相较于机械式断路器,固态断路器因其更快的分断速度和更高的寿命等优点被广泛关注。介绍了一种基于SiC器件的低压直流固态断路器拓扑和工作原理,分析其技术难点,包括低感封装及器件设计、隔离开关技术和快速故障识别技术。研制了一种±375 V直流固态断路器样机,同时进行了故障电流关断测试和温升测试。结果表明所设计直流固态断路器能够在百微秒内实现1 kA短路电流分断,并具备快速故障识别、保护曲线可编程、外部通信与远程控制等功能。
高海拔环境下直流空气断路器(DC ACB)在电弧开断过程中易发生重燃,导致开断失败的概率增加。为了抑制DC ACB高海拔开断时的电弧重燃,以轨道交通用车载DC ACB为研究对象,建立了二维磁流体动力学(MHD)仿真模型,分析了不同海拔下DC ACB中的电弧演变过程,通过增大横向磁场及设置“C”形栅片对其高海拔开断性能进行优化。结果表明增大横向磁场,2 km、3 km海拔下DC ACB不发生电弧重燃,但4 km、5 km海拔下发生电弧重燃。4 km、5 km海拔下,在增大横向磁场的基础上采用含“C”形栅片的改进灭弧室结构,能够使DC ACB在高海拔环境下成功开断。
为给出含光伏配电网的低压直流断路可靠性分布,构建了断路器寿命预测的新陈代谢灰色模型,实现了小样本数据下光伏低压直流断路器寿命的准确预测,预测结果的平均相对误差均小于2%。进而以灰色预测结果为基础,利用最大似然估计方法给出了光伏低压直流断路器可靠性的两参数威布尔拟合结果,并与实测寿命数据的威布尔分布进行了对比,结果表明威布尔分布的尺寸参数和形状参数的误差分别为0.7%和2.17%,论证了灰色算法和威布尔分布在光伏低压直流断路器可靠性分析中的有效性。
高压直流继电器体积小、散热能力有限,长期工作下存在局部过热的风险,发热严重时甚至影响到接触稳定性和继电器工作寿命。针对200 A直流继电器,综合考虑导体回路通电下欧姆损耗发热,在大空间的自然热对流、热传导以及热辐射、材料电阻率随温度变化等因素,建立继电器在额定工况下电-热流场双向耦合模型,设置电阻率随温度变化函数,进行耦合计算。最后,搭建对应的样机测温平台,对仿真正确性进行验证。结果表明双向耦合结果比单向耦合结果高约5.1 %,与实验测量值误差小于6.2%,验证了电热流场双向耦合的有效性。
针对低压交流断路器用涡流斥力操动机构多参数、多目标优化设计最优解集分布性问题,提出一种改进型NSGA-Ⅱ算法的多目标优化设计方法。首先,分析涡流斥力操动机构原理及建立操动机构有限元分析仿真模型,根据应用需求确定涡流斥力操动机构优化目标与优化变量。其次,采用循环拥挤度排序算法替代原有的拥挤度排序算法,以提升Pareto最优解集的分布性;采用基于反三角函数的自适应策略更新交叉变异概率,以提升算法的适应性;经ZDT系列函数测试,证明其具有良好的适应性和解的分布性。最后,利用改进型NSGA-Ⅱ算法对涡流斥力操动机构进行多目标优化,获取Pareto最优前沿,取得了较好的效果。
针对弹簧操动机构分闸扣板在工作过程中失效的问题,提出了一种适用于受强冲击载荷的疲劳寿命计算方法。运用RecurDyn对整体弹簧操动机构进行运动学分析,得到合闸速度、行程与弹簧力。基于运动学模型利用Lsdyna进行冲击动力学仿真,得到合闸过程中分闸扣板应力集中处的时间应力曲线。针对其失效特点,采用局部应力应变法加冲击损伤修正方法进行寿命估算,得到的结果为9 216次,与实际测试次数10 000次相比,误差为7.8%,符合工程要求。
电磁系统为铁路信号拍合式继电器的重要组成部分,电磁系统中衔铁行程对铁路信号拍合式继电器的电气特性有直接影响,衔铁折角角度更是影响衔铁行程的重要因素。为了提高衔铁折角角度的筛选精度,以铁路信号拍合式继电器中的衔铁零件作为研究对象,提出一种模拟衔铁在继电器中运动过程的衔铁内折角的测试方法,并设计了衔铁内折角测试装置。在实际生产试用过程中,发现使用所设计装置筛选出来衔铁的角度测试结果更加符合正态分布,且通过筛选的衔铁组装成继电器的电气特性一致性更好,证明了通过所设计装置筛选比现有的方法筛选误差更小。
在高压直流接触器的磁吹灭弧系统中,当电弧燃烧时常采用永磁体拉长电弧致其熄灭,而熄弧时间又直接影响到产品的寿命次数。研究表明永磁体磁感应强度越强,熄弧时间越短,但触点中心磁感应强度与永磁体的几何中心磁感应强度有直接关系。通过仿真优化常用磁吹灭弧系统结构形式,减小单个永磁体几何中心磁感应强度,提高磁吹灭弧系统空间磁感应强度,以提升高压直流接触器产品的生产效率及寿命次数。
针对剩余电流动作保护器保护频繁失效的问题,将理论与仿真分析相结合,与实际用电场景紧密联系进行研究。首先从正常剩余电流、剩余电流互感器、转移电压、非隔离型光伏逆变器并网等方面导致的剩余电流动作保护器保护失效原因进行理论分析;其次利用Simulink仿真软件搭建考虑线路对地分布电容的中低压配电网仿真模型、10 kV配变高压侧接地故障仿真模型以及非隔离型光伏并网逆变器并网仿真模型,分别对正常剩余电流、转移电压、新型电力系统下非隔离型光伏逆变器并网导致的保护失效进行仿真验证,验证失效机理分析的正确性。
为了满足电器设备小型化的需求,解决交流接触器载流提升后的温升超标问题,通过分析影响交流接触器温升和接触电阻的主要因素,选择提升接触器载流能力的可行途径。以某型号交流接触器为对象,对触点材料、接触类型、触头压力等进行优化,通过理论计算验证了优化方案的可行性,最后通过试验验证了方案的有效性。
大容量交流接触器使用时负载电流大、功率因数小、电弧熄灭时能量大,对灭弧系统要求高。通过理论分析、高速摄影和电寿命试验等方法研究不同触头系统和灭弧系统的灭弧能力,为提升大容量交流接触器电寿命和使用可靠性提供参考。
介绍了断路器选择性保护的基本概念,以及进行断路器选择性保护研究对于保障供电连续性和可靠性的重要意义。针对某船电力系统,运用时间-电流特性曲线设计了断路器参数。搭建了五级断路器试验平台,验证从上而下五级断路器之间选择性,发现存在旁路缺陷。最后,提出了一种改进的时间-电流特性曲线,可实现选择性保护,并通过试验验证。
