Dynamic analysis and design of a high voltage circuit breaker with spring operating mechanism

Spring Operating Mechanism (SOM) is a dynamic system to open and close the circuit breaker in a voltage controlling system. For a high-speed action of opening and closing within a few mili-seconds, a SOM consists of many links, joints, chains, and cams. Thus, various dynamic characteristics are occurred, especially large contact forces between the cam and the roller, the shaft and the stopper. To save time and money for a new design of SOM system, analysis of the mechanism is necessary. In this paper, a multibody dynamic analysis and test technique was applied for a SOM to predict, estimate and validate forces occurring during the operation. For the multibody dynamic analysis, the ADAMS program was employed for 145kV circuit breaker with a SOM. For an accurate modeling, several components were sequentially added and the reliability of modeling was validated through the comparison with test data of opening and closing.     

空气直流断路器开断特性的分析验证

针对直流断路器在开断过程中电弧熄灭比较困难的问题,对空气直流断路器的开断特性进行了分析研究。分析了如何有效的缩短电弧的燃烧时间,研究了时间常数对断路器开断能力、电弧电流上升率的影响及断路器开断电流的大小与燃弧时间的关系。基于上述研究分析,制造出了样机,并利用高压直流试验台模拟不同的短路故障电流对直流断路器进行了多次开断试验测试,获得了很多试验数据,研究结果表明:断路器在额定电压为DC1800 V,能够可靠切除短路故障电流达到80 k A,断路器开断电流随着时间常数的增大而减小,燃弧时间随着开断电流的增大而减小。     

断路器弹簧操动机构双四杆机构优化设计

断路器弹簧操动机构中四杆机构的结构参数直接影响着断路器动触头的速度和位移。很多厂家在生产弹簧操动机构过程中,四杆机构设计较多为经验设计,需要不断试验、修改、比较。为适应实际生产过程中不同机构输出要求,能够快速准确给出四杆机构系统的理论设计方法和修改方案尤为重要。文中通过分析四杆机构与断路器弹簧操动机构的输出特性的关系,按照输出力特性设计铰链四杆机构结构参数。基于粒子群优化算法求解计算结果,运用MATLAB编程设计图形用户界面。图形用户界面中通过调整相应参数可以快速修改方案并得到计算结果,使弹簧操动机构四杆机构设计直观方便。     

基于Pro/E和ADAMS的高压断路器机构仿真分析

针对高压开关操动机构的动力学问题,通过Pro/E建立仿真模型,以Parasolid格式导入ADAMS/View,利用多体动力学仿真分析软件ADAMS,对断路器机构系统进行动态仿真建模与分析,为断路器设计和优化提供了良好的平台。分析结果表明,该高压断路器结构响应能满足设计要求,增大合闸弹簧刚度和超程弹簧刚度可以降低合闸时间和动触头弹跳量。     

断路器弹簧应力松弛研究

利用商用有限元软件ANSYS,对真空断路器弹簧操动机构超程螺旋弹簧的非线性蠕变应力松弛现象进行了研究。根据所建立的断路器超程弹簧三维有限元分析模型,求得了弹簧在位移栽荷作用下弹簧体内蠕变松弛应力的衰减情况。分析表明在外部载荷作用下,由于弹簧中的弹性变形会向微塑性变形转变,使得弹簧内剩余应力逐渐减小,并表现出了较明显的非线性。并且初始应力越大,蠕变应力松弛速率也会越大,但在稳态阶段,初始应力对残余应力的衰减速度几乎没有影响,研究结果对于今后断路器弹簧操动机构超程弹簧及其它弹簧的强度设计和维护有一定的参考价值。     

基于电机电流分析的万能式断路器机械故障诊断

电机电流信号常用于分析电动机本身的故障问题,但对其应用于与电机相连机构的故障分析的研究较少。提出一种基于储能电机电流分析的万能式断路器操作机构故障诊断方法。首先采用Hilbert幅值解调法和改进的小波包阈值法相结合获取交流电流信号的包络线,以解决随机噪声干扰造成的所提取包络线粗糙的问题;然后通过包络线提取电流信号的时间量、电流量以及峭度作为不同故障状态电流波形的特征参数;最后融合模糊聚类和量子粒子群优化的相关向量机实现对断路器正常状态、传动齿轮卡涩、储能弹簧卡涩以及脱落的4种状态的辨识。构建了基于电流分析的万能式断路器故障诊断系统,在不同工况下进行了验证,结果表明该方法能有效提取操作机构储能相关部件的故障特征,实现了对操作机构储能相关部件的故障诊断。     

