真空直流断路器高速操动机构的研究

针对舰船直流系统短路电流大、短路时间常数小的特点,对基于人工过零原理的真空直流断路器的高速操动机构进行了仿真和实验研究。该高速操动机构利用涡流效应产生电磁斥力,推动运动部件实现高速动作。笔者建立了电磁斥力机构的三维有限元模型,对其动态过程进行了仿真分析;根据仿真设计的结构参数制作了实验样机,实验样机的线圈电流波形以及机械运动特性的测试结果与仿真结果较为吻合。     

高压直流断路器中电磁斥力快速驱动器研究

应用在基于电压源型换流的多端直流输电系统中的高压直流断路器,其关键部件机械式快速隔离开关在断路器开断故障电流时需要在几ms内分闸到位。为此,提出了基于电磁斥力的快速驱动器作为快速隔离开关的操动机构。通过对电磁斥力机构的线圈、金属盘、控制电流和行程特性的基于等效电路法的建模仿真及装置试验,研究了其在几ms内操动行程达25 mm的可行性。结果表明:仿真结果和试验结果具有一致性;电磁斥力快速驱动器的操动行程能在几ms内达到25 mm。在验证了仿真方法正确的基础上,根据仿真结果提出了电磁斥力机构的一般设计原则:线圈的内径和金属盘的内径,线圈的外径和金属盘的外径都应该设计成一样大;金属盘的厚度对于不同的设计对应有最优的参数;线圈和金属盘的初始距离应尽量小。     

基于有限元法的电磁斥力机构仿真分析与设计

为了分析电磁斥力机构主要参数对斥力产生作用效果的影响,以指导基于电磁斥力原理的快速直流真空开关设计,在合理简化的基础上,建立了电磁斥力机构场路耦合动态特性分析的二维有限元模型。分析了斥力盘结构参数、储能电容容量及充电电压对电磁斥力的影响规律,为优化设计提供依据。最后利用基于仿真设计参数的电磁斥力机构、双稳碟簧等研制了12 kV快速真空开关样机。实验结果验证了仿真分析的正确性,实测其固有分闸时间1.8 ms,全行程时间5.0 ms。     

超快速隔离开关电磁斥力机构设计及试验研究

直流断路器的故障切除时间主要决定于关键元件超快速隔离开关的动作时间。文中对超快速隔离开关的电磁斥力机构工作原理进行研究,得到建立电磁斥力机构的有限元模型。仿真分析线圈参数、金属盘尺寸等因素对超快速隔离开关动态特性的影响,在此基础上对电磁斥力机构参数进行优化。最后对设计超快速隔离开关进行动态特性测试,测试结果表明设计的电磁斥力机构能满足超快速隔离开关2 ms运动到耐受故障切除过程中的暂态开断电压TIV的绝缘距离要求,验证了设计的有效性,为混合式高压直流断路器的实现提供了保证。     

快速机械开关线圈型电磁斥力机构优化设计

基于线圈型电磁斥力机构的快速机械开关是混合式高压直流断路器核心设备之一,其小于2 ms的快速动作特性和可靠性对直流断路器开断性能至关重要。为改善快速机械开关的动态特性和能量转化效率,建立了线圈型电磁斥力机构的有限元模型,仿真分析了线圈、储能电容和充电电压对快速机械开关动态性能的影响,并采用粒子群优化算法对快速机械开关的线圈型电磁斥力机构进行优化设计。优化结果表明快速机械开关触头2 ms的运动位移以及能量转换效率得到提高。最后研制了舟山工程200 k V高压直流断路器用快速机械开关,对优化设计后的快速机械开关进行动态性能测试,验证了优化算法的有效性。文中提出的优化方法也为更高电压大电流等级快速机械开关提供设计指导。     

高速电磁斥力机构运动特性影响因素研究

基于高速电磁斥力机构的工作原理及理论研究,得出影响斥力机构运动特性的主要因素,通过计算仿真,获得主要影响因素变化规律。在此基础上优化设计和制造出一套斥力机构,并应用于直流快速机械开关样机。试验结果表明,该斥力机构样机满足设计要求,并验证了仿真结果的准确性。     

