基于多目标灰狼优化算法与RBF神经网络的真空灭弧室触头结构优化设计

在真空灭弧室触头开断过程中,合适的磁场分布有利于提高其开断性能;在合闸过程中,动、静触头间存在的电动斥力会导致触头出现弹跳现象。针对以上问题,首先建立了带铁芯式杯状纵磁触头的三维模型,进行了磁场分布与电动力的计算;为了进一步提高触头的性能,然后构建了以触头片开槽长度、开槽宽度、径向偏转角度、杯座斜槽高度及单个斜槽上下旋转角度为输入,电流峰值时刻触头间隙中心平面纵向磁场强度最大值、过零时刻中心点处磁滞时间、合闸时动静触头间的电动斥力分别为输出的RBF神经网络模型;最后结合RBF神经网络模型与多目标灰狼优化算法(MOGWO)对触头结构进行了优化。结果表明:与初始结构参数相比,当触头片开槽长度为19.74mm、宽度为3.94mm、径向偏转角为19.9°、杯座斜槽高度为18.0mm、斜槽上下旋转角为119.2°时,触头具有更好的磁场分布特性,且动、静触头间的电动斥力明显减小,有利于提高触头的工作性能。

带铁心横磁-纵磁触头结构的优化设计

触头作为真空灭弧室的核心元件,其灭弧能力会直接影响直流开断过程。该文通过有限元仿真软件建立了三种触头模型,计算了高频电流下触头产生的磁场分布。电流峰值时的触头间隙中心可产生约为21 mT的纵向磁场,横向磁感应强度约为71 mT,纵向磁场分布不均匀。为了进一步提高触头间隙磁场强度以及分布均匀度,在触头模型中增加铁心及改变铁心结构来提升触头产生的磁场强度,基于BP神经网络与智能优化算法联合的方法对触头模型进行优化设计。优化结果显示:当触头的结构参数外触头非径向开槽夹角α为31.8°、外触头内外半径差值Δ为8.3 mm、内触头片半径r为15.2 mm、外触头杯斜槽高度h为16.1 mm、铁心结构开槽宽度d为1.1 mm时,触头间隙中心产生了74.99 mT的横向磁场;电流峰值时刻的触头间隙中心可产生44.02 mT的纵向磁场,不均匀度从优化前的7.44减小到4.67,均匀度得到了较大提升,提高了磁场对真空电弧的调控能力。

大开距条件下杯状纵磁触头间隙磁场特性

“碳达峰、碳中和”目标的提出使得高压真空灭弧室的研制与发展受到广泛的关注与重视。为此,通过增大杯壁开槽旋转角的方式探究了6槽杯状纵磁触头在高压真空灭弧室中应用的可能性。研究结果表明:增大开槽旋转角是大开距下增强6槽杯状纵磁触头间隙纵向磁场的有效手段;适当地增大触头杯高和杯壁厚度不仅会使得触头电阻明显下降,也使得开槽旋转角进一步增大,从而使得纵向磁场得以继续增强;支撑件的添加可以使具有较大开槽旋转角的触头结构强度明显增加,而间隙纵向磁场的下降并不明显。论文研究结果可以为杯状纵磁触头在高压真空灭弧室中的实际应用提供借鉴与参考。

基于NSGA-Ⅱ和BP神经网络的杯状纵磁触头结构优化设计

在直流开断工况下,现有常用工频触头需要开断高频反向电流,但其在高频电流下的电弧调控性能还需要进一步研究。该文以工频常用杯状纵磁触头为例,首先对其在1000Hz电流下进行磁场仿真,发现电流峰值的触头间隙中心可产生3.17mT/kA的纵向磁场,磁场分布极不均匀;然后为了提高磁场强度最大值以及分布均匀度,提出一种基于BP神经网络与遗传算法相结合的方法对触头结构进行优化设计,建立以触头开槽宽度、开槽长度、径向开槽旋转角度、触头杯斜槽高度和斜槽倾斜度为输入,触头间隙中心电流峰值磁场强度最大值和磁场分布不均匀度为输出的BP神经网络模型;最后通过NSGA-Ⅱ算法对杯状纵磁触头的结构参数进行优化。优化的结果表明:当杯状纵磁触头的参数L为2.9mm、L为18.0mm、θ为20.0°、H为17.5mm和θ2为26.0°时,电流峰值的触头间隙中心可产生4.34mT/kA的纵向磁场,不均匀度从6.89减小到3.39,均匀度得到了较大提升,从而可以提高纵向磁场对真空电弧的调控能力。

高频下真空灭弧室纵向磁场仿真

真空灭弧室是机械式高压直流断路器的核心部件,为了有利于熄灭电弧,开断直流电流时,通常利用人工过零技术,在直流电流上叠加高频震荡电流,使得开断故障电流过零。由于直流断路器开断电流为高频电流,灭弧室间隙磁场分布对真空断路器的开断有着决定作用,通过建立三维真空灭弧室触头有限元模型,分析计算高频情况下的真空灭弧室的磁场分布情况。结果表明:高频情况下触头间隙磁场大小以及磁场滞后时间受到严重影响,触头间隙纵向磁场大小与平板触头产生效果类似,这对断路器开断效果很不利。

涡流对真空灭弧室开断电流的影响

论述了涡流对真空灭弧室触头开断能力的影响,以及涡流产生的原因,并加以证明,表明了触头体在交变磁场中将产生感应涡流,使触头磁场滞后于电流,影响触头开断能力;要使触头达到理想设计,应将触头涡流减到最小。