为研究小型断路器(MCB)外壳材料的机械强度、抗高温电弧能力、产气量和介质恢复强度等特性,以及结构形式对其短路分断能力的影响,基于小型断路器外壳材料从某热固性的团状模塑料(BMC)改为某热塑性的PA6尼龙塑料的设计和某PA6材料特性,对外壳结构进行初步优化,通过不同外壳材料与结构的组合方案进行短路分断试验并获得试验数据。基于试验数据与试验后拆样信息划分燃弧阶段,探究各阶段燃弧时间、能量分布、稳定性与外壳材料及结构的关系,进行二次结构优化设计,最终通过短路分断试验。试验结果表明,热固改热塑的结构优化合理,对小型断路器短路分断试验的分析方法有效,可为同类产品热固改热塑设计与分析提供参考。
在简述塑壳式断路器操作机构的动作原理基础上,以某型号双断点塑壳断路器为设计研究对象,运用ADAMS分析软件计算得出触头三要素、触头分合闸速度、机构分合闸力、分合闸行程、分合闸时间等操作机构的重要参数。仿真得到的参数与样机的实测参数误差极小,进而为塑壳断路器操作机构关键参数的设计提供了一种方法。
为了提高传统电磁式接触器分断电流的能力,并解决大开距下合闸功耗高、动铁心冲击力大、铁心磨损严重等问题,设计一种具有可控开距的接触器。通过结构改进,增大传统交流接触器结构层面可打开开距,利用基于单片机的控制电路识别分断电流,并在分断过程中对励磁线圈施加不同宽度的脉冲电流,使接触器在不同分断电流下具有不同的开距,完成分断后触头回到小开距的平衡位置。通过实验,验证了所设计的接触器具有可控开距的功能。
对永磁同步风力发电机转子早期动偏心和早期静偏心故障的特点和诊断方法进行研究,通过Ansys建立永磁同步风力发电机的早期动偏心和早期静偏心模型,提出一种基于CNN-LSTM的故障诊断和分类方法。通过对永磁同步风力发电机定子三相电流及其Welch功率谱数据的分析,判断是否为正常的动偏心趋势和静偏心趋势;然后通过空载电动势对不同故障程度进行分类。最后,在神经网络模型中完成故障诊断和分类任务。所提方法大大降低了设备维修成本,可准确快速地识别转子早期偏心故障。
针对传统低压直流断路器,电流反向时磁场单向会导致其灭弧能力减弱的问题,建立基于COMSOL无极性低压直流断路器电弧仿真模型。分析在电流反向下无极性低压直流断路器的电弧运动,研究磁场和电流对无极性低压直流断路器灭弧能力的影响。仿真结果表明,无极性低压直流断路器可以消除电流反向对电弧运动的阻碍作用,并在240 mT和16 A下灭弧能力最强。仿真结果和实验结果相吻合,无极性低压直流断路器的灭弧能力在恰当的磁场灭弧能力最强,电流越小灭弧能力最强,变化规律与试验结果一致。
低压直流电弧精准检测与快速分断技术是保障低压直流配用电系统安全、稳定、可靠运行的关键。首先综述轨道交通新场景下发展的直流故障电弧检测技术,分析多类基于时频域特征构建算法和基于机器学习的智能模型设计方式,介绍采用电磁、电流信号等特征的多种直流故障电弧定位技术。其次综述面向低压直流系统的快速分断技术,概述传统机械断路器开断方法,介绍基于电力电子器件发展的混合式断路器和固态断路器研究进展。最终提出低压电器设计领域发展方向,以期为相关研究人员提供参考。
电弧重燃是延长高压直流继电器开断时间的重要原因。为了研究灭弧室内电弧重燃特性,利用Comso1 Multiphysics软件仿真获得永磁体磁场,作为电弧仿真的基础条件,仿真分析磁场强度、开断速度、触头形状和气氛压力作用下电弧动态特性及电弧重燃的原因;设计4因素3水平正交试验,并结合仿真研究各因素对电弧重燃的影响程度。结果表明,电弧间隙的散热条件和电弧电压反施加于弧隙的电场强度是电弧重燃的重要原因;散热条件越差或电弧电压反施加的电场强度越高,越容易发生电弧重燃;4个因素对电弧重燃的影响程度依次为开断速度、气氛压力、触头形状和磁场强度。
