适用于快速保护电器的涡流斥力机构多目标优化设计_郑勇.pdf

第 51 卷 第 1 期2023 年 2 月福州大学学报(自然科学版)Journal of Fuzhou University(Natural Science Edition)Vol 51 No 1Feb 2023DOI:107631/issn1000224322217文章编号:10002243(2023)01006907适用于快速保护电器的涡流斥力机构多目标优化设计郑勇1，李戎1，李敏昱1，庄胜斌2，缪希仁2(1 国网福建省电力有限公司福州供电公司，福建 福州350009;2 福州大学电气工程与自动化学院，福建 福州350108)摘要:针对新型电力系统建设中对快速保护电器分断快速性的高性能要求，提出一种基于多目标多参数综合优化的快速保护电器涡流斥力机构 在涡流斥力机构工作机理分析的基础上，采用 Maxwell 进行机构有限元仿真，分析影响机构运动特性的关键设计参数 在现有 ABB-A95(AC3)型产品基础上，沿用 96 A/380 V 规格的双断点触头系统，结合触头运动平均速度快与分闸末速度小的综合目标，通过 NSGA-多目标优化算法实现涡流斥力机构的最优结构参数求解 经仿真分析与样机实验，所设计的涡流斥力机构具有较好的保护分闸运动特性，可在分闸触发 285 ms 内实现 20 mm 满行程快速运动，最大速度 795 ms1，末速度 746 ms1 相较于ABB-A95(AC3)分闸时间减少约 15 ms，并实现快速保护电器样机 50 kA 短路电流可靠分断关键词:涡流斥力机构;新型电力系统;快速保护电器;NSGA-多目标优化中图分类号:TM56文献标识码:AMulti-objective optimization design of eddy current repulsion mechanism forrapid protection apparatusZHENG Yong1，LI ong1，LI Minyu1，ZHUANG Shengbin2，MIAO Xiren2(1 Fuzhou Power Supply Company of State Grid Fujian Electric Power Co，Ltd，Fuzhou，Fujian 350009，China;2 College of Electrical Engineering and Automation，Fuzhou University，Fuzhou，Fujian 350108，China)Abstract:Aiming at the high-performance requirements for the rapid breaking speed of fast-protectingapparatus in the construction of new power systems，an eddy-current repulsion mechanism for fast-protecting apparatus based on multi-objective and multi-parameter comprehensive optimization isproposed Based on the analysis of the working mechanism of the eddy current repulsion mechanism，the finite element simulation of the mechanism was carried out by Maxwell and the key design parame-ters that affect the motion characteristics of the mechanism were analyzed On the basis of the existingABB-A95(AC3)product model，the 96 A/380 V double-break contact system is continually usedConsidering the comprehensive goals of fast average speed of contact movement and low speed at theend of opening，the optimal structural parameters of the eddy current repulsion mechanism were solvedthrough the NSGA-II multi-objective optimization algorithm After simulation analysis and prototypeexperiments，the designed eddy current repulsion mechanism has good dynamic characteristics ofprotective opening It can complete the rapid movement of 20 mm full stroke within 285 ms after breaktriggering，with a maximum speed of 795 ms1and a terminal velocity of 746 ms1 Comparedwith ABB-A95(AC3)，the opening time is reduced by about 15 ms，and the prototype of the rapidprotection apparatus can reliably break with 50 kA short-circuit currentKeywords:eddy current