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。     

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。     

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。     

为提高分闸能力的永磁操动机构的研究与设计

永磁操动机构具有零部件少,可靠性高,免维护,对真空断路器良好的出力特性等优点。传统的永磁机构分闸速度较低,分闸过程较长,分闸电流较大。基于电磁感应定律,椤次定律和安培定律的应用,在动铁心的分闸端安装两个磁短路环,可以在动铁心启动前大大地削弱合闸永磁保持力。配合好的加工工艺,短路环能够实现自动起动、复位,能够避免误动作。通过数学模型的建立和仿真分析,配有短路环的永磁机构具有更快的分闸速度和更小的分闸电流,达到电路的快速分断和熄弧,以及控制回路简单可靠的目的。高压永磁机构的行程长,传统的永磁机构所需操作电流很大,因此至今没能投入应用,而配用这种短路环后,可以显著降低线圈的始动电流,有望将高压永磁机构投入实际应用。     

高压断路器新型电机操动机构的动态特性

研究一种高压断路器新型电机操动机构,设计分析永磁直线直流电机及其运动特性。根据40.5kV真空断路器机械特性的要求,设计了一台配有制动保持装置的电机操动机构。利用有限元方法建立电机操动机构的仿真模型,对永磁直线直流电机的基本特性和起动过程进行动态特性仿真,得到了电机运行时的电磁推力、电流、速度等曲线,并进行了分析。结果表明,电机操动机构能够提供足够的合分闸速度,满足真空断路器开断和关合的要求。     

35 kV侧动式高速真空断路器研究

基于侧动式机械缓冲装置对真空灭弧室合闸冲击力小,电磁斥力分闸操动机构反应时间短等优点,在大量分析和优化设计的基础上,研制一种永磁合闸、电磁斥力分闸的35 kV双稳态侧动式高速真空断路器。试验表明,该真空断路器合闸速度在10 ms以内,分闸速度在5 ms以内。解决了传统断路器难以实现快速分合闸和寿命短的缺陷问题,为行业内断路器操动机构的选择提供参考。     

直流快速开关机构设计研究

直流快速开关作为大容量直流供电系统安全运行的保证,其开断的分闸速度与开断的固有分闸时间直接影响到直流快速开关的快速性与合理可靠性。文中通过研究直流快速开关斥力机构工作原理,分析现有直流快速开关机构操动机构、保持机构、缓冲机构的结构形式与优缺点,总结出了直流快速开关斥力机构的2种操作机构,2种保持机构,4种缓冲机构的结构形式。根据研究成果给出直流快速开关机构设计的单线圈斥力+单线圈永磁保持以及双线圈斥力+碟簧保持两种典型方案,为直流快速开关机构的设计与试验提供了指导原则,也可为其他相关工程提供参考。     

一种分析多连杆永磁操动机构动态特性的方法

动态特性是永磁操动机构优化设计中的关键问题。文中提出了一种适用于计算多连杆永磁机构的动态特性的方法。使用有限元法计算电磁场,通过对基于多体动力学理论的仿真软件ADAMS进行二次开发,将永磁操动机构的机械运动方程与电路、磁场的方程进行耦合求解,实现了对永磁操动机构分合闸过程的动态特性仿真。结果表明:分闸弹簧的预压力仅会引起动触头和动铁心其运动特性的平移,而不影响分闸时间;增大永磁机构中动铁心的直径,会降低动触头的运动速度,并显著缩短整个分闸过程所需的时间,励磁线圈的电流也相对较小。相关的实验也验证了仿真结果的正确性。     

基于电磁斥力—永磁保持式机构的快速真空开关分闸运动特性分析北大核心CSCD

针对直流电网对快速真空开关分闸要求高的问题,提出了一种基于电磁斥力—永磁保持式机构的快速真空开关。利用有限元方法对永磁保持机构保持力和电磁斥力—永磁保持式机构分闸动作过程多物理场进行仿真分析,得出了永磁体厚度和静铁心内部厚度对永磁保持机构保持力的影响,掌握了变化量对机构分闸动作过程的影响。通过对基于电磁斥力—永磁保持式机构的快速真空开关样机的分闸特性测试,与仿真结果具有高度一致性,证明其正确性,对后续此类机构的优化设计具有指导意义。     

Opening characteristics of high current fast switch for DC circuit breaker北大核心

The stability of opening process of fast mechanical switch is the key factor affecting the breaking performance of DC circuit breaker. Based on the finite element method, the multi-field coupling calculation of electromagnetic, thermal and momentum is carried out for the opening process of high current fast switch with permanent magnet operating mechanism and electromagnetic repulsion mechanism. The influence of the driving coil input for the permanent magnet operating mechanism and different driving coil currents on the opening process of double-action mechanism are analyzed. The calculation results show that the permanent magnet suction force can be cancelled in advance when the driving coil of the permanent magnet operating mechanism is put in, thereby avoiding the opening spring back phenomenon caused by the electromagnetic repulsion force due to the short working time. Because the electromagnetic repulsion force is very large at the initial stage of opening,the driving coil input of the permanent maanet operating mechanism has little influence on the initial speed of opening. After the electromagnetic repulsion disappears, the greater the driving coil current of the permanent magnet operating mechanism is, the greater the speed to reach the rated opening distance after the electromagnetic repulsion force disappearing. In order to avoid opening rebound phenomenon, the current value of the driving coil should be selected reasonably. The comparison between the simulation results and the opening process characteristic curves of the actual prototype shows that two curves are in good agreement, which verifies the correctness of the simulation method. © 2023, Editorial Department of Electric Power Engineering Technology. All rights reserved.     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

一种永磁操动机构的智能控制与电子驱动装置的研制

永磁操动机构的控制与驱动电子化可实现其小型化和免维护。笔者研制的智能控制与电子驱动装置采用CPLD完成智能控制,并采用由SCR和IGBT组成的电子开关通断合分线圈电流,它不仅能完成断路器的合分闸操作,还具有过流/欠压分闸、合分闸闭锁、以及操作系统的故障监测、诊断与报警等功能。通过在断路器上成功的操作试验,给出了电子开关控制切断合分闸线圈电流较合理的时间范围。     

高压快速转换开关的研制

对高压快速转换开关进行了研究,并开发出一台单相试品。该开关由6 kV/400 A真空接触器灭弧室、双向电磁推力操动机构和双稳碟簧机构组成。试验表明,该快速开关的分闸时间为0.8 ms,合闸时间为2.3 ms。     

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。