双线圈和螺线管复合式电磁斥力机构运动特性分析

为了满足高压直流断路器对其操动机构快速性和高电压等级的要求,针对126 kV真空断路器设计了一种适用于长行程且具有较高分合闸速度的新型电磁斥力机构,其由双线圈和螺线管式电磁斥力机构串联而成。首先,运用有限元方法进行电磁力仿真模拟,通过对机构的电磁斥力和位移/时间特性分析,初步验证了其可行性。然后,采用单一变量法对其运动特性进行仿真分析,得到了机构间相互配合关系和参数优化设计原则。最后,为降低分闸弹跳,设计电磁式缓冲器,分析了缓冲驱动电路参数和缓冲投入时间对缓冲特性的影响。研究表明:该电磁斥力机构具有刚分速度大,加速时间长,适用于长行程驱动的特性。在分闸电容3500μF、电压1200 V,缓冲电容3500μF、电压1800 V参数群组配合下,所设计电磁斥力机构全行程开断时间较短,仅有5.41 ms。

增强型三线圈电磁斥力机构的运动特性分析

为进一步优化高压直流断路器的刚分速度和始动时间,改善电磁斥力机构(electromagnetic repulsion mechanism,ERM)的运动特性,提出了增加电磁吸力作为驱动力的增强型三线圈电磁斥力机构,采用运动学、瞬态电磁场以及电路理论进行数学模型耦合分析,运用有限元分析软件建立二维模型,求解其运动特性,最后通过仿真试验进行验证。首先,分析了不同参数对其运动特性的影响,其次,分析了合闸线圈介入时刻对其运动特性的影响,最后,对比分析了增强型三线圈模型与双线圈模型的运动特性差异。结果表明:增加电容容值和电容电压可以缩短行程时间,提高刚分速度,且3个线圈中改变运动线圈驱动电路参数的优化效果最佳;适当增加线圈匝数和截面宽度可以增大电磁驱动力,缩短始动时间;从0时刻介入可以最大限度提高机构的运动速度;同参数条件下,三线圈模型可在2 ms内完成25 mm行程,对应的双线圈模型在2 ms内只能完成16 mm行程。

直流真空断路器弧后介质恢复特性影响因素分析

直流真空断路器采用人工过零的方式实现故障开断,是当前直流系统兼具经济性与可靠性的控保方式之一,其弧后介质恢复特性是判定故障开断成功与否的关键条件。为探究直流真空断路器电磁与机电参数耦合作用下介质恢复特性的影响因素,本文基于连续过渡模型、能量守恒定律和电荷守恒定律,建立了零区带电粒子数密度计算模型,研究了触头型面参数和零前电流下降率影响下的零区带电粒子数密度分布;通过搭建12 kV直流真空断路器配永磁斥力机构运动特性测试平台,实验测得机构位移–时间特性曲线,研究了短路开断电流、零前电流下降率和换流投入时刻影响下的零区极间距分布。在此基础上,基于漂移扩散方程、Maxwell–Stefan方程和泊松方程,建立了弧后鞘层发展模型,以求得电磁与机电参数影响下的电场强度最大值;并与零区金属蒸气压和短路开断电流影响下的临界击穿电场强度对比分析,进而评估不同换流投入时刻、零前电流下降率、暂态电压上升率、触头直径下的弧后介质恢复强度。此外,求得了直流真空断路器可靠开断时零前电流下降率和换流投入时刻的极限安全域,以及电磁与机电参数耦合作用下的最小安全间隙与开断电流极限,为设计满足可靠开断要求的直流真空断路器灭弧系统结构参数与换流参数群组提供解决方案。

补偿线路分布电容电流的柔性直流配电网电流差动保护方法

针对系统接线方式和线路分布电容影响导致柔性直流配电网故障辨识困难的问题,在对传统电流差动保护在柔性直流配电网中的适用性分析基础上,利用线路贝瑞隆模型推得故障点电流与直流线路两端差电流之间的关系.进一步地,提出具有线路分布电容电流补偿的新型电流差动保护方案,解决对称单极接线方式下故障特征微弱、分布电容电流影响大带来的故障辨识难题.最后,基于PSCAD/EMTDC仿真平台,建立柔性直流配电网模型,通过仿真分析验证所提出的电流差动保护方案的可行性和适用性.