基于多策略粒子群算法的500 kV直流断路器用快速机械开关优化设计北大核心CSCD

快速机械开关作为混合式直流断路器系统的关键设备,其操动机构多选用电磁斥力机构,电磁斥力机构的磁场电场相互耦合,仅通过控制变量法难以从整体上对电磁斥力机构进行优化设计。为此,提出一种多策略改进粒子群算法,并将其应用到斥力机构的参数优化中。首先,利用Ansoft Maxwell仿真分析了电磁斥力机构的线圈盘尺寸、金属盘尺寸和放电回路参数对快速机械开关动态性能的影响,确定了主要的优化设计参数;其次,针对基本粒子群的缺陷,结合重开端及反向学习策略进行改进并验证了改进后算法的优势性;最后,根据优化后的参数制造了样机并进行了动态性能测试。测试结果表明:优化后的开关的分断速度得到提高的同时减小了开关的总体积和成本,验证了优化设计的有效性。研制出的快速机械开关将投入张北±500 kV柔性直流输电工程使用。     

混合式高压直流断路器中的快速机械开关研究

针对能够应用于±160 kV南澳多端柔性直流工程的混合式高压直流断路器中的关键部件——快速机械开关进行了仿真试验研究。研究了快速机械开关采用两个80 kV的SF6断口串联方案,利用Ansoft Maxwell有限元软件对断口进行了电场仿真,结果表明断口动、静触头开距为15 mm时能够满足耐受80 kV直流电压的要求;研究了采用电磁斥力机构作为断口的快速操动机构的可行性,设计了电磁斥力操动机构样机,试验论证了快速机械开关可以在3 ms左右分闸到位。     

基于电磁斥力原理的高速触头机构仿真分析与设计

为了分析电磁斥力机构主要参数对斥力机构作用效果的影响,以指导基于电磁斥力原理的高速机械触头机构的设计,在对电磁斥力机构工作原理进行细致分析的基础上,推导出斥力的计算方程。采用有限元仿真计算的方法分析了不同机构参数对电磁斥力的影响规律,为优化设计提供依据。设计了基于电磁斥力原理的高速机械触头机构样机,样机的实验结果验证了仿真分析正确、可靠,同时表明该机械触头的初始分离时间为220μs,能够满足混合型限流断路器对高速机械触头机构快速动作、高速运动特性的要求。     

高压直流断路器用快速机械开关电磁缓冲研究

基于电磁斥力机构的快速机械开关是混合式高压直流断路器的核心设备之一,其几毫秒内分闸到位的速动性对直流断路器至关重要,然而其速动性对开关的缓冲提出了更高要求。文中提出了一种适用于电磁斥力机构分闸过程的电磁缓冲方法,介绍了电磁斥力机构和电磁缓冲的基本工作原理,并建立电磁斥力机构电磁缓冲装置的有限元模型,结合其原理仿真分析了缓冲储能电容容量、初始电压和缓冲触发时间对电磁缓冲性能的影响规律。最后对舟山示范工程200 kV直流断路器用快速机械开关进行了电磁缓冲试验,验证了仿真分析的正确性。文中对电磁缓冲的设计和控制提供了一定的指导。     

电磁斥力机构研究综述

直流电网的发展和直流断路器的应用需求对机械开关及其操动机构提出了新的快速性、可靠性和经济性的要求。为此介绍了新型电磁斥力机构的基本原理,综述了电磁斥力机构的结构形式,总结了国内外对驱动特性开展的数值分析和解析分析工作,研究表明:数值分析能给出经验性优化规律,难以准确描述优化设计方法,解析分析是驱动特性研究的有效方法。电磁斥力机械开关研制工作的关键问题是:驱动效率的提高;适配缓冲和保持技术;传动系统冲击应力分析和结构强度设计方法;长行程应用可行性研究。     

混合式直流断路器用真空机械开关及驱动电路的研发

混合式直流断路器综合了真空机械开关通态损耗低和电力电子组件响应速度快的优点,在中远距离直流高压输配电系统和中压直流微电网中得到广泛的应用.真空机械开关作为混合式直流断路器的关键部件,其分断速度直接决定了混合式直流断路器的开断性能.在前期研究的基础上,进行了电磁斥力机构及其脉冲电容驱动电路的方案设计,并利用有限元仿真分析平台,通过改变斥力线圈匝数、电容电压等关键参数对电磁斥力机构进行仿真计算,分析变化量对分闸过程的影响,并依据仿真结果研制了２kA 真空机械开关样机。     

