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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

快速机械开关线圈型电磁斥力机构优化设计

基于线圈型电磁斥力机构的快速机械开关是混合式高压直流断路器核心设备之一,其小于2 ms的快速动作特性和可靠性对直流断路器开断性能至关重要。为改善快速机械开关的动态特性和能量转化效率,建立了线圈型电磁斥力机构的有限元模型,仿真分析了线圈、储能电容和充电电压对快速机械开关动态性能的影响,并采用粒子群优化算法对快速机械开关的线圈型电磁斥力机构进行优化设计。优化结果表明快速机械开关触头2 ms的运动位移以及能量转换效率得到提高。最后研制了舟山工程200 k V高压直流断路器用快速机械开关,对优化设计后的快速机械开关进行动态性能测试,验证了优化算法的有效性。文中提出的优化方法也为更高电压大电流等级快速机械开关提供设计指导。     

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。     

500 kV快速开关型故障限流器的罐式快速开关

快速开关型故障限流器是有效限制短路电流的方案之一。该研究提出一种适用于500 kV故障限流器的多断口串联罐式快速开关，该开关采用气体绝缘金属封闭式结构，断口采用真空绝缘形式。操作机构采用电磁斥力机构，开展三维有限元仿真优化有效提升斥力机构的出力效率，平均分闸速度>5m/s。对地绝缘方面，开展了断口绝缘屏蔽结构的电场仿真优化机绝缘试验，结构优化后场强最大为18k V/mm。端间绝缘方面，开展了整机的杂散电容仿真、均压效果仿真与试验验证，通过配置均压电容不均压系数限制在1.24以下。最后搭建整机样机，进行了短路开断试验，试验结果表明：罐式快速开关具备快速开断50 kA电流的能力，全开断时间小于15 ms。     

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。     

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。     

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。     

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。     

永磁斥力组合驱动系统的试验研究

阐述了永磁驱动机构和电磁斥力驱动机构的优缺点,提出一种永磁斥力组合驱动系统,该系统充分发挥两种机构的优点,即把永磁驱动机构的稳定驱动力和电磁斥力驱动机构的快速响应时间有机结合起来,以期达到快速稳定的效果.经过样机试验验证,永磁斥力组合驱动系统相比单纯的永磁驱动机构能缩短1/3的时间,特别适合于开距较大的断路器.     

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。     

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。     

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。