高铁过电压对车载牵引供电系统的影响机理及抑制方法:系统性综述

为了追求更高的牵引速度及更强的运载能力,高铁车载牵引供电系统功率容量不断提升,现有牵引供电系统及关键设备需要应对更高频次、更大幅值的过电压冲击,如何保障列车在高速运行状态下牵引系统安全、可靠地运行是如今高速列车设计面临的重要技术挑战。详细调研了过电压导致牵引供电系统出现的典型故障,归纳了高速列车中过电压的种类及相关特性,目前主流的牵引供电方式包括采用带回流线的直接供电方式与自耦变压器(automatic transformer,AT)供电方式,均是单相交流供电制式。为了保障三相负荷平衡,防止系统中负序电流的产生,传输异相电流的相邻供电臂间通过绝缘分相区进行隔离。列车在驶过分相区时需要操作车载真空断路器(vacuum circuit breaker,VCB),分合闸过程中会产生剧烈的过电压冲击;此外,“弓-网”离线电弧及“轮-轨”滚动电弧频发,也伴随着过电压。通过调研目前已构建的牵引供电系统过电压特性仿真模型,探究了过电压的产生机理及传播规律;梳理了影响过电压特性的关键因素及抑制措施;明确了未来的研究重点,即“弓-网”及“轮-轨”燃弧过电压产生的机理和影响;“多车共臂”及“多车重联”工况下过电压的传播规律;展望了“源头-路径-终端”三位一体的过电压抑制方法。

高速铁路动车组主断路器转换阀射流噪声模拟分析及其降噪措施

[目的]高速铁路动车组主断路器转换阀的射流噪声非常高,严重影响了旅客的乘坐舒适性,因此有必要研究有效的降噪措施。[方法]进行了转换阀射流噪声的现场试验,测得其噪声高达96 dB,且呈现明显的间歇性与脉冲性。采用大涡模拟方法建立了转换阀射流噪声仿真数学模型,选取四种不同形状的喷口,计算得到了这四种喷口的流场速度云图。将射流流场计算结果导入LMS.Virtual.Lab软件,采用声学边界元方法模拟计算这四种喷口的射流声场,并将计算得到的四种喷口1/3倍频程频谱的模拟值与试验实测值进行对比。选取了既有的四种工业消声器,以及研发的新型结构复合材料消声器,对转换阀的降噪效果进行测试。[结果及结论]转换阀因断开主断路器而产生射流噪声。转换阀射流噪声与排气口形状密切相关,射流噪声为中高频噪声。五种消声器均能显著降低转换阀射流噪声,新型结构复合材料消声器的降噪效果最好,其降噪量可达20 dB。

济南地铁3号线牵引系统高速断路器控制电路优化

[目的]济南地铁3号线运营初期,在操作高速断路器闭合时,多次偶发性报出高速断路器闭合故障。为了提高列车运行可靠性,需对该线路牵引系统高速断路器控制电路进行优化。[方法]根据3号线列车高速断路器闭合故障发生时的相关指令及器件状态,结合高速断路器控制逻辑原理对高速断路器偶发性无法闭合故障原因进行分析,并提出优化措施。[结果及结论]高速断路器闭合故障原因为:高速断路器在闭合控制过程中,其线圈两端产生的感应电动势使得高速断路器合闸功率不足,导致高速断路器偶发性无法闭合。优化措施为:通过在高速断路器线圈两端接入续流二极管,抑制高速断路器线圈产生的感应电动势。采取上述优化措施后,未再次发生因感应电动势导致的高速断路器无法闭合故障,有效提升了列车运行的可靠性。

真空断路器结构与传动特性分析

铁路构成了我国的基础设施框架,扮演着经济活动核心的角色,也是大众日常出行不可或缺的选择。在交通运输领域,铁路充当着坚强的支柱,确保其运行安全对民众、社会以及国家的利益至关重要。真空断路器作为铁路列车的重要高压设备,其地位日益凸显。它不仅是确保铁路运输安全与高效的关键要素,还肩负着传递电能,运载动力的重任。真空断路器的结构安全和气动性能对铁路列车顺畅运作是极其关键的。

电子技术在继电保护装置性能改进中的应用

阐述电子学技术在继电保护装置中的应用,包括电子式互感器、高速数字信号处理器和智能断路器的应用。并分析其性能改进的效果,提出未来电子学技术在继电保护装置中的发展方向。

船用交流中压真空断路器抗冲击性能的技术研究

抗冲击性能是船用交流中压真空断路器在承受瞬时冲击时能否可靠运行的关键。借助高速摄像仪对交流中压真空断路器初期摸底试验情况进行分析,设计两种抗冲击结构优化方案。对断路器操作机构和触头系统建立ADAMS多体动力学仿真模型,完成对断路器抗冲击过程的仿真分析和优化设计。最后,结合冲击摸底试验验证,满足断路器的抗冲击性能,具有重要的工程意义。

