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。     

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。     

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。     

开断速度对电磁斥力高速开断器介质恢复特性的影响

为了提高电磁斥力高速开断器的介质恢复特性,在建立电磁斥力高速开断器斥力仿真模型的基础上,优化了外部驱动电路的电气参数,获取了可以将开断速度提升至37.2 m ／s的参数方案,这个速度与爆炸辅助开断速度相当。设计了包含电流回路、强迫换流回路以及高压回路的强迫换流型介质恢复试验电路,完成了21.6、37.2 m ／s这2种开断速度条件下的介质恢复性能分析试验,并将试验结果进行对比。另外,对介质恢复过程进行了高速摄像。试验示波图和照片说明,所提电磁斥力高速开断器斥力仿真模型是正确的,提升开断速度可以有效优化电磁斥力高速开断器的介质恢复特性。     

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。     

基于多场耦合的电磁斥力机构运动参数研究

为深入研究电磁斥力机构的多物理场耦合及其在产品设计中的影响,采用理论建模和仿真实验的方式,以温度场为媒介对典型电磁斥力机构运动参数进行多物理场耦合建模,统筹分析电场、磁场、温度场、应力场等多物理场的耦合效应.首先,通过实验验证仿真模型的准确性;其次,对比分析顺序耦合与直接耦合之间的差异,归纳出单次动作时多场耦合对电磁斥...     

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。     

基于电磁斥力机构的快速接地开关的仿真与设计

快速接地开关通过装置的快速动作形成的金属性短路熄灭故障电弧,从而保障设备以及人身安全。通过理论分析以及有限元仿真软件（ansoft）研究了快速接地开关最重要的两部分：电磁斥力机构以及永磁保持机构。通过改变电磁斥力机构的结构和电气参数获得了这些参数之间的关系并且设计了新型快速接地开关。仿真结果表明,样机的反应以及合闸时间都与设计相符,达到了快速接地开关的设计要求。     

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.     

微型高速电磁斥力机构设计

为设计一款微型高速电磁斥力机构样机,通过有限元方法将电磁场、结构力场、电路耦合求解,研究斥力线圈匝数、斥力盘结构参数对运动部件运动特性的影响,提升机构效率;同时对运动部件进行应力分析,通过结构优化保证机构的机械强度.研究结果表明:增加斥力线圈匝数,可以增加运动部件速度,提升机构效率,但增速变缓;增加斥力盘厚度,会降低机...     

混合型限流器高压转换开关电动斥力简化计算

混合型限流器的关键部件电动斥力机构目前主要采用有限元软件仿真分析,为了能使用简单可行的解析手段分析电动斥力机构,提出了按其能量平衡方程推导出的斥力表达式,即斥力等于驱动电流的平方与等值电感对动盘位移微分的乘积,且后者在动盘运动初瞬为常数。利用加速度传感器间接测量电动斥力,结果表明等值电感与动盘位移间有线性关系。实测加速度滞后驱动电流约100μs,原因是斥力从动盘传至加速度传感器过程的机械传输时间。试验结果与理论分析一致,证明电动斥力在动盘运动初瞬全部用于产生加速度,而后随动盘速度和位移增大加速度逐渐减小。     

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。     

电磁推力机构的一种分析方法

基于平行排列的同轴双圆形线圈模型,导出了计算电磁推力的基本分析公式。计算指出:两个单匝线圈的互感、互感对位移的导数在其半径相等时取得极大值。针对一具体算例,通过改变感应线圈的半径,计算了通电线圈的电流、感应线圈的涡流和电磁推力的变化情况。分析结果表明,在线圈电流衰减到零之前,电磁推力会变为电磁吸力,从而引起开关触头合分时的反弹现象。最后给出一种新的电磁推力机构动态分析的方法,藉此可以方便地实现电磁推力机构的综合优化设计。     

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。     

Study of Superconductor Recovery Time Characteristics and High‐Speed Reclosing of Electromagnetic Repulsion Switch

Using a high‐temperature superconductor, we constructed and tested a model superconducting fault current limiter (SFCL). The superconductor and a vacuum interrupter serving as the commutation switch were connected in parallel using a bypass coil. When the fault current flows in this equipment, the superconductor is quenched and the current is then transferred to the parallel coil due to the voltage drop in the superconductor. This large current in the parallel coil actuates the magnetic repulsion mechanism of the vacuum interrupter and the current in the superconductor is interrupted. Using this equipment, the current flow time in the superconductor can easily be minimized. On the other hand, the fault current is also easily limited by the large reactance of the parallel coil. This system has many advantages. Thus, we introduced an electromagnetic repulsion switch. High‐speed reclosing after interrupting the fault current in the electrical power system is essential. Thus, the SFCL should recover to the superconducting state before high‐speed reclosing. But the superconductor generates heat at the time of quenching, and it takes time to recover to the superconducting state. Therefore, the recovery time is an issue. In this paper, we study the superconductor recovery time. We also propose an electromagnetic repulsion switch with a reclosing system. © 2011 Wiley Periodicals, Inc. Electr Eng Jpn, 175(3): 12–19, 2011; Published online in Wiley Online Library ( wileyonlinelibrary.com ). DOI 10.1002/eej.21072     

新型电磁推力机构设计与仿真分析

电磁推力机构是一种利用涡流原理制作的新型快速操动机构,在电力系统故障限流、电能质量控制以及相控开关等诸多领域具有广阔的应用前景。本文通过对电磁推力机构的原理和结构进行分析,提出并设计了一台12kV断路器用配永磁保持的新型电磁推力机构,并利用有限元分析软件Maxwell对设计模型进行仿真分析。计算出保持力数值与设计值基本相符,此外,得到该机构的动态参数:仅需1.25ms就可完成合闸,平均速度可达8.8m/s,满足设计要求,从而验证了设计的合理性。