为了实现物联网断路器内部控制器对不同相数断路器的可复用,通过硬件上对断路器、电源、网关的组合设计,软件上采用区别于传统计量芯片的方案,提出一种断路器内部控制器直接通过ADC采集电压、电流来配合软件算法的设计实现方式,同时提出一种自动分配断路器地址的方法,最后通过试验对电气量采集精度进行测试。所提方法解决了单相断路器需要引出中性线,不同相数断路器依赖不同类型采集芯片的问题,大大降低了生产成本,进而为生产资料的归一化管理提供便利。
针对动态电压恢复器(DVR)在传统比例-积分(PI)控制中补偿速度与补偿超调量之间的矛盾,提出了一种基于前馈补偿的自抗扰控制(FC-ADRC)策略。通过ADRC策略改进传统PI控制所存在的补偿超调问题,并引入LC滤波器的电压电流作为前馈量对DVR控制器进行补偿,实现对用户侧电压暂降进行快速电压补偿,保证用户侧电压的安全稳定。仿真实验结果表明,所提策略既保持DVR装置的高动态响应性,又保证装置应对不确定扰动的适应性。
针对航天电磁继电器的接触电阻预测和预测精度问题,提出了一种基于蛇优化(SO)算法改进BRF神经网络的模型。在传统径向基函数(RBF)模型基础上,通过SO算法对其权值参数进行优化,从而更好地预测继电器接触电阻值。基于SO-RBF模型与RBF模型、GA-RBF模型分别预测接触电阻,对比分析预测结果,表明所提模型具有较高的预测精度。
SF6气体绝缘封闭组合开关(GIS )中隔离开关进行分合母线时,产生快速暂态过电压(VFTO),幅值高且上升速率极快,威胁GIS及相邻设备的绝缘。选取某800 kV GIS隔离开关分合母线的试验电路为研究对象,采用电磁暂态程序(EMTP/ATP)进行建模仿真,隔离开关燃弧时采用Mayr电弧模型,分析其对VFTO的影响,得出考虑Mayr电弧模型时操作隔离开关、断路器侧隔离开关及变压器侧隔离开关的电压波形,并与考虑时变电阻模型的VFTO进行对比。对VFTO波形进行离散傅里叶分析,得到过电压频率、幅值的变化特征,研究结果为GIS绝缘设计提供参考。
基于电器种类繁多,不同电器发生电弧故障时电流波形相似难以检测,容易引起保护的误动和拒动,提出基于鲸鱼优化算法(WOA)改进随机森林(RF)的电弧故障检测方法。按照GB 14287.4—2014,设计并搭建了故障电弧实验平台,采集故障电弧信号,提取特征值,引入改进WOA对RF进行参数智能优化并求解。对比经典RF算法实验结果,共收集7种负载组合320组正常、故障数据进行实验,实验结果表明优化模型的识别效果优于经典RF算法,可以有效地诊断电弧故障。
为解决传统动力学仿真结果准确性低的问题,采用虚拟样机技术,进行基于Maxwell 3D/ADAMS的断路器瞬时脱扣过程仿真。首先使用Maxwell 3D耦合外电路,建立脱扣器的电磁瞬时动态仿真有限元模型,计算得到瞬动电磁铁的运动特性仿真结果;然后将计算结果导入ADAMS软件,对断路器的瞬时脱扣运动过程进行仿真计算;最后对实际样机的瞬时脱扣试验进行高速拍摄。结果有效证明了联合仿真能够提升动力学仿真的准确性。
针对比例积分(PI)控制器难以实现输出电压无静差控制及低次谐波抑制困难等问题,提出一种单电压环多重比例谐振(PR)控制策略。分析了PR控制器的特性,给出了PR参数的设计方法,通过MATLAB进行了仿真验证,并在2 kVA样机上进行了实验验证。结果表明,所提策略可实现特定谐波的完全消除,输出电压波形总谐波失真小于1%,具有良好的稳态和动态性能。