10kV快速分相断路器样机研制

设计了一种分相式快速真空断路器,主要由混合式快速机构和固封极柱构成,混合式快速机构包括永磁机构和双线圈斥力机构2部分。利用Ansys Maxwell对快速机构进行了建模和有限元分析及其优化;并考虑实际产品中斥力机构的整体结构布局,对斥力部分线圈骨架材料及结构形式、有无斥力外壳支架进行了针对性的仿真优化。在仿真的基础上,研制了10 kV快速真空断路器的实验样机,并通过大量的实验验证了仿真的正确性。针对因快速机构合闸速度快导致的合闸弹跳大的问题,采用了液压缓冲装置及对其合理的结构设计来解决。最终实测其分闸时间为2.1 ms,分闸反弹小于2 mm,合闸时间为9.6 ms,合闸弹跳小于1 ms,满足国标规定和项目要求。样机在中国电科院试验站通过了包括短路关合和开断试验、机械试验、温升试验及动热稳定试验在内的多项型式试验。

爆炸活塞式高速开关的分析与设计

提出了一种爆炸活塞式高速开关,它是一种新型大容量高速电路开断装置.介绍了爆炸活塞式高速开关的工作原理,采用ANSYS热电耦合仿真进行了通流能力设计,计算了装置炸药量,用LS-DYNA仿真进行了爆炸气缸抗爆强度的设计,综合这3个步骤设计了380V/2 000A装置样机,并通过试验验证了样机的性能.试验中装置主载流体开断时间约116μs,动触头分离初始阶段平均速度约8.5 m/s.该装置与其他爆炸式高速开关相比,具有易更换,炸药安全性、稳定性高,炸药用量小等优点.

断路器型零损耗故障限流装置的研制及试验

装设故障限流装置是解决日益严重的电网短路电流超标问题的有效技术措施之一。基于智能快速断路器技术、短路电流过零点精确相控开断技术研制了一套330 k V开关型零损耗电网故障限流装置。该装置采用模块化设计方法,在正常运行时损耗为零,短路故障发生20 ms内,可将80 k A及以下的短路电流限制在系统断路器安全开断水平。装置成功在330 k V线路上通过了带电、挂网运行和2次人工单相瞬时短路试验,验证了装置满足安全性、有效性和可靠性的要求。

高压断路器液压操动机构油缸缓冲过程仿真与试验

对550 kV超高压断路器液压操动机构中高速油缸的台阶型内缓冲结构进行仿真分析与试验研究,提出了通过判别雷诺数来选择缓冲过程中节流损失方程的建模方法,结合CFD流场分析对其缓冲节流过程进行了分阶段建模。仿真分析了油缸缓冲过程的压力、速度、位移等动态特性,并与试验测试结果进行了对比。结果表明,仿真分析结果与试验测试结果吻合较好,证明了建模方法的有效性与仿真模型的准确性,揭示了高速油缸缓冲过程的运动机理,指出了现有缓冲结构峰值压力和末速度过高的原因,可指导台阶型内缓冲结构的优化。

高速直流断路器用磁脱扣器调节特性研究

可调节式脱扣器是断路器系列化产品的重要组成部分,调节特性是评价断路器调节能力的主要依据,也是设计可调节式脱扣器的关键因素。为此以高速直流断路器用磁脱扣器为例,首先计算脱扣器的静态特性和动态特性,获得脱扣器的调节特性曲线,并引入Pearson相关系数定量计算调节特性曲线的线性度。最后从脱扣器的调节范围、调节线性度、调节分度值、易操作性和调节方法复杂度,多个角度评估脱扣器的调节特性,为选择和优化脱扣器的调节方案提供基础依据。结果表明:预设铁核位移(dc),继而连续调节弹簧预压缩量(L0)的调节方案具有方法简单、调节范围大、线性度高的特点,适用于大范围调节脱扣电流的场合;预设L0,继而连续调节dc的方案具有调节分度值低、调节反力小的特点,通过搭配非线性刻度,减小调节误差,可用于微型电机自动调节或调节精度要求较高的场合。

新型混合型限流断路器在直流电力系统中的限流特性研究

针对直流电力系统高di/dt短路电流难以分断的问题,开展了基于高速斥力开关的混合型限流断路器在直流电力系统中的应用研究。对限流断路器的工作原理、参数设计以及高速斥力开关的动作特性进行了分析,采用EMTP仿真分析了限流断路器在不同短路电流上升率下的限流特性。仿真结果表明限流断路器可将预期100 kA、时间常数5 ms的直流短路电流限制到16 kA以内,限流分断时间小于2 ms;限流分断时间随着电流上升率的增加而减小,当di/dt向20 A/μs趋近时,分断时间趋近于1 ms。通过三相整流发电机直流系统预期30 kA、时间常数3 ms短路限流试验,验证了仿真结果以及限流断路器在直流系统中限流的快速有效性。

