40.5 kV/50 kA真空开关用双层线圈式快速斥力机构驱动技术的仿真研究北大核心CSCD

对于高电压大开断容量的真空断路器,为了实现运动机构在长开距下的快速驱动,文中提出一种双层线圈式快速斥力机构来产生更大的电磁斥力,建立仿真模型模拟其运动特性。研究了金属盘厚度、线圈内径、线圈匝数和初始间隙等参数对快速电磁斥力机构运动特性的影响,结果表明:仿真结果与实验结果比较吻合,得出了一般性的设计指导原则。双层线圈式快速斥力机构能够快速动作,满足故障限流器快速开断电路的要求。分闸期间电磁排斥的上升时间非常短,下降时间相对较长,并且电磁排斥力的峰值很大。在此基础上,设计了一种新型排斥线圈放电电路,通过控制不同电容器的放电时序来驱动运动机构,不仅可以满足故障限流器开断电路的速度要求,而且电磁斥力峰值显著降低,很大程度上降低了对斥力机构机械特性的要求。基于本文电磁斥力机构的真空断路器,满足了高压故障限流器的开关装置要求。     

基于电磁耦合双线圈模型电磁斥力机构结构参数的优化分析

针对现有电磁斥力机构等效计算方法无法有效应用的问题,提出了一种电磁耦合双线圈模型的等效计算方法。等效模型主要包括驱动回路与感应回路两部分,在基本电路方程之外,引入了电磁斥力与机械运动的计算。通过合理的简化,对等效模型中集肤深度、线圈电阻、线圈自感、线圈互感等参数进行辨识。在此基础上,以某型1 000 V/400 A电磁斥力机构样机为算例,采用时域迭代的离散算法较为系统地分析了两线圈内径、径向厚度以及斥力线圈匝数、轴向厚度等对机构效率和动子行程的影响规律。所得到的规律性认识可有效指导电磁斥力机构的优化设计。     

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。     

导磁材料对电磁斥力机构出力效率的影响

机械开关的快速性是决定高压直流断路器性能的关键因素。电磁斥力机构具有动作延迟短、刚分速度快的特点,适合于快速机械开关的应用场合,但涡流斥力的驱动原理也导致其能量转换效率较低。为了提高出力效率,首先建立了电磁斥力机构的3维有限元仿真模型,并通过40.5 kV/2 000 A机械开关样机验证了仿真的准确性。然后,分析了机构运动过程中的磁场分布情况,指出空间漏磁较大是造成其效率低下的主要原因。最后,为了减小空间漏磁,进一步提高电磁斥力机构的出力效率,在原有空心线圈结构基础上,计算并分析了添加不同导磁材料对机构运动特性及出力效率的影响。仿真结果表明:选择低电导率高磁导率材料、在铁芯上径向开槽以及选择叠片形铁芯可以有效改善磁路,提高电磁斥力机构的出力效率。     

基于涡流斥力原理的低压控制与保护电器研究

开发一种结构简单和短路开断能力优异的交流控制与保护电器是低压开关电器的一个重要发展方向。该文提出一种新型低压控制与保护技术,采用双线圈盘涡流斥力机构取代传统低压交流接触器的电磁操动机构,可以实现低压电器的分合闸控制以及短路早期检测与快速分断的故障保护。首先,采用改进型人工生命算法对双线圈盘斥力机构的斥力盘厚度、线圈盘线径和匝数进行多参数综合寻优,获得了机构快速分断的优化参数。其次,依据优化参数设计样机并对其动态特性加以测试,验证了样机机构具备良好的动态特性。最后,将新型控制与保护电器样机应用于低压配电短路故障实验系统。结果表明,提出的低压控制与保护技术可有效实现短路故障电流的快速抑制与分断,为实现低压控制与保护集成提供了一种新思路。     

驱动时间对电磁斥力机构效率及传动系统结构应力影响研究北大核心CSCD

电磁斥力的驱动时间关系到电磁斥力机构的驱动效率及所受冲击应力大小,该文提出优化电磁斥力驱动时间的研究思路,分别建立了线圈—盘式电磁斥力机构的有限元仿真模型及柔性体仿真模型,在输入能量一定的前提下,通过改变电容容量及其充电电压值来调整电磁斥力驱动时间,在此基础上研究其对电磁斥力机构驱动效果、运动过程及结构应力的影响。研究表明:在保证快速机械开关能够有效开断的范围内,充电电容越大,电磁斥力脉宽越大峰值越小,驱动时间越长,电磁斥力机构驱动效率越高,斥力盘内结构应力峰值越小,但缓冲装置所受冲击也越大。针对电磁斥力机构驱动回路参数设计,提出选取分闸电容容量为可有效开断的电容范围中间值的驱动时间优化方案。     

