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配电开关合闸过程动态仿真分析及合闸时间优化

时间:2016-11-28来源: 作者: 点击: 353次


钱远驰1,李丁2,张宏亮2,刘鹏2,冯恺2,黄伟军1

1. 珠海许继电气有限公司,广东 珠海519060;

2. 西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室,陕西 西安710049)

 

 要:本文以某型10 kV配电开关为研究对象,构建了配电开关成套设备的三维有限元模型。在深入分析操作机构合闸过程中合闸线圈电压、电流变化规律的基础上,基于有限元法提出了一种针对配电开关合闸过程的计算机数值仿真方法。应用该有限元仿真方法计算了配电开关操作机构合闸过程中各性能参数随时间的动态变化情况。通过改变线圈电阻和匝数两个参数,分别仿真分析了线圈电阻和匝数的改变对于操作机构合闸时间及动铁芯运动速度的影响。发现匝数n相同时,电阻r越小,合闸时间越短;而电阻相同时,匝数与合闸时间的关系并不单调。对比上述仿真计算结果,提出了合闸时间优化方案。

关键词:配电开关; 合闸过程; 有限元; 合闸时间;优化设计

中图分类号:TM41

 


智能电网已经成为当今世界电力系统发展方向,而智能配电网又是研究的重点[1]。配电开关作为配电网的关键设备,操作机构的合闸时间代表了开关设备合闸的快慢和能力,关系到设备和电网的运行可靠性。长期以来,对于成套配电开关的研究多关注于操作机构的设计和动作定值的整定方法[2-4],而合闸过程作为较复杂的电磁过程,合闸机构的设计、故障的检测、过程内各参数的变化都依靠试验测量及经验确定,这对于操作机构的优化设计来说极为不便。

本文以某型10kV配电开关为研究对象,对开关成套设备进行了三维实体建模,应用有限元方法对配电开关的合闸过程进行仿真分析,以进一步探索合闸过程的计算机仿真方法,并对合闸时间进行优化。

1 配电开关计算模型

配电开关内充0.1Mpa气压的SF6气体作为绝缘介质。电磁操作机构由合闸线圈、保持线圈、动铁芯、静铁芯及推杆构成,对开关进行整体建模分析。对建立的配电开关合闸线圈三维计算模型运用有限元计算软件进行网格剖分,该模型为轴对称结构,其1/4模型如图1所示。

 

图1  1/4合闸线圈模型

合闸过程中线圈电流的分析

合闸线圈存在较小电阻,由电路理论,合闸线圈模型可以表示为RL串联等效电路[5]

 

2  等效RL串联电路

电路满足的微分方程

(1)

式中,ψ表示磁路的磁链,则

(2)

为了简化分析,认为铁芯和推杆所在的磁路磁通不饱和,则无关,仅与动铁芯、静铁芯之间距离δ有关。有

(3)

(4)

5

t=0,合闸线圈接通电源。由于线圈有一定电感,电流不能马上达到稳定电流,而是逐步由0开始增大,与此同时,铁芯的吸引力也逐渐增大。在动铁芯承受的吸引力不足以使铁芯动作时,δ=δmax为常数,即铁芯的运动速度为=0增大,有,线圈电流呈指数上升。

t=t1时,电流增大至使动铁芯承受的电磁力恰好大于自身在线圈架内运动所承受的阻力,动铁芯开始运动,启动过程结束,加速过程开始。δ减小,L逐渐增大。起初略有增大,后由于反电动势项的影响,缓慢降低。电流偏离指数上升曲线,不断下降。

t=t2后,推杆与操作转轴接触,加速过程结束,减速过程开始。由于操作转轴的阻力,逐渐减小。=0后,有i将继续增大直至饱和。

整个过程的电流曲线如下所示。

 

3  铁芯运动过程中线圈电流随时间变化的曲线[5]

(5)式难以求出解析解,这就限制了上述理论的使用,使之只能应用于定性分析,而合闸过程的电流曲线,往往只能由试验测量所得。借助上述理论,利用ANSYS有限元仿真,对合闸过程进行模拟,以期通过仿真手段获得合闸过程的电流曲线。