基于电磁驱动的40.5kV快速真空断路器研究

对快速操动机构操作方式和结构组合进行分析,利用永磁机构高可靠性、强可控性和电磁斥力机构动作速度快、触动时间短等特点,设计了一种单稳态永磁机构和双线圈斥力盘相组合的快速操动机构。利用Ansys Maxwell建立了快速操动机构的有限元模型,并进行了静态和动态仿真计算,使设计的快速操动机构满足快速真空断路器的特性需求。针对快速真空断路器合闸弹跳大的问题做了深入研究,给出了在断路器刚合点前14 mm位置处介入液压缓冲的最优方式,合闸弹跳减小为0 ms。研制出40.5 kV快速真空断路器样机,分闸时间3.6 ms,合闸时间14.6 ms,合闸弹跳0 ms,短路开断电流31.5 kA,短路关合80 kA的参数满足技术要求。样机在电力工业电力设备及仪表质量检验测试中心通过了容量试验、10 000次机械寿命、温升、绝缘等试验验证。     

直流快速开关高速斥力机构运动特性分析

高速斥力机构是混合式直流断路器快速开关的核心部件,对于混合式直流断路器的故障分断时间和分断性能有重要影响。为此,针对直流快速开关运动特性开展研究,基于有限元分析方法建立了高速斥力机构的场路耦合瞬态动力学数学模型,计算了基本参数包括驱动回路参数、斥力盘结构参数、外壳参数等因素对其运动特性的影响规律。仿真结果表明:增加驱动回路电容和电容预充电压可以有效地增加电磁斥力和分闸速度;线路电感增加会造成电磁斥力峰值时间推迟,进而导致电磁斥力和分闸速度减小;斥力盘厚度小于4 mm时,分闸速度随着斥力盘厚度增加而增加,斥力盘厚度超过4 mm时,增加趋势趋于平缓;斥力盘半径在65~85 mm时,分闸速度随着斥力盘半径增加而增加,斥力盘半径超过85 mm时,增加趋势趋于平缓;相比于铝制外壳,采用钢制外壳,分闸速度更快;钢制外壳下运动特性对外壳距离不敏感,铝制外壳下分闸速度随着外壳距离增加而增加。基于仿真结果,搭建了直流快速开关运动特性测试平台,通过对比仿真和实验结果,验证了方案和模型的可行性。     

基于双向电磁斥力机构的高压快速开关 缓冲特性研究

高压直流断路器对机械开关提出了进一步向快速性和高电压方向发展的需求,而缓冲问题是研制高压快速开关的瓶颈问题之一。该文针对基于双向电磁斥力机构的高压快速开关缓冲特性展开研究。首先,通过实验获得了无缓冲、聚氨酯缓冲、液压缓冲和电磁缓冲四种实验条件下快速开关的行程特性,证明了电磁缓冲是最适于快速开关的缓冲方式。然后,通过改进等效电路法,对采用电磁驱动和电磁缓冲技术的快速开关建立了综合仿真模型,通过对40.5kV快速真空开关样机进行实验,验证了仿真模型的有效性。最后,基于仿真模型,从理论上揭示了缓冲电流方向和缓冲施加时刻对电磁缓冲效果的影响规律,并给出了其设计原则。该文的研究成果解决了快速开关中的缓冲难题,为研制高压快速开关奠定了基础。     

快速直流断路器中操动机构的仿真研究

直流输电电压等级的提高使之研制出相应的直流开断装置意义重大;而断路器操动机构的可靠性直接影响着其开断性能。笔者针对直流开断装置中断路器的操动机构展开研究,建立了一种基于电磁驱动、永磁弹簧保持的电磁斥力机构仿真模型,对其电磁-结构耦合过程和电磁-机械运动耦合过程进行了分析。仿真结果表明:当分闸电容的充电电压为4000 V时,电磁斥力机构的电磁斥力峰值约为128 kN,金属盘的平均速度能达到3.7 m/s。金属盘的应力峰值出现在靠近驱动轴一侧(内侧),并从内侧至外侧逐渐减小。进一步设计并研制了实验样机,并通过实验对仿真结果进行了验证,两者具有较好的一致性。     

