基于虛擬樣機技術的新型高壓真空開關研究.pdf

1、在輸配電系統(tǒng)中，高壓開關設備是極其重要的電力設備。真空開關由于其具有不可比擬的優(yōu)勢而得到廣泛的應用。本文簡要回顧了國內外真空開關的發(fā)展以及前人開展的真空開關基本理論研究；依據(jù)目前機電設備最新設計方法，對真空開關產品的研發(fā)提出了新的設計理念，引出本文基于虛擬樣機的真空開關優(yōu)化設計的內容與目標。 真空開關優(yōu)化設計涉及多方面的內容，主要集中在電氣參數(shù)與機械參數(shù)。在電氣參數(shù)設計方面，除了滅弧室的分斷與關合特性外，需要考慮因高電壓引起的電

2、場分布問題，因大電流引起的導電體發(fā)熱問題；在機械參數(shù)設計方面，需要考慮靜力強度問題、動力系統(tǒng)運動問題等。實現(xiàn)電氣參數(shù)是機械參數(shù)優(yōu)化的目標，而機械動態(tài)參數(shù)的實現(xiàn)需要對真空開關運動系統(tǒng)進行運動學、動力學分析及動量優(yōu)化。本文基于虛擬樣機定義提出高壓真空開關虛擬樣機概念，利用計算機及相關軟件技術，實現(xiàn)真空開關的模型搭建虛擬、零部件強度的應力場虛擬、導電發(fā)熱的熱場虛擬、絕緣的電場虛擬、運動系統(tǒng)的機械動態(tài)虛擬，并可利用這些虛擬實現(xiàn)真空開關在電氣、機

3、械方面的仿真和優(yōu)化。 虛擬樣機技術首先用于將高壓真空負荷開關與高壓隔離開關進行有機結合的高壓真空負荷隔離開關，以實現(xiàn)高壓真空負荷隔離功能為設計目標，搭建虛擬樣機模型，對其電氣性能要求和機械性能要求進行優(yōu)化設計。結合高壓真空負荷隔離開關的功能和結構特點，完成新型操動機構的研制。依據(jù)操動機構的結構特點和動作原理，提出操動機構的優(yōu)化模型，利用MATLAB對其結構尺寸及動量輸出進行優(yōu)化設計；對真空負荷開關運動系統(tǒng)進行運動學和動力學分析，

4、動量優(yōu)化確定運動系統(tǒng)的構件尺寸，并通過PRO/ENGINEERWildfire機械工程動態(tài)虛擬樣機仿真軟件進行仿真驗證。通過對研制樣機的機械特性測試和型式試驗，驗證了該優(yōu)化方法的有效性。 真空開關核心部件高壓真空滅弧室的研制是其實現(xiàn)高壓化的主要“瓶頸”?；谔摂M樣機技術的72.5kV高壓真空滅弧室主要解決問題是熱場虛擬和電場虛擬。通過高壓真空滅弧室的導電發(fā)熱優(yōu)化其動、靜導電桿的截面，通過內部電場分布優(yōu)化其內部均壓屏蔽罩的結構設計

5、。對采用優(yōu)化結果研制的真空滅弧室進行老煉和靜態(tài)絕緣試驗，驗證該新型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理論，提出由兩個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構，并通過采用永磁操動機構解決斷口動作同步性問題。利用高壓電場中物體結構形狀對電場分布影響的機理，提出了一種新型高壓雙斷口真空斷路器結構，并基于虛擬樣機技術進行了結構優(yōu)化，通過斷口電壓分布試驗驗證雙斷口均壓性，通

6、過斷口靜態(tài)絕緣試驗驗證雙斷口電壓擊穿增益性?；谔摂M樣機技術確定了126kV高壓雙斷口真空斷路器的運動系統(tǒng)，并通過機械特性測試驗證了優(yōu)化結果。利用大連理工大學電力電子研究所合成試驗回路，依據(jù)GB1984-2003和GB/T4473-2008中斷路器型式試驗的規(guī)定，對126kV高壓雙斷口真空斷路器樣機進行短路電流開斷試驗。試驗結果表明，這種新型結構的126kV雙斷口真空斷路器樣機完全勝任126kV電壓等級的電參數(shù)，達到預期設計目標。