repulsion mechanism;new power system;rapid protection apparatus;NSGA-multi-objective optimization收稿日期:20220610通信作者:郑勇(1973)，高级工程师，主要从事输变配电管理、继电保护原理研究，zhy1973c6 sinacom基金项目:福建省自然科学基金资助项目(2019J01249);国网福建省电力有限公司科技资助项目(5213102000DX)福州大学学报(自然科学版)第 51 卷http:/xbzrbfzueducn0引言随着新型电力系统与“双碳”目标的推进，新能源正逐步成为新型电力系统的构成主体12 其中，低压配用电系统作为新型电力系统建设的重要落脚点，光伏发电、储能等设备大量接入，造成其电力电子化比例不断升高 由于光伏、储能等设备的功率变换装置对于短路故障检测与半导体器件闭锁速度快，即使装置具备一定的低电压穿越能力，但对短路电流的分断响应上往往较断路器快，使断路器无法充分发挥分断短路电流的作用 半导体器件因需承受较大的短路电流，造成其电气寿命大大下降 因此，亟待提高断路器动作速度以提高保护分断性能，同时在确保触头分断过程的高速运动的同时，适当降低运动末速度，以实现含新能源的新型电力系统的短路电流可靠分断快速保护电器的分断性能主要取决于操动机构的运动特性 现有的快速保护电器大都采用弹簧储能或电磁储能的操动机构以实现快速动作，但其机械结构复杂、触头动作速度与装置可靠性较低;而涡流斥力机构具有结构简单、响应速度快等特点，将其应用于快速保护电器有望提高开关分断速度 文献 3 通过优化直流断路器中的涡流斥力机构的导磁材料等适配性，将机构最大分闸速度提升 18%以上;文献 4以动作速度最大为目标对涡流斥力机构的结构参数进行优化设计，大大提高断路器的分断速度 然而，大多数对涡流斥力机构的适配化研究仅停留在单目标优化设计层面，并未考虑运动末期较大动能会产生强烈碰撞，继而影响开关电器使用寿命59 本研究兼顾新型电力系统建设对保护电器分断快速性与保护电器自身寿命要求，拟采用 ABB95 A(AC3)型交流接触器的 96 A/380 V 交流双断点触头系统，在沿用产品壳体结构基础上，提出基于涡流斥力机构的快速分断机构设计方案 通过 Maxwell 有限元仿真分析，确定影响机构运动特性的关键参数 基于 NSGA-多目标优化算法进行参数优化，对所开发样机进行保护分闸动态特性测试，获得快速分断机构的动作性能，为新型涡流斥力原理动作机构在低压快速保护电器中的应用提供参考1快速保护电器原理分析采用涡流斥力机构作为快速保护电器的操动机构以提高快速保护电器的运动速度与响应特性，所设计的低压快速保护电器结构与励磁回路如图 1 所示图 1低压快速保护电器结构Fig1Structure of low-voltage fast protection apparatus图 2涡流斥力机构等效原理图Fig2Equivalent schematic of eddy current repulsion mechanism涡流斥力机构的动作原理简图如图 2 所示当晶闸管受驱动信号导通时，储能电容、晶闸管与分闸线圈盘形成放电回路，放电电流短时间内迅速增大，分闸线圈将产生感应磁场，斥力盘受分闸线圈感应磁场轴向分量的作用下生成涡流，该涡流在切向磁场的作用下形成电磁斥力，从而推动斥力盘运动07第 1 期郑勇，等:适用于快速保护电器的涡流斥力机构多目标优化设计http:/xbzrbfzueducn涡流斥力机构的合闸线圈盘固定在样机顶部的横梁上，分闸线圈盘固定于底部位置，直动式连杆机构穿过合闸线圈盘连接斥力盘与动触头安装部分，带动三相触头系统上下运动，可实现分闸动作 励磁控制电路包括电容充电回路、晶闸管触发电路与电容放电回路 控制单元触发保护分闸时，晶闸管导通，电容组向分闸线圈释放脉冲电流，由此产生的涡流斥力推动斥力盘向分闸位置运动，固定在两侧的分闸保持弹簧提供分闸保持力 动作完成后，控制单元控制继电器导通，充电回路完成对储能电容的快速充电，以备下次分闸动作2涡流斥力机构仿真建模与分析21基于 Maxwell 的机构仿真建模通过有限元仿真软件 Maxwell 搭建上述涡流斥力机构二维仿真模型，如图 3 所示 受限于快速保护电器样机内部的空间结构与尺寸，综合考虑分闸线圈与斥力盘出力大小、运动碰撞等关系问题，设置初始间隙为10 mm 斥力盘与分闸线圈均采用铜材质制作，线圈采用18 mm 线径的铜线绕制，触头、连杆等固定结构质量约为 015 kg，斥力盘随其尺寸变化而改变 由于励磁回路电容直接通过 220 V 交流电整流滤波，充电电压约为 310 V，综合考虑体积与电容放电效果，采用 4 个(C1C4)1 000 F 电容并联，构成放电电容组，此外放电回路存在焊接点，经测量杂散电阻约为 007 将斥力盘与分闸线圈尺寸参数作为重点优化参数，默认斥力盘厚度为 40 mm，斥力盘半径为 320 mm，分闸线圈盘匝数为 18，双层绕制图 3涡流斥力机构仿真模型Fig3Simulation model of eddy current repulsion mechanism22涡流斥力机构关键参数分析涡流斥力机构动态特性与分闸线圈电流、斥力盘感应涡流大小密切相关 在材质确定的前提下，影响涡流斥力机构运动特性的可优化关键参数为斥力盘厚度、斥力盘半径与分闸线圈匝数 为充分说明所优化关键参数对涡流斥力机构运动时间的影响，通过 Maxwell 仿真进行单一变量下的参数分析，仿真实验结果如图 4 所示图 4涡流斥力机构关键参数影响曲线Fig4Influence curve of key parameters of eddy current repulsion mechanism17福州大学学报(自然科学版)第 51 卷http:/xbzrbfzueducn由图 4 可知，随着斥力盘厚度增加，涡流斥力机构满行程运