基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的新型高壓真空開關(guān)研究.pdf

1、在輸配電系統(tǒng)中，高壓開關(guān)設(shè)備是極其重要的電力設(shè)備。真空開關(guān)由于其具有不可比擬的優(yōu)勢(shì)而得到廣泛的應(yīng)用。本文簡要回顧了國內(nèi)外真空開關(guān)的發(fā)展以及前人開展的真空開關(guān)基本理論研究；依據(jù)目前機(jī)電設(shè)備最新設(shè)計(jì)方法，對(duì)真空開關(guān)產(chǎn)品的研發(fā)提出了新的設(shè)計(jì)理念，引出本文基于虛擬樣機(jī)的真空開關(guān)優(yōu)化設(shè)計(jì)的內(nèi)容與目標(biāo)。 真空開關(guān)優(yōu)化設(shè)計(jì)涉及多方面的內(nèi)容，主要集中在電氣參數(shù)與機(jī)械參數(shù)。在電氣參數(shù)設(shè)計(jì)方面，除了滅弧室的分?jǐn)嗯c關(guān)合特性外，需要考慮因高電壓引起的電

2、場(chǎng)分布問題，因大電流引起的導(dǎo)電體發(fā)熱問題；在機(jī)械參數(shù)設(shè)計(jì)方面，需要考慮靜力強(qiáng)度問題、動(dòng)力系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)問題等。實(shí)現(xiàn)電氣參數(shù)是機(jī)械參數(shù)優(yōu)化的目標(biāo)，而機(jī)械動(dòng)態(tài)參數(shù)的實(shí)現(xiàn)需要對(duì)真空開關(guān)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)分析及動(dòng)量優(yōu)化。本文基于虛擬樣機(jī)定義提出高壓真空開關(guān)虛擬樣機(jī)概念，利用計(jì)算機(jī)及相關(guān)軟件技術(shù)，實(shí)現(xiàn)真空開關(guān)的模型搭建虛擬、零部件強(qiáng)度的應(yīng)力場(chǎng)虛擬、導(dǎo)電發(fā)熱的熱場(chǎng)虛擬、絕緣的電場(chǎng)虛擬、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械動(dòng)態(tài)虛擬，并可利用這些虛擬實(shí)現(xiàn)真空開關(guān)在電氣、機(jī)

3、械方面的仿真和優(yōu)化。 虛擬樣機(jī)技術(shù)首先用于將高壓真空負(fù)荷開關(guān)與高壓隔離開關(guān)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合的高壓真空負(fù)荷隔離開關(guān)，以實(shí)現(xiàn)高壓真空負(fù)荷隔離功能為設(shè)計(jì)目標(biāo)，搭建虛擬樣機(jī)模型，對(duì)其電氣性能要求和機(jī)械性能要求進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。結(jié)合高壓真空負(fù)荷隔離開關(guān)的功能和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，完成新型操動(dòng)機(jī)構(gòu)的研制。依據(jù)操動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和動(dòng)作原理，提出操動(dòng)機(jī)構(gòu)的優(yōu)化模型，利用MATLAB對(duì)其結(jié)構(gòu)尺寸及動(dòng)量輸出進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)；對(duì)真空負(fù)荷開關(guān)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，

4、動(dòng)量優(yōu)化確定運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的構(gòu)件尺寸，并通過PRO/ENGINEERWildfire機(jī)械工程動(dòng)態(tài)虛擬樣機(jī)仿真軟件進(jìn)行仿真驗(yàn)證。通過對(duì)研制樣機(jī)的機(jī)械特性測(cè)試和型式試驗(yàn)，驗(yàn)證了該優(yōu)化方法的有效性。 真空開關(guān)核心部件高壓真空滅弧室的研制是其實(shí)現(xiàn)高壓化的主要“瓶頸”?；谔摂M樣機(jī)技術(shù)的72.5kV高壓真空滅弧室主要解決問題是熱場(chǎng)虛擬和電場(chǎng)虛擬。通過高壓真空滅弧室的導(dǎo)電發(fā)熱優(yōu)化其動(dòng)、靜導(dǎo)電桿的截面，通過內(nèi)部電場(chǎng)分布優(yōu)化其內(nèi)部均壓屏蔽罩的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

5、。對(duì)采用優(yōu)化結(jié)果研制的真空滅弧室進(jìn)行老煉和靜態(tài)絕緣試驗(yàn)，驗(yàn)證該新型72.5kV高壓真空滅弧室具有更優(yōu)的靜態(tài)絕緣特性。 基于多斷口真空開關(guān)理論，提出由兩個(gè)72.5kV高壓真空滅弧室串聯(lián)而成的126kV高壓雙斷口真空斷路器結(jié)構(gòu)，并通過采用永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)解決斷口動(dòng)作同步性問題。利用高壓電場(chǎng)中物體結(jié)構(gòu)形狀對(duì)電場(chǎng)分布影響的機(jī)理，提出了一種新型高壓雙斷口真空斷路器結(jié)構(gòu)，并基于虛擬樣機(jī)技術(shù)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，通過斷口電壓分布試驗(yàn)驗(yàn)證雙斷口均壓性，通

6、過斷口靜態(tài)絕緣試驗(yàn)驗(yàn)證雙斷口電壓擊穿增益性?；谔摂M樣機(jī)技術(shù)確定了126kV高壓雙斷口真空斷路器的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，并通過機(jī)械特性測(cè)試驗(yàn)證了優(yōu)化結(jié)果。利用大連理工大學(xué)電力電子研究所合成試驗(yàn)回路，依據(jù)GB1984-2003和GB/T4473-2008中斷路器型式試驗(yàn)的規(guī)定，對(duì)126kV高壓雙斷口真空斷路器樣機(jī)進(jìn)行短路電流開斷試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，這種新型結(jié)構(gòu)的126kV雙斷口真空斷路器樣機(jī)完全勝任126kV電壓等級(jí)的電參數(shù)，達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)。