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。     

高压快速机械开关斥力线圈缓冲特性研究北大核心CSCD

作为快速机械开关核心的斥力机构需在高速运动的斥力盘到达终点前及时介入进行缓冲降速。文中基于有限元分析法在快速斥力机构二维模型的基础上对电容放电时间、出力峰值与持续时间的影响因素进行研究与电磁缓冲仿真,仿真表明在电容能量相同且缩减线圈匝数条件下,电流峰值增加1.63 kA,峰值出力增加50.41 kN。根据仿真结果提出采用出力峰值高,出力时间缩短的电磁缓冲方案对用于缓冲的电磁线圈结构进行改进并在现有平台试验验证,通过传感器可知行程时间满足且实测弹跳距离1.2 mm,合闸电阻25.3 mΩ,研究为解决电磁缓冲导致触头墩粗使接触电阻增大导致发热与寿命问题提供一种思路。     

电磁斥力机构样机效率优化

针对样机分闸时最大动能转换效率较低,仅为1.75%的问题,以900 V/1 000 A电磁斥力机构样机为研究对象,结合工程中的约束条件,对样机效率进行提高。将电磁场、结构力场及机械运动耦合求解,建立仿真模型并试验验证了模型的正确性。利用此模型,在电容储能不变的基础上,调整电容参数,发现改变电容参数对效率的提高没有帮助;在限定斥力线圈内外径的基础上,调整线圈参数,发现线径的改变对效率的影响很大,但样机的线圈参数已使效率达到最大,线圈参数已不需更改;进一步,在斥力盘所受应力满足Von Mises屈服准则的基础上,设计了一种"铝-钢"复合式斥力盘,发现复合式斥力盘可以提高效率。调整电容参数和线圈参数不能提高样机效率;复合式斥力盘能使样机最大动能转换效率提高至3.46%,提高了1倍。     

基于电磁斥力机构的10kV快速真空开关

在合理简化的基础上,利用有限元方法建立了电磁斥力机构场路耦合瞬态动力学特性分析的二维有限元模型.为了验证仿真模型的正确性,建立了简化的实验验证模型,并在不同储能电压下对验证模型的放电电流以及满行程时间进行了实际测量,测量结果验证了仿真模型的正确性.在此基础上,就金属盘、分闸线圈的结构参数以及储能电容的容量对电磁斥力的影响进行了仿真分析,得出了一般性的设计指导原则.另外,为了进一步提高快速开关的分闸速度,提出了在线圈周围加装导磁材料以及利用脉冲成形网络作为其放电回路的方法,利用仿真模型对其效果进行了仿真分析.最后利用12kV-40kA-2500A真空开关管、双向电磁斥力机构以及可倒翻碟簧双稳机构研制了10kV快速真空开关样机,实测其固有分闸时间为0.5ms,满行程时间为1.6ms.     

双盘式线圈结构快速斥力机构设计与运动特性仿真研究

近年来基于涡流原理的快速斥力机构成为研究热点,但该机构很难适用于长开距、高电压等级断路器。因此,研究适用于长开距的斥力机构具有重要意义。提出一种双盘式线圈结构的快速斥力机构,建立其数学模型,并对其运动特性进行仿真研究。通过与涡流斥力机构对比发现,该斥力机构的电能利用率更高,优势更为明显。根据40.5k V真空断路器的参数要求,比较分析各项参数对机构运动特性的影响,结果表明:两线圈初始间距影响最大,其次是线圈轴向匝数,影响最小的是线圈径向匝数。最后对机构应用于长开距的高电压等级真空断路器进行了展望。研究成果对新型高压快速斥力机构的设计具有一定的参考价值。     

电磁斥力机构能量转换效率分析

以"线圈-盘"式电磁斥力机构(coil-platerepulsion mechanism,CPRM)为研究对象,采用有限元仿真软件工具对CPRM进行仿真建模,研究分析CPRM的能量转换过程。研究能量的消耗途径,分析不同能量消耗途径对整个运动过程的影响大小,总结能量消耗规律。根据能量转换过程分析结果,对斥力盘的结构进行优化改进,提出一种"铜-铝"复合式斥力盘。通过仿真分析和试验验证得出结论:线圈电阻损耗和斥力盘涡流损耗是能量消耗的主要途径;"铜-铝"复合式斥力盘结构可有效地提高驱动速度和驱动效率。     