合闸线圈电流仿真

基于配电开关合闸线圈电流曲线的理论分析,对电流曲线进行动态仿真。核心思想是将运动过程细分,将非线性过程转化为若干线性过程之和。可以假定,在每一较小的内,动铁芯受的合外力Fh、合闸线圈的电感L和电流均保持不变,并且只在末尾时刻ti发生变化。即认为,动铁芯经历的是若干时间段上匀加速运动的总和,位置δ导致电流和电感变化,进而使合外力变化。在下一个时间单元开始,动铁芯移动到新的位置,并重复上述过程。在电流到达饱和值之前,保持线圈不会工作,所以只需考虑合闸线圈的作用。

算法流程图如下:

 

4  动态仿真流程示意图

(5)式中项使方程难以求解,需要对Lδ的关系进行研究,得到的变化规律。利用ANSYS内置的电磁宏命令Lmatrix可以计算出铁芯在任意位置合闸线圈的电感。

得到的结果如下:

 

5  线圈电感与气隙宽度的关系

由上图得出,在一定范围内,可以认为Lδ基本保持线性关系,且L随着δ的降低而升高。曲线的斜率相差不大,用可以近似替代而不会造成较大的误差。

选择ANSYS3-D磁场计算单元solid117,采用映射划分(mapped)方式划分网格。将仿真过程的命令流文件提取,设置动铁芯的位置参数化,则能连续计算出各位置的线圈电感L、动铁芯合外力Fh、动铁芯速度与合闸线圈电流。图6r=9.34Ωn=1650匝时,合闸机构内参数随时间的变化示意图。

 

(a)  线圈电流电磁力随时间的关系

 

(b)  电感随时间的关系

(c)  铁芯位置铁芯运动速度随时间的关系

6  合闸机构内参数随时间的变化示意图

由上述合闸过程内各参数的变化可以得出:

由于静摩擦力较小,铁芯所受电磁力增长较快,所以铁芯在12ms时就已开始运动,之后线圈上的电流并没有立刻减小,而是继续增长;至44ms,得到峰值电流13.75A,随后电流开始减小;至64ms时,电流减小到极小值9.77A,随后持续增大,至120ms仍未见饱和。

铁芯开始运动后,电流并未立即减小,而是保持原有规律继续增长,这是因为铁芯开始运动的一段时间里,一方面较小,在t0t1的之间,铁芯只运动了5.35mm;另一方面是这段时间内Lδ的变化不明显。这就使得项可以忽略,线圈电流仍按原规律增长;至t1=44msv=0.74m/s项不能忽略,开始降低64ms,动铁芯已运动18.3mm,与静铁芯发生接触,不考虑操作转轴的阻力,则速度降为0,电感不再变化,合闸过程完成。随后电流持续增长至饱和电流i0

上述结果表明,我们进行配电开关合闸过程动态仿真的指导思想完全正确,过程切实可行,结果合理可靠。应用上述计算机仿真方法,完全可以实现合闸机构设计、故障检测,模拟合闸过程各参数变化,因此可以极大的节省配电开关设计的时间成本,节省相应的人力、物力。对未来该型10kV配电开关的优化设计有着显著地影响,具有重要意义。

配电开关合闸时间的优化

在上述模型中,合闸时间共64ms上述合闸过程较好的实现了该型10 kV配电开关合闸过程的仿真分析。因此本节依据上述模型、方法,对影响合闸时间的因素进行分析以优化配电开关的合闸时间。当铁芯结构固定,铁芯的相对磁导率、质量和截面积均不易更改。考虑线圈电阻r和线圈匝数n电阻r改变电路模型的时间常数τ和饱和电流i0。匝数n的增长能够增大线圈的电流密度进而使电感增大。两者与合闸时间的关系并不显然。通过改变rn,观察合闸时间的变化规律,进而找到合闸时间最短的参数值。

 

(a)  线圈电阻与合闸时间

 

(b)  线圈电阻与铁芯运动速度

7  n=1650匝时线圈电阻对合闸时间的影响

n=1650匝的合闸线圈机构,分别模拟r=0.59.34Ω12Ω15Ω18Ω情况下的合闸过程;对r=9.34Ω的合闸线圈机构,分别模拟n=70010001650180020002500情况下的合闸过程。得出合闸时间与铁芯运动速度对nr的关系如图7和图8所示