电磁斥力机构结构应力分析与优化设计

电磁斥力机构以其极高的驱动速度良好满足高压直流断路器对机械开关及其操动装置的快速性要求,同时其巨大的驱动力对传动系统带来强烈的机械冲击。针对上述问题,该文基于ANSYS Workbench平台对斥力机构结构强度问题开展研究。首先,建立耦合电路、磁场和结构力场的斥力机构数值计算模型,仿真结果表明销钉、连杆和斥力盘均存在应力振荡现象,其中斥力盘倒角和销钉是结构强度的薄弱环节;然后,基于仿真模型,发现增大斥力盘厚度、倒角半径、圆台及连杆半径等参数可提高系统刚度和振动频率,降低斥力盘的振动幅值,减小各部件应力振荡周期及峰值;最后,在40.5k V机械开关中开展了结构参数优化前后的运动特性对比试验,优化后的传动系统及斥力盘的振动周期与幅值更小,动作延迟显著降低,验证了结构参数对振动特性的影响规律。所获得的数值计算方法及结构参数影响规律可用于指导机构设计。     

强制过零型高压直流断路器的控制单元研究

随着柔性直流输电技术与大功率电力电子技术的发展,高压直流输电技术得到了不断地发展,而高压直流断路器已成为限制直流电网发展的主要瓶颈问题之一。现有的机械式高压直流断路器能够在几十ms内断开电路,但对于高压直流输电系统,远不能达到要求。采用高速电磁斥力机构作为机械开关的操动机构能够克服上述缺点。文中对以电磁斥力机构作为操动机构的强制过零型高压直流断路器的拓扑结构和工作原理进行了详细介绍,并针对其工作原理,提出控制需求,进而对其控制单元进行了研究。最后在自研的40.5 k V强制过零型高压直流断路器单元样机上对所研究的控制单元的实用性进行了验证。     

高速机械开关单元多场耦合仿真优化设计

我国正在建设张北±500 kV柔性直流电网示范工程,混合式高压直流断路器是其关键控制和保护设备。快速机械开关单元是混合式直流断路器的关键部件,采用电磁操动机构,机械动作过程涉及电磁场、热场和机械位移场,需要进行多场耦合仿真优化设计。该文开展高速机械开关单元多场耦合仿真优化设计。首先,设计一种基于双线圈推金属盘驱动与双稳态弹簧保持操动机构的高速机械开关单元结构。然后,针对高速机械开关单元动作过程,提出一种能全面反映机构运动、触头碰撞和线圈温升情况的电磁场、热场和运动场多场耦合计算方法。最后,进行高速机械开关单元多场耦合仿真优化设计。初步确定高速机械开关性能提升关键因素,重点分析不同斥力线圈匝数对分闸时间、线圈允许温升及分闸反弹等关键技术指标影响,最终确定高速机械开关各项最优技术参数。仿真结果表明,该文设计高速机械开关单元能在1.8 ms内分闸到达额定绝缘开距,满足技术要求。该文的优化设计为混合式直流断路器快速机械开关优化设计提供理论指导,对于其他快速机械开关设计也有重要参考价值。     

基于永磁斥力机构的真空快速开关的研究

基于永磁斥力机构的真空快速开关因结构简单、动作迅速、可靠性高、容易实现电子控制和开关智能化等优点,引起了国内外学者的重视和研究。为了进一步提高永磁斥力机构的运动速度,为真空快速开关提供技术支持,文中采用有限元方法对影响永磁斥力机构的因素进行了研究。在用Maxwell建立永磁斥力机构的简化模型后,计算了基于永磁斥力机构的真空快速开关的动作特性,并采用单一变量法研究了包括运动部分质量、金属盘尺寸及直流、外接电路参数对机构运动的影响,并根据计算结果制作了12 kV样机。仿真结果表明,减少运动部分质量、提高充电电容的电压等方式能有限提高机构的运动速度。而样机实验结果表明,该快速开关能在5 ms之内可靠分闸,动作分散度小于±0.2 ms,验证了仿真结果的正确性。同时,为进一步提高真空快速开关的分闸速度,提出来在不影响电磁斥力和满足机械强度的情况下,通过沿金属盘径向方向打孔的方式以降低金属盘质量的方案,并得到实验结果有效验证。