基于最大奇异值能量熵和随机森林的真空快速开关机械故障诊断

针对电磁斥力机构真空快速开关的机械状态监测问题,提出了一种最大奇异值能量熵(energy entropy of maximum singular value,EEMSE)和随机森林的故障诊断方法。首先,在真空快速开关中采集振动信号,对振动信号进行改进S变换得到模矩阵,随后对该矩阵的子矩阵进行奇异值分解,再利用信息熵理论对最大奇异值求熵得到特征向量,最后将特征向量输入随机森林模型进行故障分类和诊断。与不同特征量和分类器比较后的结果表明,文中提出的真空快速开关机械故障诊断方法特征一致性好,模型诊断速度较快,对实验样本总体诊断准确率达到了100%。

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Dmax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,Dmax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vcri。根据vcri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。

快速真空开关电磁斥力机构瞬态动力学研究

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。

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。

工频零点电流转移限流及40.5kV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。

集成气体缓冲的单断口72.5 kV快速真空开关运动质量对分闸特性的影响

快速真空开关可实现电力系统短路故障的快速切除,对电力系统运行暂态稳定性的提升具有重大意义,是现阶段国内外大电流开断技术领域研究热点。文中目标是确定集成气体缓冲快速真空开关传动系统运动质量对其分闸特性的影响。文中以72.5 kV单断口快速真空开关为研究对象,采用多物理场仿真计算方法,建立了气流场、电磁场、运动方程和外电路相互耦合的多物理场仿真计算模型,分析了快速真空开关运动质量对其分闸速度、动量、缓冲反力特性等分闸特性的影响,其中分闸速度为快速真空开关分闸过程触头分离后10 mm内的平均速度。仿真计算结果显示:当动质量由4 kg增长到12 kg时,分闸速度按负指数形式从6.13 m/s降低到3.50 m/s;到达30 mm满开距时的动量按正指数形式从12.26 kg·m/s增长到21.01 kg·m/s;缓冲力做的功按二次函数的形式从443.61 J降低至203.02 J,并且,缓冲力和行程的关系符合幂函数形式。

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

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。

快速真空开关的仿真与试验研究

为了协调快速真空开关运动速度和使用寿命之间的矛盾,采用电磁斥力机构与永磁操动机构相结合的操动方式,其间采用弹簧驱动,能够减轻运动质量,从而减小刚分时间。针对电磁斥力机构驱动动触头快速分闸到位后反弹到闭合位置现象,分析了涡流及合闸线圈环流产生的会削弱永磁铁的磁场,从而对电磁斥力机构的运动特性产生较大的影响。在此基础上提出了3种改进措施,并通过试验验证了措施的有效性以及实际应用的可行性。

高压交流快速真空开关技术及应用(1)

(2019年度自治区科学技术重大贡献奖)该项目由国网宁夏电力有限公司电力科学研究院、安徽徽电科技股份有限公司、西安交通大学等单位依托宁夏电力能源安全重点实验室完成。项目攻克大电流快速开断、高电压快速开断、高机械可靠性快速开断三大技术难题。研发出12~363 kV系列快速真空开关,是目前国内外电压等级最高、开断电流最大的快速真空开关。研发出运行损耗接近于零的10~330 kV系列限流器以及世界首台110 kV变阻抗变压器等9类快速开关型输配电设备。

一种基于快速开关的新型故障电流限制器

在研究并联开关接入电抗式故障电流限制器(fault current limiter,FCL)的基础上,给出一种新型的基于快速开关的FCL,论述该类型FCL中快速真空开关、可关断晶闸管(gate turn-off thyristor,GTO)及金属氧化物避雷(metal oxide arrester,MOA)的性能要求及设计原则,依据过电压绝缘配合的要求设计MOA的参数,仿真分析该类型FCL的短路电流转移过程及限流效果,最后从限流特性、经济性、可靠性等方面与现有串谐式FCL及固态限流器进行对比分析。