电磁斥力机构的参数匹配与优化设计

基于电磁斥力机构的快速开关是直流断路器中的关键设备,其操动速度直接决定了直流断路器的动作时间。该文针对电磁斥力机构的参数匹配特性和优化设计方法展开研究。首先,通过将金属盘等效为单匝线圈对电磁斥力机构的仿真模型进行了简化;搭建了40.5 k V快速真空开关样机,基于样机试验验证了仿真模型的有效性。然后,基于简化后的仿真模型,将影响电磁斥力机构操动特性的多个变量凝练为3个与操动特性直接相关的特征参量,得到了电磁斥力机构的参数匹配规律并从解析角度给出了解释。最后,基于参数匹配规律,提出了电磁斥力机构参数设计原则,进而得到了一种快速而有效的电磁斥力机构参数优化设计方法。在满足快速开关设计要求的前提下,该设计方法可实现电磁力峰值最小和操动效率最高的综合优化目标,为快速开关向高电压及快速性方向发展奠定了基础。     

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。     

12kV直动式快速真空开关研制

基于电磁斥力原理的操动机构始动时间短,可由增加电流的简单方式提高动作速度,非常适合于快速开关的应用场合。采用有限元方法仿真分析了金属盘厚度、线圈盘盖板和底板材质对斥力驱动机构特性的影响,并研制了一台基于斥力驱动装置和永磁保持装置的12 kV直动式快速真空开关。经测试和优化,该开关分闸始动时间达到0.5 ms以内,满行程时间达到5 ms以内,提高了分闸速度并增加了可靠性。     

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。     

线圈型电磁斥力机构综合优化

该文以"线圈-线圈"型电磁斥力机构为研究对象。线圈外形比例、放电电路参数可从不同角度影响斥力机构驱动速度和驱动效率,且二者紧密关联。为此从理论上实现了上述因素的解耦,并分别实现优化。在解耦基础上,分别推导出电磁斥力机构场能量与线圈外形比例参数的关系,机构能量转换效率与放电参数的关系。按照该研究结论,斥力机构线圈外形比例参数α越小,β越大,场能量转换系数kf越大;斥力机构电源与线圈组成的等效LC振荡频率越低,放电电路优化能量转换系数kC越大。通过建立有限元模型仿真,验证了场、路以及综合优化理论的准确性,并形成了某参数下"线圈-线圈"型斥力机构的全局优化设计结果。     

适用于直流断路器的大电流快速开关分闸特性

快速开关分闸稳定性是影响直流断路器开断性能的关键要素。文中对大电流快速开关的双弹簧永磁操动和电磁斥力双动机构的分闸过程,用有限元方法进行电磁、热和位移等多物理场耦合计算,分析了永磁操动机构驱动线圈是否有必要投入以及不同驱动线圈电流对双动机构分闸特性的影响。结果表明：在永磁操动机构驱动线圈投入的情况下,可提前将永磁吸力抵消,进而避免电磁斥力因做功时间较短而引起分闸回弹现象;由于分闸初期电磁斥力非常大,永磁操动机构驱动线圈的投入对分闸初期的速度影响较小;在电磁斥力消失后,永磁操动机构驱动线圈电流在一定范围内越大,到达额定开距的速度越大,为避免其造成分闸反弹,应合理选择驱动线圈电流值。将仿真结果与实际样机分闸特性曲线进行对比,二者具有较好的一致性,验证了仿真方法的正确性。     

基于正交试验设计的40.5kV真空断路器电磁斥力机构储能电容优化设计研究

电磁斥力机构应用于40.5 kV真空断路器可以提高其开断速度,从而提高电力系统稳定性。文中选取励磁线圈匝数、储能电容量和充电电压这3个主要参数进行综合优化研究,旨在确定40.5 kV真空断路器中电磁斥力机构储能电容能量最小的参数设计方案。对3个试验因素设立3个水平,采用正交试验设计的方法安排9次试验,并建立有限元模型进行数值模拟试验,然后对试验结果进行回归分析和优化。研究结果表明,对于斥力盘的运动特性,充电电压影响最显著,储能电容量次之,励磁线圈匝数最弱。斥力盘运动平均速度与3个设计参数间的回归方程为v=-10.583+0.071N+0.018U+0.169C。最后,确定了参数设计方案,在充电电压600 V,储能电容20 m F,线圈20匝时,储能电容能量最小为3.6 k J。     

驱动线圈结构参数对电枢力学性能的影响

为了研究驱动线圈的结构参数对电枢受力的影响,根据电路—电磁耦合理论,采用ANSYS有限元分析软件建立了三维线圈炮的模型并分析了驱动线圈各个参数对电枢性能的影响。仿真结果表明:当驱动线圈横截面宽度减小了,长度增加,匝数增加时,电枢推力增加,但增幅不是很大,只有层数增加,电枢推力变化较大。但从加工角度考虑,故选择横截面参数0.5 mm×10 mm,匝数25匝,层数11层。为进一步设计线圈炮提供了依据。