碟簧液压操动机构的建模与仿真

在AMESim中建立了220 kV断路器所配碟簧液压操动机构的液压系统仿真模型,分析空载条件下的动态特性,得到电磁铁电流、断路器行程、分闸缓冲腔压力、分闸时间和分闸速度的结果,与实测结果对比吻合度好,证明系统仿真模型的准确性。     

液压弹簧操动机构缓冲结构的仿真研究

液压弹簧操动机构是高压断路器的重要组成部分,决定了断路器的分合速度和工作稳定性,而缓冲结构在操动机构动作过程中起着不可或缺的作用。为研究和优化800 kV超高压断路器的缓冲结构,对其进行理论分析,利用SolidWorks和ADAMS软件建立内阶梯形缓冲结构的数学模型,建立基于AMESim和ADAMS软件的联合仿真模型,并对分闸缓冲进行试验测试。通过仿真分析和试验研究,得到缓冲结构的动态缓冲油压及流体特性,对五级阶梯形缓冲结构进行优化改进,进一步提高了液压弹簧操动机构的可靠性和适用性。     

混合式直流断路器控制策略及实验验证

针对现有的限流式混合直流断路器存在的损耗较高、控制难度较大的问题,对一种机械开关串小电感结构的直流断路器拓扑模型的工作原理、短路故障开断、控制保护策略等方面进行了研究。对该新型限流式混合直流断路器的拓扑结构进行了低电压等级的单元样机研发,并完成了样机平台的搭建。对样机中不同控制模块的处理流程进行了详细的分析和介绍。最终,通过一整套合理的控制策略,在样机上进行了断路器的正常分合闸及短路故障开断等相关验证性试验。研究结果表明,该新型限流式混合直流断路器能够凭借自身的优良特性,在短路换流过程中加速固态开关的导通,完成短路故障的快速有效切断,同时降低了断路器的设备复杂度和控制难度,具备明显的技术优势和成本优势。     

真空断路器触头碰撞的分析和优化

真空断路器在合闸时,由于动静触头发生碰撞,它们之间会产生一定程度的弹跳,从而引起触头之间的高压拉弧.高压拉弧容易引起触头熔焊,影响开关工作的可靠性,甚至损坏开关.因此断路器的设计常常是在触头端设置弹簧,以缓冲动静触头之间的碰撞.运用虚拟样机技术,对静端加缓冲弹簧的真空断路器合闸过程进行了仿真,对缓冲弹簧的刚度进行了优化...     

基于Maxwell电磁阀的开关动态响应研究

针对电磁阀开启和关闭响应时间相互影响的问题,基于Maxwell建立了电磁阀瞬态场三维模型,对影响电磁阀性能的关键因素进行仿真研究。根据力学方程、电路方程和磁路方程搭建了电磁阀运动模型,并分析了电磁阀材料的选择。仿真结果表明,增大弹簧刚度会使电磁阀上升时间和关闭响应时间延长;弹簧预紧力会使开启延迟减少的同时使关闭延迟增大;工作气隙越小的电磁阀开启响应越快且关闭响应减慢;磁感应强度在B-H曲线“膝点”附近会有更好的响应特性。通过仿真分析,为电磁阀设计参数的选择提供了新的思路和解决方案。     

基于多传感器和4G通信的真空断路器监测系统设计

为了实现对真空断路器由人工定期检修到实时状态检修的转变,文中设计了一种真空断路器监测系统。系统以STM32F103为微处理器,搭载位移传感器、加速度传感器、霍尔电流传感器和压力传感器,对真空断路器触头位移量、机械振动量、线圈电流量及触头接触压力量进行实时监测。采用EC20作为4G通信模块,将实时数据传输给上位机,实现人机交互。诊断系统根据特征波形进行故障分析,最终判断故障原因。实验结果表明,系统可以对真空断路器进行实时监测和故障诊断,确保断路器发生故障时能够及时维修。     

大电流发电机断路器动特性优化

以EVH4-15/T6300-80F高压交流发电机断路器为例,介绍了大电流发电机断路器动特性,同时应用CAE软件对断路器在不同的结构配置下的动特性进行了分析研究,并介绍了在实物样机上的验证结果。     

