• 头条缓冲难题不再是高压快速开关的研制瓶颈!天大科研团队推出新成果
    2019-09-12 作者:温伟杰、李斌 等  |  来源:《电工技术学报》  |  点击率:
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    导语天津大学电气与自动化学院智能电网教育部重点实验室、电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室(清华大学电机系)的研究人员温伟杰、李斌、李博通、 马久欣、黄瑜珑,在《电工技术学报》2019年第7期上撰文(论文标题为“基于双向电磁斥力机构的高压快速开关缓冲特性研究”)指出,高压直流断路器对机械开关提出了进一步向快速性和高电压方向发展的需求,而缓冲问题是研制高压快速开关的瓶颈问题之一。 该文针对基于双向电磁斥力机构的高压快速开关缓冲特性展开研究。首先,通过实验获得了无缓冲、聚氨酯缓冲、液压缓冲和电磁缓冲四种实验条件下快速开关的行程特性,证明了电磁缓冲是最适于快速开关的缓冲方式。然后,通过改进等效电路法,对采用电磁驱动和电磁缓冲技术的快速开关建立了综合仿真模型,通过对40.5 kV快速真空开关样机进行实验,验证了仿真模型的有效性。 最后,基于仿真模型,从理论上揭示了缓冲电流方向和缓冲施加时刻对电磁缓冲效果的影响规律,并给出了其设计原则。该文的研究成果解决了快速开关中的缓冲难题,为研制高压快速开关奠定了基础。

    直流电网亟需高压直流断路器快速开断直流侧故障电流,从而保证直流系统的可靠运行。快速开关是高压直流断路器的关键部件,其操动速度决定了直流断路器动作时间。受限于快速驱动和缓冲难题,以往研制快速开关电压等级较低,一般为10~20kV。若不提升其电压等级,则±160kV及±500kV直流断路器中需串联的机械断口数为十几个甚至几十个,设备可靠度急剧下降。由此,研制高压直流断路器对机械开关提出了进一步向快速性和高电压方向发展的需求。

    论文所解决的问题及意义

    高压快速开关中动静触头开距、操动质量、操动速度相较于低压快速开关都有所增加,若不施加有效缓冲方式,则运动部件到达终点位置会发生强烈机械撞击而反弹回初始位置,造成分合闸操作失败;另外,强烈的机械撞击可能引发绝缘拉杆断裂、操动机构中金属盘碎裂等事故,最终导致快速开关机械寿命的缩短。缓冲问题已然成为研制高压快速开关的瓶颈问题之一。

    选择适用于高压快速开关的缓冲方式并定量研究其缓冲特性具有重要的理论意义和工程实用价值。本文研究成果可保证快速开关中运动部件“软着陆”,从而获得平滑的行程特性曲线,避免高压快速开关操动过程中的强烈机械撞击,为研制高压快速开关奠定了坚实的基础。

    论文方法及创新点

    1)通过样机实验获得了几种不同缓冲方式下快速开关的典型分闸行程特性曲线,对几种曲线进行分析比较,证明了电磁缓冲最适于快速开关,进而确定快速开关采用电磁驱动和电磁缓冲的技术路线。

    2)针对采用电磁驱动和电磁缓冲的快速开关,将其操动过程划分为驱动阶段、中间阶段、缓冲阶段;通过改进传统等效电路法,分别列写上述3个阶段的状态方程,得到了电磁驱动与电磁缓冲的综合仿真模型;对40.5 kV快速真空开关样机进行实验,从而验证综合仿真模型的有效性。

    3)通过求解综合仿真模型,得到缓冲电流取正反向时快速开关的操动特性以及缓冲施加时刻不同时快速开关的操动特性,揭示了缓冲电流方向、缓冲施加时刻对缓冲效果的影响规律及原因,为电磁驱动与电磁缓冲的配合提供了指导。

    缓冲难题不再是高压快速开关的研制瓶颈!天大科研团队推出新成果

    双向电磁斥力机构示意图

    结论

    1)本文比较了不施加任何缓冲、聚氨酯缓冲、液压缓冲和电磁缓冲等几种情况下的缓冲效果,发现缓冲单元是高压快速开关中的必要环节且应用电磁缓冲时,快速开关的行程特性最优。

    2)针对应用电磁驱动和电磁缓冲技术路线的快速开关,通过改进传统等效电路法,对快速开关的操动过程建立了电磁驱动和电磁缓冲的综合仿真模型;针对40.5 kV快速真空开关样机进行实验,实验结果验证了综合仿真模型的有效性。

    3)基于综合仿真模型,研究了缓冲电流方向和缓冲施加时刻对电磁缓冲效果的影响规律及原因,得出了缓冲电流与驱动电流方向需保持一致而缓冲施加时刻不可过大或过小的设计原则,解决了电磁缓冲配合问题,为快速开关向高电压等级发展奠定了坚实基础。

    引用本文

    温伟杰, 李斌, 李博通, 马久欣, 黄瑜珑. 基于双向电磁斥力机构的高压快速开关缓冲特性研究[J]. 电工技术学报, 2019, 34(7): 1449-1458.Wen Weijie, Li Bin, Li Botong, Ma Jiuxin, Huang Yulong. Research on the Buffering Characteristics of High Voltage Fast Mechanical Switch Based on Bi-Directional Electromagnetic Repulsion Mechanism. Transactions of China Electrotechnical Society, 2019, 34(7): 1449-1458.

    团队介绍

    天津大学电气与自动化工程学院是国际上从事直流断路器方面研究的先行者。近年来,着重攻克了直流断路器中的关键技术。团队提出的直流断路器技术方案已获得同行专家的认可,并经中国电机工程学会鉴定为“国际领先水平”,即将在张北四端柔直工程中得到示范应用。

    缓冲难题不再是高压快速开关的研制瓶颈!天大科研团队推出新成果

    温伟杰

    1989年生,讲师,研究方向为电气设备、快速开关、直流断路器等。

    缓冲难题不再是高压快速开关的研制瓶颈!天大科研团队推出新成果

    李斌

    1976年生,教授,博士生导师,研究方向为电力系统保护与控制、故障限流与开断技术等。

    缓冲难题不再是高压快速开关的研制瓶颈!天大科研团队推出新成果

    李博通

    1981年生,副教授,博士生导师,研究方向为电力系统保护与控制等。

    缓冲难题不再是高压快速开关的研制瓶颈!天大科研团队推出新成果

    马久欣

    1994年生,硕士研究生,研究方向为电气设备、直流断路器等。

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