- 頭條緩沖難題不再是高壓快速開關的研制瓶頸！天大科研團隊推出新成果2019-09-12 作者：溫偉杰、李斌 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語天津大學電氣與自動化學院智能電網教育部重點實驗室、電力系統及發電設備控制和仿真國家重點實驗室（清華大學電機系）的研究人員溫偉杰、李斌、李博通、 馬久欣、黃瑜瓏，在《電工技術學報》2019年第7期上撰文（論文標題為“基于雙向電磁斥力機構的高壓快速開關緩沖特性研究”）指出，高壓直流斷路器對機械開關提出了進一步向快速性和高電壓方向發展的需求,而緩沖問題是研制高壓快速開關的瓶頸問題之一。 該文針對基于雙向電磁斥力機構的高壓快速開關緩沖特性展開研究。首先,通過實驗獲得了無緩沖、聚氨酯緩沖、液壓緩沖和電磁緩沖四種實驗條件下快速開關的行程特性,證明了電磁緩沖是最適于快速開關的緩沖方式。然后,通過改進等效電路法,對采用電磁驅動和電磁緩沖技術的快速開關建立了綜合仿真模型,通過對40.5 kV快速真空開關樣機進行實驗,驗證了仿真模型的有效性。 最后,基于仿真模型,從理論上揭示了緩沖電流方向和緩沖施加時刻對電磁緩沖效果的影響規律,并給出了其設計原則。該文的研究成果解決了快速開關中的緩沖難題,為研制高壓快速開關奠定了基礎。
直流電網亟需高壓直流斷路器快速開斷直流側故障電流，從而保證直流系統的可靠運行。快速開關是高壓直流斷路器的關鍵部件，其操動速度決定了直流斷路器動作時間。受限于快速驅動和緩沖難題，以往研制快速開關電壓等級較低，一般為10~20kV。若不提升其電壓等級，則±160kV及±500kV直流斷路器中需串聯的機械斷口數為十幾個甚至幾十個，設備可靠度急劇下降。由此，研制高壓直流斷路器對機械開關提出了進一步向快速性和高電壓方向發展的需求。
論文所解決的問題及意義
高壓快速開關中動靜觸頭開距、操動質量、操動速度相較于低壓快速開關都有所增加，若不施加有效緩沖方式，則運動部件到達終點位置會發生強烈機械撞擊而反彈回初始位置，造成分合閘操作失敗；另外，強烈的機械撞擊可能引發絕緣拉桿斷裂、操動機構中金屬盤碎裂等事故，最終導致快速開關機械壽命的縮短。緩沖問題已然成為研制高壓快速開關的瓶頸問題之一。
選擇適用于高壓快速開關的緩沖方式并定量研究其緩沖特性具有重要的理論意義和工程實用價值。本文研究成果可保證快速開關中運動部件“軟著陸”，從而獲得平滑的行程特性曲線，避免高壓快速開關操動過程中的強烈機械撞擊，為研制高壓快速開關奠定了堅實的基礎。
論文方法及創新點
1）通過樣機實驗獲得了幾種不同緩沖方式下快速開關的典型分閘行程特性曲線，對幾種曲線進行分析比較，證明了電磁緩沖最適于快速開關，進而確定快速開關采用電磁驅動和電磁緩沖的技術路線。
2）針對采用電磁驅動和電磁緩沖的快速開關，將其操動過程劃分為驅動階段、中間階段、緩沖階段；通過改進傳統等效電路法，分別列寫上述3個階段的狀態方程，得到了電磁驅動與電磁緩沖的綜合仿真模型；對40.5 kV快速真空開關樣機進行實驗，從而驗證綜合仿真模型的有效性。
3）通過求解綜合仿真模型，得到緩沖電流取正反向時快速開關的操動特性以及緩沖施加時刻不同時快速開關的操動特性，揭示了緩沖電流方向、緩沖施加時刻對緩沖效果的影響規律及原因，為電磁驅動與電磁緩沖的配合提供了指導。
雙向電磁斥力機構示意圖
結論
1）本文比較了不施加任何緩沖、聚氨酯緩沖、液壓緩沖和電磁緩沖等幾種情況下的緩沖效果，發現緩沖單元是高壓快速開關中的必要環節且應用電磁緩沖時，快速開關的行程特性最優。
2）針對應用電磁驅動和電磁緩沖技術路線的快速開關，通過改進傳統等效電路法，對快速開關的操動過程建立了電磁驅動和電磁緩沖的綜合仿真模型；針對40.5 kV快速真空開關樣機進行實驗，實驗結果驗證了綜合仿真模型的有效性。
3）基于綜合仿真模型，研究了緩沖電流方向和緩沖施加時刻對電磁緩沖效果的影響規律及原因，得出了緩沖電流與驅動電流方向需保持一致而緩沖施加時刻不可過大或過小的設計原則，解決了電磁緩沖配合問題，為快速開關向高電壓等級發展奠定了堅實基礎。
引用本文
溫偉杰, 李斌, 李博通, 馬久欣, 黃瑜瓏. 基于雙向電磁斥力機構的高壓快速開關緩沖特性研究[J]. 電工技術學報, 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.
團隊介紹
天津大學電氣與自動化工程學院是國際上從事直流斷路器方面研究的先行者。近年來，著重攻克了直流斷路器中的關鍵技術。團隊提出的直流斷路器技術方案已獲得同行專家的認可，并經中國電機工程學會鑒定為“國際領先水平”，即將在張北四端柔直工程中得到示范應用。
溫偉杰
1989年生，講師，研究方向為電氣設備、快速開關、直流斷路器等。
李斌
1976年生，教授，博士生導師，研究方向為電力系統保護與控制、故障限流與開斷技術等。
李博通
1981年生，副教授，博士生導師，研究方向為電力系統保護與控制等。
馬久欣
1994年生，碩士研究生，研究方向為電氣設備、直流斷路器等。