基于快速真空断路器技术的发电机出口断路器装置

阐述了加装基于快速真空断路器技术的发电机出口专用断路器装置(GVFC),在系统短路故障或发电机自身故障时,可快速有效切除故障,保护发电机安全运行。在提高厂用电的可靠性,简化继电保护,缩短故障恢复时间,提高机组可用率方面效果显著。

基于长短期记忆网络的短路电流过零点预测方法

短路电流快速相控开断的关键与难点在于解决故障辨识和零点预测快速性与精准性之间的固有矛盾。为此,研究并提出一种基于长短期记忆网络(long short term memory,LSTM)算法的短路电流零点快速预测方法。搭建了相控装置试验平台,通过实时数字仿真(real time digital simulation system,RTDS)试验及短路故障录波试验对LSTM算法的电流预测能力进行了验证;研究并讨论了LSTM网络隐藏层节点数、采样窗口长度、故障起始相角、工频分量幅值、直流衰减时间常数以及信噪比等因素对零点预测误差的影响。仿真与试验结果表明,故障识别时间为0.3 ms,零点预测采样时间为3 ms,零点预测误差为±0.5 ms,LSTM方法能在保证预测精度与传统方法相当的条件下,显著缩短预测时间,提升预测快速性,为系统故障的快速开断提供理论依据和技术支撑。

双断口直流断路器的仿真与试验研究

常规电流注入式直流断路器采用快速真空开关并联包含IGCT的电力电子组件,来实现断路器额定电流与短路电流开断的任务。针对单断口直流断路器,在额定电流开断过程中,快速真空开关断口电流自然转移至IGCT电力电子组件存在换流失败现象,以及大短路电流开断工况下,快速真空开关断口存在一定概率出现电弧重燃现象,提出由两台快速真空开关串联的设计方式形成双断口直流断路器的改进方案,并对两台快速真空开关影响开断性能的主要参数进行边界能力分析。通过仿真与实验验证,双断口直流断路器可以有效消除换流失败与电弧重燃现象,从而提高断路器的可靠性以及工程实际应用的可行性。

110kV变阻抗变压器短路电流首峰值限制方法

该文研究110kV变阻抗变压器(VIT)短路电流首峰值限制方法。发生短路时,通过人工过零回路在短路电流上升阶段开断快速开关,使短路电流流过与高压绕组串联的内置限流电抗器从而被限制。仿真计算变阻抗变压器短路电流首峰值随短路瞬间电压相位的变化关系,结果表明,仅当电压相位处于[-180°,-120°]、[-60°,60°]以及[120°,180°]3个区间时才有必要进行人工过零限流,现有快速真空开关分闸时间及短路故障识别算法时间满足限流方案要求。快速开关开断后,变阻抗变压器绕组的短路电流将继续增长。通过提前触发人工过零回路,同时减小人工过零回路电容器电容量,可将变阻抗变压器短路电流首峰值限制到与快速开关保持分闸状态相同的水平。限流方案可采用大电流试验回路进行验证,其对快速开关开断能力的考验比实际变压器出口短路更严格。

500kV电网分布式限流方案

针对500 kV电网短路电流超标问题,提出了基于故障电流捕捉型限流器的电网分布式限流方案。通过理论分析确定了限流模块的布置方案和动作模式。通过仿真对比分析了限流模块选相动作和随机动作的特性和模块两端过电压,继而提出了限流模块的配置方法。并根据广东电网500 kV变电站增城站的实际参数,利用PSCAD软件搭建了增城站模型,对各种工况下的限流情况进行了仿真。仿真结果表明,提出的分布式限流方案可将增城站短路电流限制在63 kA以下,且不会出现过电压,能够提高输电线路的阻抗水平,可以双向限流,提高整个电网的稳定性。

电流注入式直流断路器的仿真与试验研究

为了解决常规电流注入式直流断路器额定开断电流冲击与小电流开断时间长问题,在其两端并联IGCT支路实现额定电流开断,并通过强迫换流实现短路电流开断。针对60 kA短路开断过程中出现的快速真空开关二次过零现象,分析了快速真空开关燃弧电流的过零速率与过零时刻开距对过零截止的影响,在此基础上提出了改进措施,并通过仿真及试验验证了措施的有效性及实际应用的可行性。