直流断路器用快速开关多场联合仿真优化方法

高速机械开关是混合式高压直流断路器中的关键部件,多采用电磁斥力机构,整个运动过程涉及多物理场耦合,现阶段单一电磁场仿真并不能准确的反应开关的分闸反弹和和合闸弹跳等运动特性,开展了电磁场与机械系统动力学联合仿真的研究。首先,设计了一种基于双稳态弹簧保持机构和电磁斥力机构的高速真空机械开关;其次,提出了一种能够全面反应快速开关动态特性的电磁场与机械动力学联合仿真方法;最后,建立了高速机械开关仿真模型,仿真分析了线圈、金属盘、储能电容等参数对快速开关分/合闸运动及碰撞特性的影响并进行了优化设计。优化结果表明,所设计的高速机械开关分闸在2 ms内运动20 mm全行程。该文的优化设计方法为混合式直流断路器快速机械开关优化设计提供理论指导,对于其他快速机械开关设计也有参考价值。

断路器机械特性的高速摄像法检测

绝大多数的断路器事故由机械故障引起,检测断路器机械特性具有重要意义。针对传统断路器机械特性检测方法的不足,提出了一种基于高速摄像机的断路器机械特性检测方法。介绍了该检测方法的基本原理,在断路器运动部件粘贴标点,利用高速摄像机记录断路器的开断过程,通过检测软件提取标点在每个画面中的位置,即可获得行程—时间特性,对其求导可获得速度—时间特性;建立了高速摄像法检测系统,包括高速摄像机、补光灯、标点及检测软件,通过对比试验确定了检测系统的测量误差;对ZW17型断路器机械特性进行了测量,获得了行程、速度特性曲线。研究结果表明:所建立检测系统的行程测量误差不超过1mm;高速摄像法可对断路器提供二维方向的行程、速度特性曲线,所含信息量较传统方法更为丰富。

基于机器视觉技术的高压断路器机械特性诊断

高压断路器是电力系统中重要的控制和保护设备,其可靠性会影响到电力系统的安全运行。调查显示高压断路器的主要故障为机械故障,需要对高压断路器机械特性进行检测。因此利用高速相机搭建了断路器机械特性测量平台,利用该测量平台对ZN63A–12型真空断路器进行试验研究,测量高压断路器合闸弹簧动态振动特性,同时将应力松弛故障弹簧与正常弹簧进行对比,探究弹簧应力松弛故障对断路器合闸弹簧振动特性的影响。此外,以高压断路器合闸过程为例,利用测量平台对四连杆机构动态运动过程进行拍摄,并通过计算得到合闸过程中连杆夹角变化曲线。研究结果表明:正常与应力松弛弹簧的振动特性存在明显区别,同时利用测量平台测量得到连杆之间的夹角由139.7°变化到175.6°,夹角变化了35.9°,与实际值相符合。

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。

基于强迫换流原理的新型真空直流限流断路器

提出了一种基于现有强迫换流型真空直流断路器的改进方案,并通过在高速真空开关两端并联反向续流二极管,使真空开关在电弧电流强迫过零后由于二极管的续流作用得到零电压介质强度恢复时间,提高了真空灭弧室电流过零后的介质强度恢复速度,使真空开关得以在小间隙下分断高上升率的短路电流,提高了传统真空直流断路器的限流、分断能力。设计了限流断路器样机,进行了短路分断试验。试验结果表明:所设计的限流断路器能将最大上升率为20A/μs的短路电流限流至10kA以下,限流分断时间小于1.1ms,满足了现代舰船极限短路故障的保护要求。

双向非一致混合型真空直流断路器的分析与设计

针对现代舰船直流电力系统交流整流发电机保护面临的断路器发电机侧短路时需瞬时分断高上升率短路电流,以及断路器电网侧短路时需短延时后分断短路电流的要求不同这一问题,提出了一种双向非一致混合型真空直流断路器的拓扑结构。采用强迫换流关断原理关断发电机侧短路时高上升率的短路电流,采用自然换流关断原理实现电网侧短路时短延时保护以及正常工作电流的分断。对断路器关断的3个换流过程进行分析,得到了该拓扑结构的最佳连接形式,该连接形式下正、反向关断电流的利用率分别为100%和83%。设计了1 kV/2.5 kA断路器样机,并进行了正、反向关断试验,实现了正向8 kA的自然换流关断和反向初始上升率为20A/s的短路电流强迫换流关断。试验结果表明,所提出方案是有效、可行的,所做的分析准确、可信。

基于AMESim的新型数字控制液压冲击器的仿真

介绍了一种基于高速开关阀的新型数字控制液压冲击器,设计时采用了两级流量放大,在发挥高速开关阀控制优势的同时,避免了高速开关阀通量小的劣势,使得此种数字控制冲击器设计思路在大流量高功率冲击器上得以实现。用AMESim软件建模并仿真。

城市轨道交通车辆牵引系统高速断路器应用研究

城市轨道交通车辆牵引系统作为复杂大系统,对安全性、可靠性及实时性要求高,其主回路保护器件选择应能保证系统安全、可靠且能有效保护主回路设备,因此保护器件工程计算应考虑总体线路极限工况。为得到各工况下相对准确的主回路电流,对牵引系统主回路进行了简化,并建立了近似等效模型。通过主回路等效模型进行计算得到主回路在弓网离线时的最大电流,为牵引系统设计及主回路保护器件高速断路器选择提供了理论依据。MATLAB仿真及车辆上的测量验证了等效模型及计算的准确性。