一种可用于12 kV高速真空断路器的侧动式机械缓冲装置

在12 kV高速真空断路器中,一般不增加合闸缓冲装置,直动式操动机构往往会造成较大程度合闸弹跳,降低使用寿命。在优化设计的基础上,研制了一种双稳态永磁机构侧动式12 kV高速真空断路器。该真空断路器合闸时间在15 ms以内,分闸时间在10 ms以内,合闸弹跳时间短,分闸反弹幅值小,达到了预期的目的。     

126 kV真空断路器操动机构机械可靠性研究

文中在分析讨论传统可靠性设计方法在真空断路器机械可靠性设计应用中存在局限性的基础上,提出基于失效物理和可靠性物理(PoF/RP)的真空断路器操动机构及其零部件可靠性设计方法,对操动机构内部传动部件的冲击疲劳寿命计算方法进行了理论分析。分别对126 kV单断口真空断路器弹簧操动机构、分离磁路式双稳态永磁操动机构,以及快速斥力机构在断路器合分闸操作冲击应力作用下易损部件的疲劳寿命进行了分析。计算结果显示:弹簧操动机构合分闸联锁挚子在断路器合分闸操作冲击应力的作用下其疲劳寿命计算结果为1 654次;双稳态永磁操动机构在断路器以2.5 m/s速度分闸、1.5 m/s速度合闸时,其动、静铁心在冲击应力作用下的疲劳寿命17 710次;快速斥力机构触头簧传动支撑部件在断路器以5.5 m/s速度分闸、1.3 m/s速度合闸过程中,其冲击疲劳寿命为302次;该计算结果与实验结果相近。     

高压断路器电机机构智能控制系统研制

为满足智能电网建设对智能化设备的需求,提高高压断路器的操控性能及运行可靠性,应用现代智能控制技术的电机操动机构得到越来越多关注。针对真空断路器电机操动机构控制特点,提出一种永磁电机机构模糊免疫PID速度随动跟踪智能控制方法。为实现操动机构智能控制,研制基于DSP28335+FPGA+单片机多CPU结构全数字化伺服电机操动机构控制系统,并对断路器不同的运行状态:分/合闸操作、自动重合闸、分阶段速度调控及速度跟踪等操作分别进行测试,验证研究的控制方法及控制系统有效性。实验结果表明:该控制系统参数在PWM为10 kHz,占空比为80%时,126 kV真空断路器机械参数为:合闸时间为38 ms,分闸时间为21 ms;平均合闸速度为2.24 m/s,平均分闸速度为3.63 m/s。满足了真空灭弧室分合闸时间以及分合闸速度等参数要求,所研究的电机操动机构控制技术能够对高压真空断路器的运行状态进行有效控制。     

双线圈和螺线管复合式电磁斥力机构运动特性分析

为了满足高压直流断路器对其操动机构快速性和高电压等级的要求,针对126 kV真空断路器设计了一种适用于长行程且具有较高分合闸速度的新型电磁斥力机构,其由双线圈和螺线管式电磁斥力机构串联而成。首先,运用有限元方法进行电磁力仿真模拟,通过对机构的电磁斥力和位移/时间特性分析,初步验证了其可行性。然后,采用单一变量法对其运动特性进行仿真分析,得到了机构间相互配合关系和参数优化设计原则。最后,为降低分闸弹跳,设计电磁式缓冲器,分析了缓冲驱动电路参数和缓冲投入时间对缓冲特性的影响。研究表明：该电磁斥力机构具有刚分速度大,加速时间长,适用于长行程驱动的特性。在分闸电容3500μF、电压1200 V,缓冲电容3500μF、电压1800 V参数群组配合下,所设计电磁斥力机构全行程开断时间较短,仅有5.41 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。     

基于开关电容器组的高压断路器操动控制研究

为了减小断路器分合闸操作中电机操动机构驱动电机启动的响应时间,提高断路器的分合闸速度并改善断路器的触头震荡现象,提出了应用于电机操动机构的控制系统内储能电容的升压变换器技术。针对126kV真空断路器分合闸的技术要求,采用开关电容器组作为升压装置,利用电容器切换技术改变断路器进行分合闸操作的能量存储和释放方式,对断路器动触头的运动过程进行分段控制。在开关电容器组和普通储能电容器的条件下,进行了126kV真空断路器电动机操动机构的分合闸试验。实验结果验证,与采用普通储能电容的分合闸特性实验相比较,采用基于开关电容器组的电机控制系统可以有效地提高断路器的分闸和合闸速度,并改善断路器的触点弹跳。     

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。     

VS1型真空断路器合闸弹跳优化方案探析

当前真空断路器广泛应用于中压领域,操动机构是决定断路器性能的关键部件之一,与电磁操动机构和永磁操动机构相比,弹簧操动机构由于采用小功率交流电机为合闸弹簧储能而使机构动作不受电源影响,更加稳定,并且掉电后仍能操作一次,同时在分闸时由于参与动作部件少,因而分闸弹簧能实现较好的分闸特性等特点而使用更为广泛。文中的目标是针对目前中国广泛使用的VS1型户内真空断路器,通过运用Adams对VS1型真空断路器的弹簧操动机构进行动力学分析,并结合样机的机械特性实验结果,找出影响VS1型真空断路器合闸弹跳的因素,并提出优化建议。仿真分析和实验测量发现合闸过程之后出现的弹跳问题是由于凸轮机构的配合不当引起。为此针对凸轮机构提出了优化建议,即可以通过修改凸轮轮廓尺寸和提高分闸掣子限位平面来实现减少弹跳,达到提高VS1型真空断路器的合闸可靠性的目的。     

126kV真空断路器电机操动机构动态仿真与试验研究

为了简化高压真空断路器操动机构的结构并提高其工作可靠性,笔者对不同转子结构的真空断路器电机操动机构的动态特性进行了研究。建立了126 kV真空断路器操动机构的动态仿真模型,推导了驱动电机主轴侧的等效转动惯量、动态反力以及动触头行程与驱动电机转角的关系。依据上述分析并综合考虑绕组端部效应对电机启动过程的影响,采用场—路—运动耦合法对驱动电机在断路器分、合闸操作过程中的瞬态磁场和动态机械特性参数进行了仿真计算。结合仿真结果制成了永磁驱动电机样机,进行了操动机构与断路器联机试验试验。试验结果表明:电机操动机构能实现断路器的可靠分、合闸操作,平均合闸速度达到2.51 m/s,平均分闸速度达到3.35 m/s,满足断路器的要求。动态性能仿真结果与试验结果基本吻合,验证了仿真分析的有效性。     

12 kV真空断路器永磁直线电机操动机构特性分析

为解决12 kV真空断路器(Vacuum Circuit Breaker, VCB)传统操动机构和旋转电机操动机构结构复杂、可靠性低、动作分散性大以及有槽直线电机操动机构定位力引起推力脉动、振动、噪声及速度控制退化等而导致其难以精确分、合闸的问题,提出无槽圆筒形永磁直线同步电机操动机构。根据12 kV真空断路器分、合闸特性要求,对无槽圆筒形永磁直线同步电机(Slotless Tubular Permanent Magnet Linear Synchronous Motor, STPMLSM)的结构和参数进行设计,推导出其数学模型。利用有限元法对该电机操动机构的静、动态特性进行仿真分析,得到启动过程中电磁推力与时间的关系,分合闸过程中断路器动触头行程与时间、速度与时间的关系。结果表明:所设计的电机操动机构结构参数能够满足断路器分合闸特性要求,且推力波动得到有效抑制,为各电压等级断路器采用此类电机操动机构提供可靠依据。