基于紫外光谱的三元混合绝缘油老化状态快速评价方法

绝缘油在电力设备中被广泛用作绝缘和冷却介质。在设备服役过程中,绝缘油会逐渐老化,导致绝缘强度降低、油道堵塞、散热困难等问题,给电力系统可靠运行带来潜在风险。为快速检测绝缘油的老化状态,指导电力设备的滤油或换油时机,该文通过加速热老化试验,对比研究了矿物油和三元混合绝缘油性能的老化劣化规律,并提出一种快速评估绝缘油老化状态的紫外光谱检测法。试验结果表明:三元混合绝缘油具有良好的抗老化特性,击穿电压、相对介电常数等关键参数能够在整个老化过程中维持良好状态;紫外光谱特征量与酸值、界面张力、电阻率等绝缘油老化关键参数具有紧密联系,构建了紫外光谱特征量和绝缘油老化参数间的物理数学模型;通过换油老化试验对模型进行验证,表明该预测方法具有较高的准确性;基于模糊算法构建了紫外光谱快速评价绝缘油老化状态的方法,有望用于绝缘油老化状态的在线监测与评估。

多元退化因素下的快速切换开关可靠性分析

快速切换开关是实现敏感负荷不间断供电的核心设备,其可靠性是供电系统运行稳定的前提,但其可靠性受触头磨损、分合闸电容老化及机构永磁体退磁等诸多因素影响,且此类电工装备服役周期内可靠性分析具有实验成本高与标准不完善等特点。为准确评估快速切换开关可靠性,提出一种基于各薄弱单元退化参数影响下的快速切换开关可靠度计算方法。首先,结合样机实验数据库进行关键失效器件退化规律研究,确定快速切换开关薄弱单元。基于实测真空灭弧单元触头磨损量与分合闸驱动单元电容容量数据,分别得到计及冲击磨损系数变化的触头动态磨损量及分闸电容参数分布规律。然后,为减少大样本快速切换开关电磁场数值计算时间成本,建立了快速切换开关机械特性神经网络预测模型。最后,通过将抽样所得退化参数数据库引入预测模型中,得到了满足性能指标约束条件下的快速切换开关可靠度。研究结果表明,切换开关可靠性最薄弱环节为驱动单元电解电容与灭弧室触头,分闸时间小于8 ms时,5 000次分合闸后,可靠度为0.768。

近区故障开断下真空断路器弧后鞘层发展过程仿真分析

以真空断路器弧后鞘层发展为研究对象,引入等离子体流体力学方程,求解电子、离子密度和平均电子能量的漂移扩散方程和耦合电场的泊松方程。并对真空断路器开断1.0-20.0 km近区故障下弧后鞘层发展时间和弧后阴极电场强度进行仿真分析。仿真结果表明:鞘层发展时间越短,RRRV越小,越有利于成功开断。开断短距离近区故障时,鞘层发展时间相对较长,弧后阴极电场强度大,不利于弧后介质恢复;在开断故障点距离3.0 km时,弧后阴极电场强度达到最大值;在开断故障点距离20.0 km时,弧后阴极电场强度最大值降低了70.5%,鞘层发展时间减少了34.5%,发生击穿几率减小,开断成功率增高。

考虑公差的真空灭弧室磁场不确定性优化设计

以12 kV/1250 A/31.5 kA真空灭弧室为研究对象,采用考虑公差设计的区间优化方法,建立灭弧室触头结构磁场特性的不确定性优化模型。以触头片开槽长度、斜槽深度、触头片开槽偏转角、触头杯座厚度为优化变量,采用区间描述设计参数的制备和测量误差,引入公差指标和区间可能度模型,将该不确定性优化模型转化为确定性优化模型。采用NSGA-Ⅱ算法,以极间中心面磁感应强度最大值和设计公差指标同时达到最大为优化目标,得到Pareto前沿非支配解集,求得最优设计参数,实现了考虑公差影响的灭弧室内部磁场优化设计。

考虑公差不确定性的快速真空开关机构保持单元多目标优化

永磁保持单元为斥力操动机构在分合闸位置提供足够的保持力,是维持机械开关分闸或合闸状态的重要元件,其结构参数与出力特性是开关可靠分合闸的关键因素。针对保持单元敏感部件加工公差不确定、装配一致性差、输出动态特性相互关联问题,将区间不确定性模型引入保持单元系统出力特性分析中,提出一种基于非支配排序粒子群算法的多变量多目标优化方法。首先,基于保持单元三维有限元模型,研究动铁芯与导磁环的公差不确定性对保持单元输出力的影响规律。然后,以保持单元敏感部件公差影响分析为基础,选取永磁保持单元机械参数为优化变量,计及操动机构成本与弹跳大小,同时考虑导磁环与动铁芯公差不确定性,建立考虑公差不确定性的斥力操动机构保持单元多目标优化设计模型,得到Pareto前沿非支配解集。最后,基于所优化的保持单元结构,搭建快速真空开关实验平台进行斥力操动机构分合闸实验,该系统可在15 ms内完成分合闸动作。研究表明,该优化方法保证了不同制造条件下斥力操动机构保持单元均能最大程度发挥其作用,且允许动铁芯与导磁环参数设计较低等级公差。