[01441490]大容量气体电弧开断特性研究

本项目属电气工程学科的电器领域。 风力、光伏等新能源发电是国家战略性新兴产业,低压断路器是其中的基础保护电器,对系统和设备的安全稳定运行至关重要。但新能源应用时存在交流宽频分断、直流无极性分断、小体积下的更大容量分断等三个技术难题,以及长寿命与低成本的矛盾,传统配电用断路器无法满足使用要求,因此成为近年来高性能低压电器国际竞争的制高点。 本项目历时9年,针对以上难题,发明了场强递增的新型灭弧室、多层变截面的消游离装置、非等宽并联触头系统、宽频短路电流的精确检测和保护技术,研发了系列产品并实现了大规模产业化。主要发明点如下： 1、提出了前方场强引导与后方气流反射联合驱动空气电弧的新方法,发明了具有初期切割电弧的场强递增引弧结构、中期加速电弧运动的动密封单元、后期均匀电弧的孔状栅片侧板的新型灭弧室,解决了更大短路电流条件下的交流宽频和直流电弧无极性分断的难题。 2、提出基于热击穿和电击穿临界条件的介质特性评估及优化方法,发明了具有多层变截面热气流逃逸通道的迷宫式消游离装置,突破了金属蒸汽扩散与灭弧室内气压保持之间的矛盾,解决了更高电压下的小型化设计与大容量分断的难题。 3、揭示了短路电流作用下不稳定电接触现象发生的物理机制及其演变规律,发明了基于交变电流集肤分布的非等宽并联触头系统,及具有梳状结构的稳定触头装置,解决了短路延时分断和中频时触头系统动热稳定性差、寿命低等问题。 4、发明了小型化、高灵敏度的10-200Hz交变电流自适应检测装置,以及具有主-辅磁极结构的直流电磁脱扣与传动装置,解决了电源频率在0-200Hz范围内随机变化条件下的短路电流精确测量与自动保护问题。 5、在以上关键技术发明基础上,结合发明的长寿命操作机构,针对我国风力及光伏等新能源发电的重大需求,研发了3个系列高性能低压断路器产品,在690～1000V交流宽频分断、1500V直流无极性分断、小型化与大容量等方面均处于国际先进或领先水平。 获授权发明专利26项（含欧洲专利1项）;发表SCI/EI收录论文36篇,参编《低压电器技术手册》1部;国际会议特邀报告4次,受邀赴国外讲学3次。进行了多项技术成果和新产品鉴定,部分鉴定意见总结如下：“技术创新点突出,国内外体积最小,产品综合性能达到国际领先水平;超长寿命,免维护,满足分布式能源并网及多电源网络选择性保护要求,属国内首创,690V电气寿命达1万次,机械寿命达3万次、达国际领先水平;分断与极性无关,填补国内空白”。 应用本项目成果,常熟开关制造有限公司开发的低压断路器已在新能源领域获得广泛应用,解决了风力、光伏发电系统保护的瓶颈问题,市场占有率21～22%,在国内企业高档低压断路器产品综合排名第一,打破了国外垄断。近三年累计新增销售额8.5亿元,新增利税3.7亿元。此外,部分技术也在施耐德电气、现代重工等国外企业得到应用。研究成果对我国新能源电力系统发展和开关电器行业自主创新做出了重要贡献,取得了显著经济和社会效益。