基于Wiener过程的万能式断路器附件剩余寿命预测*

万能式断路器作为一个复杂的机械系统,其操作附件的剩余寿命预测对于维护断路器的可靠性至关重要。为准确掌握操作附件剩余寿命情况,提出了一种基于Wiener过程的万能式断路器操作附件剩余机械寿命预测方法。首先,通过对操作附件动作过程中线圈电流波形的分析选取了动作时间作为性能退化特征量;其次,考虑到断路器操作附件性能退化过程具有线性非单调的特点,采用Wiener过程建立了操作附件的性能退化模型,并利用极大似然估计法对退化模型参数进行估计;然后,基于首达时间的概念建立了剩余寿命预测模型,推导出剩余寿命概率密度函数解析式。最后对安装于万能式断路器上的分励脱扣器和释能电磁铁两种操作附件进行全寿命试验及其剩余寿命预测,预测结果验证了所提方法的有效性。     

小型断路器操作机构的动作可靠性分析

对小型断路器操作机构的动作可靠性灵敏度进行探讨。运用机构可靠性设计理论中的Monte Carlo法分析了操作机构在过载分断时的动作可靠性,构建了操作机构在过载分断时的动作可靠性模型;同时,利用Monte Carlo法分析了操作机构的动作可靠性灵敏度,给出了操作机构随机参数可靠性灵敏度的变化规律,研究了随机参数的改变对操作机构动作可靠性的影响。结果表明,该方法能够有效地分析小型断路器操作机构的动作可靠性,同时也可为小型断路器操作机构的可靠性设计提供参考。     

基于稳健优化的真空断路器弹簧操动机构分闸弹簧设计

将稳健设计思想和优化设计思想相结合,将加工误差等因素引起的影响考虑在设计变量的容差之中,寻求弹簧刚度系数误差最小化,且以弹簧结构参数在其容差内变化时弹簧刚度系数的最大波动量的最小化为优化目标,建立了具有多目标、两级优化的分闸弹簧稳健优化设计数学模型。提出了系列求解该数学模型的优化策略。将稳健优化设计数学模型应用于10kV、12．5kA真空断路器弹簧操动机构中的分闸弹簧的设计,有效改善了分闸弹簧的力特性及真空断路器的分合闸速度特性。     

百万伏大功率操动机构液压系统优化设计

作为高压断路器核心部件之一,液压操动机构具有响应快、流量大、瞬时爆发大功率、长期等待性等特点,该文以1100kV特高压断路器液压操动机构为对象,研究基工作原理及关键部件(电磁铁,大流量高响应控制阀,高速液压缸内缓冲结构等)。基于AMESim仿真平台,建立包括电磁铁、蓄能器、高压大流量多级控制阀、高速液压缸内缓冲结构和连杆传动机构等在内的大功率操动机构液压系统仿真模型。通过实验测试的液压缸分闸过程行程曲线与仿真曲线对比,证明仿真模型的准确性,指导大功率操动机构液压系统的优化设计。     

基于TRIZ理论真空断路器的分析与改进

以TRIZ理论为基础,介绍了其问题模型和解决工具,并分析了技术矛盾的特点;对真空断路器出现的重击穿现象进行分析与研究,通过39个通用工程参数把强度和结构的稳定性作为技术矛盾的2个参数对其建立问题模型,然后利用矛盾矩阵对问题模型找出改进原理,结合实际问题过滤掉一些明显不符合要求的原理,实现了对真空断路器的改进。     

整流单元控制回路的特点及应用

基于SINAMICS S120装置设计的交流多机传动控制系统,介绍该S120回馈整流单元（SLM）的主要控制要求;结合实际设计工作,分析预充电控制回路和进线断路器控制回路的控制特点。对比分析单独BLM、两个并联的SLM以及并联的BLM和SLM分别用作电源模块时,进线断路器控制回路的特点。     

基于TRIZ理论真空断路器的分析与改进

以TRIZ理论为基础,介绍了其问题模型和解决工具,并分析了技术矛盾的特点;对真空断路器出现的重击穿现象进行分析与研究,通过39个通用工程参数把强度和结构的稳定性作为技术矛盾的2个参数对其建立问题模型,然后利用矛盾矩阵对问题模型找出改进原理,结合实际问题过滤掉一些明显不符合要求的原理,实现了对真空断路器的改进。