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。     

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。     

工频零点电流转移限流及40.5 kV快速真空开关仿真

随着电网的发展和负荷密度的增加,故障电流不断增大,如不采取措施,一些区域的故障电流将超过现有断路器的开断能力。笔者提出了一种基于工频零点电流转移的限流器方案。由快速真空开关和限流阻抗并联组成限流器,放弃限制故障电流的第一个峰值,降低了限流器实现的难度。笔者从工作电压、电流转移、动稳定性和热稳定性,以及快速真空开关等方面,论证了这种限流器的可行性。建立了基于等效回路法的仿真分析方法,对40.5kV真空断路器的电磁斥力机构进行了计算和优化。结果表明,工频零点电流转移型限流器所需的快速真空开关是可以实现的。     

斥力机构中固定线圈的环氧板材弯折问题研究北大核心CSCD

文中针对高速电磁机构中固定斥力线圈的环氧板材在通过多次大电流冲击后出现的弯折或开裂这一问题,基于有限元方法,将电磁场与结构力场进行耦合求解,解释了环氧板材的弯折原因,讨论了相关结构尺寸对板材内应力分布的影响规律;根据影响规律对斥力线圈的固定形式进行改进,提出采用圆周约束替代原四角约束,并讨论了在环氧板材下端增加经过径向切割的金属板的可行性。最后,设计两组工程样机,进行了大电流下环氧板材冲击实验及圆周约束形式的机构耐受实验。仿真及实验结果表明:相比于四角固定形式,圆周约束的环氧板材内部应力分布更加均匀,且在相似应力分布下板材的结构尺寸更小。     

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。     

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。     

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.     

10 kV快速机械开关斥力机构仿真分析

世界规模最大的多端柔性直流配电网工程在广东珠海唐家湾成功投运,±10 kV三端口混合式直流断路器是其核心保护装置。基于电磁斥力机构的快速机械开关是该混合式直流断路器的关键部件,电磁斥力机构动作过程涉及电磁场、温度场、动力场及位移场等多场耦合,文中基于有限元方法对基于双线圈驱动斥力板和双稳态弹簧保持机构的快速机械开关进行多物理场全动态建模仿真,分析了不同线圈匝数、分闸电流与分缓电流投入时间差对开关运动特性的影响规律。分析结果表明:斥力线圈匝数过多,不利于分闸速度的快速提升,而斥力线圈匝数过少,不利于分闸速度的持续提升,并且在一定范围内分闸电流与分缓电流投入时间差越大,达到分闸位置时的时间越短,速度越小。与实际样机分闸过程中获得的驱动线圈电流及行程曲线进行对比,二者具有良好的一致性,为此类快速机械开关的优化设计提供一定的仿真方法及理论参考。     

快速断路器液压机构用双冗余斥力脱扣装置设计

柔性低频交流输电是输送20 Hz的全新交流输电技术,可有效提升输送的容量、距离及效率,解决海上风电远距离输送、电网安全互联等难题。由于其频率较低,断路器切除短路故障时存在燃弧时间长、能量大等问题,需要结合选相分闸的技术方案。220 kV及以上电压等级的快速断路器常采用双重化继保装置,采用双脱扣方式,其动作时间与单脱扣存在一定的时间差,影响选相分闸的准确性。针对上述问题,该文设计了一种带去磁线圈的双冗余斥力机构,对斥力机构的磁场、机械特性及动作时间差开展了研究。基于磁场的耦合关系提出了采用去磁线圈减小动作时间差的方法,并设计了双冗余斥力机构;建立其数学模型,推导了去磁线圈与斥力线圈间的磁场耦合关系;分析了电容电压、电容容量及去磁线圈匝数等参数对动作时间差的多因素耦合影响规律,获得了最佳设计参数。仿真结果表明,去磁线圈的设计能够有效地减小快速断路器动作时间差。进行了样机制作,实验验证了其可行性,为提升快速断路器选相分闸准确性提供保障。     

