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。     

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

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。     

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。     

基于螺线管和线圈盘的新型混合式斥力机构分析

斥力机构凭借其快速性在中压直流领域得到广泛应用,为解决高压断路器长行程驱动速度和效率低等关键问题,该文对比分析线盘式和螺线管式机构的原理和特点,综合两者优点提出了适合长行程的串联混合式斥力机构的设计思想。基于有限元分析方法建立仿真模型,分析串联混合式、线盘式以及螺线管式机构的运动特性,研究串联混合式机构瞬态磁场分布以及机构间的影响规律,初步验证其可行性。然后对串联混合式机构进行结构紧凑型优化设计,设计一种新型混合式斥力机构,进行运动特性对比分析。研究表明,新型混合斥力机构综合线盘式机构的快速性和螺线管机构的持续性的优点,具有响应速度快、适合长行程快速驱动的特点,在电容电压1 000V,容量5 000μF条件下,响应时间0.5ms,60mm全行程时间5.6ms。该文为高压断路器长行程快速斥力机构的研制提供了参考依据。     

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。     

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.     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

混合型直流断路器中高速开关的研究

高速开关是混合型直流断路器的重要组成部分,提出了一种基于电磁斥力操作机构的高速开关,通过理论近似计算和有限元仿真分析,给出了15 k V高速开关的设计方案。分析了高速开关分闸弹跳过大并导致分闸失败的原因,推导了分闸弹跳物理过程中各参数的数学关系。样机测试结果表明,其9 mm满行程时间为2.9 ms,分闸反弹不超过2 mm,能够满足混合型直流断路器对高速开关的需求。     

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。     

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。     

电磁斥力快速开关研究

基于电磁斥力原理的快速开关具有操作机构简单,分闸速度快等优点,在混合型直流断路器以及故障限流器等场合起关键作用。文中通过三维有限元仿真与试验验证,对影响电磁斥力机构出力特性的多个参数进行了分析。并且在样机研制和测试过程中,重点分析了快速开关分闸弹跳过大并容易导致分闸失败的原因,推导了分闸弹跳物理过程中各参数的数学关系。测试结果表明,其9 mm满行程时间为2.9 ms,分闸反弹不超过2 mm。最后在总结15 kV中压快速开关研究的基础上,提出了高压快速开关的研究方向和重点。     

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。     

126kV真空断路器新型磁力操动机构研究与设计

对比永磁操动机构,磁力机构具有出力大、行程长等优点,可用于中高压等级。在126 kV真空灭弧室研制成功的基础上,文中提出一种适用于126 kV单断口真空断路器的新型长行程磁力操动机构。利用Ansys仿真软件对126 kV磁力机构静态特性进行仿真设计,通过改变辅助永磁体排列方式、端盖封装方式增大了机构合闸保持力,采用增大合闸保持力的方法使机构分闸速度得到提高。分析了充电电容、线圈匝数等电气参数对磁力机构动态特性的影响,并在此基础上进行了参数优化。仿真结果表明,文中设计的126 kV单断口真空断路器磁力操动机构具有良好的动作特性。     

快速斥力机构线圈盘磁场优化设计

基于涡流斥力原理的电磁斥力机构在直流断路器领域具有广阔的应用前景,但能量转换效率一直较低。为设计出1套电磁驱动效率较高的机构,基于有限元分析方法建立双线圈结构的电磁斥力机构仿真模型,首先仿真分析线圈匝数、高度、轴向匝数对快速斥力机构动态特性的影响,确定线圈盘的最优参数。然后,为提高驱动效率,避免磁饱和和功率损耗问题,分别从导磁材料、结构参数等方面对线圈盘骨架进行分析和优化设计,得到线圈盘导磁部件的最佳设计参数。仿真结果表明:线圈选用单层1×8的铜线,圈数30匝,直径200 mm,导磁材料应选用硅钢片材料,设计成E–2型结构,底板厚度8 mm,侧边厚度10 mm,相对于空芯双线圈斥力机构,电磁斥力峰值提升20.0%,最大分闸速度提升18.1%,驱动效率提升41.6%,为高性能快速斥力机构设计提供参考。