 

(a)  线圈匝数与合闸时间

(b)  线圈匝数与铁芯运动速度

8  r=9.34Ω时线圈匝数对合闸时间的影响

7表明,匝数n相同时,电阻r越小,合闸时间越短。当r减小时,电流增长速度加快,峰值电流is和饱和电流i0增大,动铁芯的电磁力增大,取得峰值电流的时间t1也越小。这就说明为了获取更短的合闸时间,应当尽量减小r

8表明,电阻r相同时,匝数nt2的关系并不单调。t2随着线圈匝数的增多先下降后上升。原因在于,n与线圈电感L的变化,一方面影响线圈内的电流的变化,另一方面改变了铁芯所受电磁力。n增大,对电流增长的抑制加剧;n减小,对电磁力的影响加剧。根据图中曲线变化趋势,可以认为,在1000匝~1650匝范围内,存在合闸时间t2的最优值。

因此对于该型10kV配电开关,为了有效的降低合闸时间,应该尽可能的减小线圈内阻r,并将线圈匝数保持在10001650匝的范围内。

5 结论

本文对某型10 kV配电开关进行了三维整体建模,重点分析了配电开关合闸过程的物理过程,开展了合闸过程的动态仿真分析,并在此基础之上对配电开关的合闸时间进行优化,得出:

1)配电开关合闸过程中线圈电流受的影响较为复杂,要综合考虑分析。

2针对配电开关合闸过程,提出了一种切实可行的计算机仿真方法,完全可以通过计算机模拟对配电开关合闸机构设计、故障诊断、各参数变化进行仿真。

3依据该计算机仿真方法,针对合闸机构的电阻r和线圈匝数n进行了仿真研究,提出了配电开关合闸时间优化设计方案,并通过数值计算验证了优化方案可以有效降低合闸时间。

致谢

本文作者感谢西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室的帮助,感谢珠海许继电气有限公司科技项目-配电开关电磁场结构分析项目(XJHT14-0022)的资助和支持。

参考文献:

[1] 李斌, 高压真空断路器动态特性分析及其控制研究, 2012, 辽宁工程技术大学.

[2] 任世灵,赖黎生. 浅谈负荷开关的设计理念[J]. 变压器, 2006, (05): 36-39.

[3] 赵胜军,张志强. 分界负荷开关在10kV架空线路上的应用[J]. 继电器, 2008, (02): 82-84+87.

[4] 彭建军. 浅析分界负荷开关在10KV架空线路上的应用[J]. 机电产品开发与创新, 2012, (02): 145-146+154. 

[5] 张永奎等, 基于分合闸线圈电流信号的高压断路器机械故障诊断. 高压电器, 2013(02): 37-42.

                

作者简介:

钱远驰(1976),男,工程师,本科。长期从事配电网一次开关设备的研发及管理工作。

 丁(1992),男,硕士研究生,高电压与绝缘技术专业,E-mail1241594208@qq.com




Dynamic Simulation Analysis Of Closing Process And Optimization Of Closing Time Of Distribution Switch

QIAN Yuan-chi*LI DingZHANG Hong-lianget al.* Zhuhai XJ Electric Co.,Ltd,Zhuhai 519060 

ABSTRACT: In this paper, a three-dimensional finite element model of a complete set of equipment is constructed by taking a certain type 10 kV distribution switch as the research object. The Closing coil voltage and electric current of the operation mechanism in the closing process are analyzed, and a computer numerical simulation method aimed at the power distribution switch closing process is proposed in the finite element method(FEM). The performance parameters with the dynamic changes during the closing process are calculated in this FEM. The effects of coil resistance and the number of turns to operating mechanism closing time and moving velocity of the iron core are simulated and analyzed. Results shows when the number of turns remains constant, smaller the resistance, shorter the closing time, while the resistance remains the same, the number of turns and closing time are not monotonous. The optimization scheme of closing time is proposed ,which is based on the former simulation results.
Key words: Distribution switchClosing processFinite element methodSwitching timeOptimization design




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