基于电磁驱动的40.5kV快速真空断路器研究

对快速操动机构操作方式和结构组合进行分析,利用永磁机构高可靠性、强可控性和电磁斥力机构动作速度快、触动时间短等特点,设计了一种单稳态永磁机构和双线圈斥力盘相组合的快速操动机构。利用Ansys Maxwell建立了快速操动机构的有限元模型,并进行了静态和动态仿真计算,使设计的快速操动机构满足快速真空断路器的特性需求。针对快速真空断路器合闸弹跳大的问题做了深入研究,给出了在断路器刚合点前14 mm位置处介入液压缓冲的最优方式,合闸弹跳减小为0 ms。研制出40.5 kV快速真空断路器样机,分闸时间3.6 ms,合闸时间14.6 ms,合闸弹跳0 ms,短路开断电流31.5 kA,短路关合80 kA的参数满足技术要求。样机在电力工业电力设备及仪表质量检验测试中心通过了容量试验、10 000次机械寿命、温升、绝缘等试验验证。     

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。     

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。     

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。     

电磁斥力机构中固定线圈的环氧材料的失效分析与改进措施

针对包裹斥力线圈的环氧材料在机构多次使用后易失效问题,基于有限元分析和实验验证,对环氧材料的失效原因进行讨论并提出改进措施。通过电磁场和结构力场的耦合求解,获得在线圈电磁力作用下环氧材料的应力分布,解释环氧板弯折与环氧胶开裂的原因;提出采用圆周约束替代四角约束以降低环氧板内的应力,并在斥力线圈上端增加环氧薄板以改变固定约束位置,降低环氧胶内的应力集中位置以解决其开裂问题;最后设计两组工程样机,分别进行环氧板在四角约束下的冲击电流实验和在圆周约束下加装环氧薄板后的耐受实验。仿真与实验结果表明,相比于四角固定形式,环氧材料在圆周约束下的应力降低明显,且在斥力线圈上方加装环氧薄板后可有效降低环氧胶内应力,机构在经过5000次耐受实验后未出现环氧板弯折或环氧胶开裂问题。     

基于多策略粒子群算法的500 kV直流断路器用快速机械开关优化设计北大核心CSCD

快速机械开关作为混合式直流断路器系统的关键设备,其操动机构多选用电磁斥力机构,电磁斥力机构的磁场电场相互耦合,仅通过控制变量法难以从整体上对电磁斥力机构进行优化设计。为此,提出一种多策略改进粒子群算法,并将其应用到斥力机构的参数优化中。首先,利用Ansoft Maxwell仿真分析了电磁斥力机构的线圈盘尺寸、金属盘尺寸和放电回路参数对快速机械开关动态性能的影响,确定了主要的优化设计参数;其次,针对基本粒子群的缺陷,结合重开端及反向学习策略进行改进并验证了改进后算法的优势性;最后,根据优化后的参数制造了样机并进行了动态性能测试。测试结果表明:优化后的开关的分断速度得到提高的同时减小了开关的总体积和成本,验证了优化设计的有效性。研制出的快速机械开关将投入张北±500 kV柔性直流输电工程使用。     

基于螺线管和线圈盘的新型混合式斥力机构分析

斥力机构凭借其快速性在中压直流领域得到广泛应用,为解决高压断路器长行程驱动速度和效率低等关键问题,该文对比分析线盘式和螺线管式机构的原理和特点,综合两者优点提出了适合长行程的串联混合式斥力机构的设计思想。基于有限元分析方法建立仿真模型,分析串联混合式、线盘式以及螺线管式机构的运动特性,研究串联混合式机构瞬态磁场分布以及机构间的影响规律,初步验证其可行性。然后对串联混合式机构进行结构紧凑型优化设计,设计一种新型混合式斥力机构,进行运动特性对比分析。研究表明,新型混合斥力机构综合线盘式机构的快速性和螺线管机构的持续性的优点,具有响应速度快、适合长行程快速驱动的特点,在电容电压1 000V,容量5 000μF条件下,响应时间0.5ms,60mm全行程时间5.6ms。该文为高压断路器长行程快速斥力机构的研制提供了参考依据。     

基于电磁耦合双线圈模型电磁斥力机构结构参数的优化分析

针对现有电磁斥力机构等效计算方法无法有效应用的问题,提出了一种电磁耦合双线圈模型的等效计算方法。等效模型主要包括驱动回路与感应回路两部分,在基本电路方程之外,引入了电磁斥力与机械运动的计算。通过合理的简化,对等效模型中集肤深度、线圈电阻、线圈自感、线圈互感等参数进行辨识。在此基础上,以某型1 000 V/400 A电磁斥力机构样机为算例,采用时域迭代的离散算法较为系统地分析了两线圈内径、径向厚度以及斥力线圈匝数、轴向厚度等对机构效率和动子行程的影响规律。所得到的规律性认识可有效指导电磁斥力机构的优化设计。     

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。