配电磁斥力操作机构的真空断路器合闸同期性改进研究

在交流配电网的真空断路器领域内,配三相电磁斥力操作机构的真空断路器因其优异的机械性能成了研究热点,但偶然装配误差、极高运动速度及不完善电气拓扑等问题,致使其合闸同期性极难控制。针对上述问题,设计了一种机械联动的新型二拖三电磁斥力操作机构的真空断路器,采用电磁及动力学仿真对结构参数进行初步设计,并经合闸试验验证效果。试验结果表明：新型二拖三操作机构的真空断路器可提高合闸平均速度18%,有效抑制合闸弹跳时间;针对三相装配间隙误差问题,通过机械强制矫正,使三相合闸时间差控制在0.1 ms内;快速真空断路器驱动结构采用单侧驱动杆非居中布置,可有效提高三相合闸同期性。     

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。     

基于智能模块的高压直流真空断路器研究

作为能源互联网重要组成部分的智能电网近年来发展迅速,其中高压直流输电以交流系统不可替代的优点,在可再生能源如风电与光伏发电集电网等方面具有广泛的应用前景。但目前为止,担负着控制和保护双重任务的核心组件——高压直流断路器自主研发仍存在技术瓶颈。该文通过高压直流短路开断的典型方案分析,提出了基于快速机构与联动关合的换流开断技术,给出由直流智能真空开关模块串联组成HVDC断路器的总体设计方案,为高压直流断路器的发展开辟一条新的路径。在直流真空开关分断过程分析中,分别利用连续过渡模型、Farrall公式、击穿统计特性对直流真空断路器电弧强迫过零点弧后介质恢复前期、中期及后期进行数值仿真分析,并采用对照分析方法分析介质恢复各阶段主要影响因素及其效应。该研究引用交流系统智能真空开关模块串联开断的成功经验探索HVDC短路开断新的路径,并给出了直流电弧分断过程的零区分析,可指导直流真空开关模块的开发。     

基于混沌吸引子的真空断路器永磁斥力机构机械故障识别方法

针对真空断路器斥力机构故障时振动信号瞬态、非线性且难以进行故障定量评估与识别的问题,该文提出一种基于吸引子形态的混沌吸引子矩特征量和粒子群优化支持向量机的斥力机构故障评估与识别方法。以斥力机构分合闸过程中典型故障,特别是分闸油压缓冲器不同过调故障程度的振动信号为分析对象,首先采用混沌理论相空间重构方法和Wolf算法,得到最大Lyapunov指数,表明斥力机构振动信号具有明显的混沌特性,通过三维相图定性分析振动信号混沌吸引子演变规律;然后引入混沌吸引子矩理论,提取四种二维吸引子矩,利用最小二乘法线性回归计算第一区域曲线斜率为吸引子形态特征量,同时提取时域信号共同组成特征向量库;最后比对分析支持向量机算法与粒子群优化-支持向量机组合算法的准确率。实验结果表明,文中所用方法可精准识别斥力机构故障类型。     

基于有限元的直流断路器合闸电磁机构设计

设计了一种用于轨道交通直流断路器的合闸电磁机构,实际使用时发现合闸保持功率较大导致温升过高。基于电磁场分析和电磁铁设计理论,利用有限元分析软件ANSYS,仿真出电磁机构的磁场分布和吸力特性,根据仿真结果制造了一种改进方案样机,试验表明,该方案有效地降低了电磁机构合闸保持功率,并验证了仿真结果的准确性。     

基于高速斥力机构的72.5kV双断口真空断路器研究综述

本文基于国内外研究者的理论分析与实验结果,提出分合闸性能良好的采用高速斥力机构的72.5kV双断口真空断路器设计方案。72.5kV真空断路器利用H型结构优势实现断口均压,由两个40.5kV标准电压真空灭弧室底部串联构成,采用一套永磁斥力操作机构进行操作,该机构由高速斥力和永磁保持操动机构组成。在此基础上制作了样机,通过实验验证了该设计的优越性。     

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。     

轨道交通真空断路器电磁机构控制器的设计

本文介绍了一种基于绝缘栅双极晶体管(IGBT)的轨道交通用真空断路器电磁机构控制器的设计。利用PIC16F873A单片机为主控芯片对硬件电路进行了设计,实现了电磁机构的智能控制。     

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。     

直流断路器快速电磁机构分合特性研究

文中基于某轨道交通直流断路器的总体结构模型,设计了一种快速电磁操动机构,对其结构和工作原理进行了阐述。基于电磁场分析理论,利用有限元分析软件ANSYS对电磁机构的静态特性进行了仿真分析,得出了在合闸状态下磁场分布和动铁心所受电磁吸力情况,并对其影响因素进行了分析。然后对电磁操动机构在不同电流条件下的电磁吸力随气隙变化进行了仿真分析,得出了机构空载条件下的动态输出插值数据。最后建立直流断路器动力学分析模型,借助动力学分析软件ADAMS,将建立的动态离散数据导入其中,对直流断路器动态分合特性进行了仿真,得出了机构分合机械特性曲线,结合试验样机测试结果进行对比分析,验证了整个直流断路器电磁与机械特性耦合分析计算方法的正确性。     

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。     

真空断路器的一种电磁操动机构

本文给出10kV三相、户内真空断路器的一种电磁操动机构的工作原理、特性及杆件尺寸。     

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.     

快速电磁斥力机构的有限元分析

为了探讨混合型限流器的关键部件快速电磁斥力机构的动态性能与机构的各个结构参数、斥力线圈中的电流等存在的复杂关系,在对电磁斥力机构基本工作原理深入分析的基础上,得到了计算电磁斥力的数学模型。采用有限元分析和计算的方法,讨论了不同结构参数对电磁斥力机构动态性能的影响,为优化设计提供了指导原则。对原理样机进行了动态性能的测试,试验结果验证了有限元计算结果的正确性。     

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。     

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。     

同步控制的快速电磁推力致动机构真空断路器

为了提高真空断路器的可靠性以及满足智能电网对真空断路器智能化操作的要求,利用电磁推力致动原理,研制出快速电磁推力致动机构,并将其应用于真空断路器;同时结合电子控制技术与电子传感装置,实现真空断路器的同步控制。使用情况表明,同步控制的快速电磁推力致动机构真空断路器可避免操作时出现合闸涌流和过电压,从而提高了断路器分断能力,缩短了电力系统瞬态过程,实现了配电终端的智能化同步控制以及改善了电网电能质量。     

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。