断路器是电力系统中最重要的保护和控制设备,随着电力工业的持续发展,电力系统对断路器的动作速度提出了更高的要求。基于电磁斥力机构的快速真空断路器,在故障限流、直流开断、电压暂降抑制等领域有着广阔的应用前景。本文在分析真空开关负载特性及操动机构出力特性的基础上,设计了基于永磁机构合闸、电磁斥力机构分闸的永磁斥力机构(Permanent Magnet Electromagnetic Repulsion Mechanism,PMERM),建立了基于PMERM的快速真空断路器模型,并分别对分合闸过程进行了运动学和动力学分析。利用有限元分析软件Ansys Maxwell建立了电磁斥力机构的仿真模型,引入多目标优化理论对电磁斥力机构进行优化设计,以电磁斥力机构3ms位移最大和整体效率最高为优化目标,在计及结构参数改变对机构运动部分质量影响的情况下,采用单一变量法对电磁斥力机构进行优化设计。通过仿真研究了电磁斥力机构自身参数、外电路参数、负载特性对其动态特性的影响,并对比了线圈-金属盘型电磁斥力机构与双线圈型电磁斥力机构动态特性的差异。建立了非直动式快速真空断路器模型,在对其进行运动学和动力学分析的基础上,研究了传动比对其动态特性的影响,推导出了最优传动比的计算公式。在只考虑分闸性能的情况下,给出了选择非直动式还是直动式传动方式的判断依据。利用Ansys Simplorer软件建立了非直动式快速真空断路器的仿真模型,仿真分析了传动比变化对分闸动态特性的影响,搭建了非直动式快速真空断路器试验平台,通过试验验证了理论推导和仿真分析的正确性。针对基于PMERM的快速真空断路器的分闸反弹问题,首次提出了一种在分闸过程中短接合闸线圈的分闸缓冲方法,利用Ansys Simplorer软件建立了分闸缓冲仿真模型,对缓冲特性进行仿真分析。最后通过样机试验验证了该缓冲方法的有效性。该方法不需要在操动机构及开关本体附加新的零件或装置,为分闸缓冲提供了一种新的解决方案。设计了基于PMERM的脉冲关合开关,在Ansys Simplorer中建立了脉冲关合开关的仿真模型,对脉冲关合动态过程进行仿线kV脉冲关合开关样机并进行了机械和电气性能测试,试验结果表明在脉冲关合过程中,动静触头闭合时间小于6ms,能够满足脉冲关合技术需求。以脉冲关合开关为核心,构建了基于脉冲关合技术和行波测距技术相结合的新型接触网故障定位系统,并通过了现场试验。
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