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。     

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。     

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。     

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。     

快速真空开关电磁斥力机构瞬态动力学研究北大核心CSCD

电磁斥力机构由于其分闸速度快,分闸时间短和分闸时间分散性低等优势,配备于快速真空开关,可极大地压缩电网故障的切除时间,当前受到了众多研究者的关注。文中的目的是研究配于快速真空开关的电磁斥力机构的暂态动力学特性。文中提出了一种新型的全耦合仿真方法,该方法耦合了柔体动力学模块、外电路模块、运动方程、多体动力学模块、瞬变电磁场和疲劳分析模块的求解过程,可对电磁斥力机构的暂态动力学特性进行全面评估。通过仿真计算了各零部件在分合闸过程中的速度、行程曲线、放电电流、洛伦兹力和应力应变等动态特性。确定了快速真空开关的易损部件,并对易损件进行集中分析,计算其疲劳寿命。建立了快速真空开关样机,并对样机的关键特性进行实验测量。实验证明,全耦合仿真的放电电流和行程曲线与实验结果的偏差小于8%。仿真结果得到的易损件应力集中位置与试验结果中疲劳失效位置一致,验证了全耦合仿真的准确性。     

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。     

基于双向永磁保持的10kV直流快速机构设计

针对现有10kV直流快速操作机构对加工和装配工艺要求高的问题,提出了一种对工艺要求不高的双向永磁保持直流快速操作机构。建立了电磁斥力机构的仿真模型,通过Infolytica磁场仿真确定了斥力线圈参数,得出电工纯铁线圈骨架比环氧树脂和聚四氟乙烯材料更有利于降低分闸时间。通过对原理样机的试验测试,验证了仿真优化的正确性及双向永磁保持直流快速操作机构的可行性。     

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.     

基于虚拟样机技术的永磁机构真空开关运动特性研究

采用虚拟样机技术建立了一种单稳态永磁操作机构真空开关ADAMS仿真模型,结合M atlab实现了多场耦合仿真,完整真实地再现了永磁机构真空开关的合、分闸动作过程,获得动铁心及动触头的运动曲线。通过对永磁操动机构参数优化,减小了触头弹跳,获得了预期的分、合闸特性参数。     

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。     

快速机械开关机械特性和结构强度研究

电磁斥力机构是快速机械开关的核心部件,在快速合闸和分闸过程中巨大的电磁驱动力会给电磁斥力机构和整个机械传动系统带来强烈的瞬态冲击。针对该问题,文中对电磁斥力机构在合闸和分闸全过程中的机械特性和结构强度进行了研究。采用LS-DYNA建立快速机械开关的有限元仿真计算模型,并求解得到合闸和分闸全过程各零部件的机械运动特性和瞬态冲击强度。采用激光测距对某单断口快速机械开关进行了实验测量,得到合闸和分闸过程的时间—行程特性曲线,实验测量结果和仿真计算结果匹配良好。最后对仿真计算模型进行参数优化,从而降低合闸弹跳、分闸过冲与反弹并减少零部件内部的瞬态冲击应力。文中的仿真计算方法和所获结果能为快速开关的运动特性分析、瞬态强度校核和设计参数优化提供指导。     

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。     

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。     

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。     

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。     

快速真空开关合闸触头弹跳暂态过程研究

以电磁斥力驱动器作为操动机构的快速真空开关具有分闸速度快,分合闸时间短和分合闸时间分散性小的优势,目前已广泛应用于多种电力设备中。目前对于快速真空开关的分闸过程已有众多研究,但合闸过程的相关问题尚属空白。文中研究了快速真空开关合闸过程中触头弹跳问题。建立了多物理场耦合仿真模型,完整描述了快速真空开关的合闸过程。得到了快速真空开关的v₁与D_max的关系,其中v₁为合闸过程中动静触头首次接触的瞬时速度,D_max为动触头的最大弹跳距离。根据这一关系式,确定了合闸过程中无触头弹跳情况下的临界瞬时合闸速度v_cri。根据v_cri限制,设计了一种新型的油阻尼器来调节快速真空开关的合闸行程曲线,实现无触头弹跳合闸。研制了装备新型油缓冲器的快速真空开关,搭建了机械特性测试平台,对其合闸特性进行了测试。测试结果表明：测量结果与仿真结果之间的误差不超过10%,且实现了无触头弹跳合闸。     

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。