综合利用继电器多元性能参数退化数据建立多元性能退化模型,并开展继电器可靠性评估研究。选取多个继电器参数,考虑模型参数有界性的实际统计特性,建立改进的基于截断正态分布的多元维纳退化模型。针对所建立的模型,提出一种多阶段模型参数估计方法。以可靠度作为继电器可靠性的评价指标,提出基于蒙特卡洛仿真的可靠度近似计算方法,并通过实际案例验证所提方法的精确性和有效性。
从接触器失效机理出发,通过有限元和动力学仿真详细分析超程时间退化过程,进而提出一种基于超程时间退化特性的电磁接触器寿命预测方法。建立基于超程时间退化特性的电磁接触器寿命预测模型,设计并搭建接触器可靠性试验平台,并基于SJD-10048NK电磁接触器试验数据,分析预测接触器的剩余寿命,相对误差约为10%,验证了所提方法的有效性。结果表明所提方法能够对接触器寿命进行准确预测,对于接触器的可靠性状态评估及其维护管理具有重要指导意义。
Vienna整流器凭借高功率密度和高可靠性的优点,被广泛应用于通信电源和电动汽车充电等中高压大功率场合。为实现Vienna整流器的功率因数校正(PFC)电路特性,需控制交流侧电流为与电网电压同频率、同相位的正弦波,降低电流过零畸变;为进一步提高Vienna整流器的功率密度,需尽可能降低开关损耗。从空间矢量的角度分析适用于Vienna的空间矢量调制策略,并根据控制目标的不同,分别提出可以最大程度降低开关损耗和可以降低电流过零畸变的非连续脉宽调制(DPWM)策略,最后通过仿真比较了所提出两种DPWM策略与SVPWM策略,验证了所提出的两种DPWM策略的可行性和优越性。
临界导通模式Boost功率因素校正(PFC)电路通常采用恒定导通时间(COT)控制策略,导致开关频率的变化与输入电压、输出功率以及电感有关,轻载下过高的开关频率将影响电路的转换效率,故提出一种谷底计数频率反走(VCFF)控制策略。通过检测MOS管两端电压谷底计数,使电路轻载时工作在断续模式,从而降低开关频率以提升轻载效率。实验结果表明,相比于COT控制策略,所提控制策略能够有效提高轻载效率。输入电压为220 Vrms下,10%~50%负载时效率在0.96以上。
太阳电池阵空间放电电弧严重威胁航天器的可靠运行和安全寿命。基于太阳电池阵在空间等离子体环境放电电弧理论,对高能脉冲激光诱导太阳电池阵放电电弧机理进行分析,采用空间放电地面模拟实验系统研究3种不同工况下的太阳电池阵放电电弧特性,得到3种工况下激光诱导放电电弧的功率密度阈值分别约为1.8×108 W/cm2、1.45×108 W/cm2和1.08×108 W/cm2。在近地轨道等离子体环境下每次施加脉冲激光诱导放电电弧的概率达到约60%,且激光诱导放电电弧电流峰值为5.4 A,平均持续时间达到16.68 μs,极易对太阳电池阵造成较大危害。
针对现有断路器故障诊断研究中无法有效区分未知类样本的问题,提出了一种基于卷积原型网络的断路器故障诊断算法。首先,以聚类的思想构建分类函数,通过各类故障的原型样本点特征空间距离约束来划分概率空间,实现对包含未知类故障样本集的识别。同时,以原型样本点为聚类中心,将样本特征的空间距离作为卷积特征自提取网络的优化目标,以有效改善样本特征的类内聚集性及类间的分散性,提高模型对样本的分类准确度。最后,基于110 kV断路器现场实验数据,对所提算法的有效性和准确性进行验证。结果表明,所提算法能够准确区分测试样本中的未知故障,并有效改善了故障样本特征的空间分布。
