性及边界条件

3.4.5 材料设定及网格划分

3.4.6 加载及结果分析

3.5 真空断路器结构参数对电场强度的影响

3.5.1 均压环对电场强度的影响

3.5.2 均压环的尺寸对外侧三重结合点场强影响

3.5.3 屏蔽罩尺寸变化

3.5.4 陶瓷形状变化

3.6 小结

4 开关柜和真空灭弧室结构改进

4.1 隔离开关室结构改进

4.1.1 改进模型

4.1.2 优化方法

4.1.3 改变母排圆角

4.1.4 结果分析

4.2 断路器室结构改进

4.2.1 改进模型

4.2.2 折弯角度对电场强度的影响

4.2.3 改变母排厚度

4.2.4 改变母排边缘圆角

4.3 真实灭弧室结构改进

4.3.1 改进模型的建立

4.3.2 屏蔽罩末端改进

4.3.3 陶瓷结构改进

4.3.4 金属屏蔽罩的改进

4.4 小结

5 开关柜热分析

5.1 接触电阻的概念

5.1.1 接触电阻计算公式

5.1.2 导电桥模型

5.2 开关柜接触电阻

5.2.1 接触方式

5.2.2 接触电阻建模

5.2.3 接触电阻计算

5.2.4 开关柜接触电阻模型

5.3 开关柜温升基本要求

5.4 开关柜热分析

5.4.1 模型前处理

5.4.2 边界条件及收敛曲线

5.4.3 仿真结果及分析

5.5 改进结构降低温升

5.6 小结

6 结论与展望

6.1结论

6.2展望

参考文献

致 谢

攻读硕士学位期间取得的学术成果和获奖情况

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摘要

随着科技的不断进步,开关柜正在朝着小型化、密集化、模块化、智能化、操作简单、高可靠性等方向发展。在开关柜小型化和密集化的过程中,绝缘和散热成为制约开关柜进一步发展的关键问题,开关柜绝缘击穿和火灾时有发生。因此,对开关柜的绝缘和产热的研究具有重要的实际应用价值和意义。
  本课题在查阅国内外文献的基础上,研究了40.5kV高压开关柜的总体结构和性能特点。以GB-T11022-2011要求为准则,计算出开关柜在稍不均匀电场环境下的SF6气体的临界击穿场强,作为绝缘要求电场值。采用有限元方法,对高压开关柜的隔离开关室和断路器室进行电场仿真,结果表明:隔离开关室和断路器室中最大场强均出现在气室上部母排的边缘处,且整体最大电场强度均大于绝缘要求电场值。研究了真空灭弧室的整体结构和灭弧室设计的关键区域,以真空的击穿场强为标准,对真空灭弧室进行电场分析,结论表明:真空灭弧室最大电场强度小于真空的临界击穿场强,且关键区域电场分布极不均匀。
  根据真空灭弧室关键区域结构和关键区域绝缘机理,选取灭弧室中某段陶瓷和屏蔽罩的结构进行研究,探求灭弧室结构尺寸变化对关键区域电场强度的影响规律。结果表明:屏蔽罩末端添加均压环后,屏蔽罩末端电场集中现象消失;增大均压环短半轴尺寸、减小均压环到陶瓷外壳距离可使外侧三重结合点处的电场强度减小;增大屏蔽罩之间距离和屏蔽罩到陶瓷之间距离可使沿陶瓷表面最大电场强度减小;增大金属嵌件深度和宽度、增大陶瓷角度可使内侧三重结合点处最大电场强度减小。
  以SF6的临界击穿场强为校核值,对隔离开关室和断路器室上部母排结构进行改进,结果表明:当隔离开关室采用圆角为25mm的母排结构时,满足绝缘要求。当断路器室采用12mm厚母排且母排边缘圆角曲面是倒圆角曲面和平面的交接面时,满足绝缘要求。利用灭弧室结构尺寸变化对关键区域电场强度的影响规律,以降低关键区域电场强度为目标,对真实灭弧室的结构进行改进,结果表明:选择5x2.5mm的椭圆型均压环和135。角度陶瓷结构;采用2.5x2.5mm正方形的嵌件和3x4mm的椭圆型弯角;采用3mm的屏蔽罩到陶瓷距离和46mm屏蔽罩之间距离结构的灭弧室更合理。
  利用计算接触电阻的经验公式和电阻计算公式,计算出接触电阻。依接触视在面积设定不同的电阻率和薄片厚度建立接触电阻模型,对开关柜通电导体进行温升仿真,结果表明:仿真结果略大于开关柜温升基本要求或温度裕度不足。通过改变断路器超行程和改变母排厚度,使开关柜接触电阻变小,温升符合开关柜温升基本要求。
  本课题的研究为40.5kV开关柜和真空灭弧室的结构改进以提高其绝缘性能,为开关柜温升的校核提供新的解决思路。

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