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直流電網(wǎng)亟需高壓直流斷路器快速開斷直流側(cè)故障電流，從而保證直流系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。快速開關(guān)是高壓直流斷路器的關(guān)鍵部件，其操動(dòng)速度決定了直流斷路器動(dòng)作時(shí)間。受限于快速驅(qū)動(dòng)和緩沖難題，以往研制快速開關(guān)電壓等級較低，一般為10~20kV。若不提升其電壓等級，則±160kV及±500kV直流斷路器中需串聯(lián)的機(jī)械斷口數(shù)為十幾個(gè)甚至幾十個(gè)，設(shè)備可靠度急劇下降。由此，研制高壓直流斷路器對機(jī)械開關(guān)提出了進(jìn)一步向快速性和高電壓方向發(fā)展的需求。

論文所解決的問題及意義

高壓快速開關(guān)中動(dòng)靜觸頭開距、操動(dòng)質(zhì)量、操動(dòng)速度相較于低壓快速開關(guān)都有所增加，若不施加有效緩沖方式，則運(yùn)動(dòng)部件到達(dá)終點(diǎn)位置會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈機(jī)械撞擊而反彈回初始位置，造成分合閘操作失?。涣硗?，強(qiáng)烈的機(jī)械撞擊可能引發(fā)絕緣拉桿斷裂、操動(dòng)機(jī)構(gòu)中金屬盤碎裂等事故，最終導(dǎo)致快速開關(guān)機(jī)械壽命的縮短。緩沖問題已然成為研制高壓快速開關(guān)的瓶頸問題之一。

選擇適用于高壓快速開關(guān)的緩沖方式并定量研究其緩沖特性具有重要的理論意義和工程實(shí)用價(jià)值。本文研究成果可保證快速開關(guān)中運(yùn)動(dòng)部件“軟著陸”，從而獲得平滑的行程特性曲線，避免高壓快速開關(guān)操動(dòng)過程中的強(qiáng)烈機(jī)械撞擊，為研制高壓快速開關(guān)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

論文方法及創(chuàng)新點(diǎn)

1）通過樣機(jī)實(shí)驗(yàn)獲得了幾種不同緩沖方式下快速開關(guān)的典型分閘行程特性曲線，對幾種曲線進(jìn)行分析比較，證明了電磁緩沖最適于快速開關(guān)，進(jìn)而確定快速開關(guān)采用電磁驅(qū)動(dòng)和電磁緩沖的技術(shù)路線。

2）針對采用電磁驅(qū)動(dòng)和電磁緩沖的快速開關(guān)，將其操動(dòng)過程劃分為驅(qū)動(dòng)階段、中間階段、緩沖階段；通過改進(jìn)傳統(tǒng)等效電路法，分別列寫上述3個(gè)階段的狀態(tài)方程，得到了電磁驅(qū)動(dòng)與電磁緩沖的綜合仿真模型；對40.5 kV快速真空開關(guān)樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，從而驗(yàn)證綜合仿真模型的有效性。

3）通過求解綜合仿真模型，得到緩沖電流取正反向時(shí)快速開關(guān)的操動(dòng)特性以及緩沖施加時(shí)刻不同時(shí)快速開關(guān)的操動(dòng)特性，揭示了緩沖電流方向、緩沖施加時(shí)刻對緩沖效果的影響規(guī)律及原因，為電磁驅(qū)動(dòng)與電磁緩沖的配合提供了指導(dǎo)。

雙向電磁斥力機(jī)構(gòu)示意圖

結(jié)論

1）本文比較了不施加任何緩沖、聚氨酯緩沖、液壓緩沖和電磁緩沖等幾種情況下的緩沖效果，發(fā)現(xiàn)緩沖單元是高壓快速開關(guān)中的必要環(huán)節(jié)且應(yīng)用電磁緩沖時(shí)，快速開關(guān)的行程特性最優(yōu)。

2）針對應(yīng)用電磁驅(qū)動(dòng)和電磁緩沖技術(shù)路線的快速開關(guān)，通過改進(jìn)傳統(tǒng)等效電路法，對快速開關(guān)的操動(dòng)過程建立了電磁驅(qū)動(dòng)和電磁緩沖的綜合仿真模型；針對40.5 kV快速真空開關(guān)樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了綜合仿真模型的有效性。

3）基于綜合仿真模型，研究了緩沖電流方向和緩沖施加時(shí)刻對電磁緩沖效果的影響規(guī)律及原因，得出了緩沖電流與驅(qū)動(dòng)電流方向需保持一致而緩沖施加時(shí)刻不可過大或過小的設(shè)計(jì)原則，解決了電磁緩沖配合問題，為快速開關(guān)向高電壓等級發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

引用本文

溫偉杰, 李斌, 李博通, 馬久欣, 黃瑜瓏. 基于雙向電磁斥力機(jī)構(gòu)的高壓快速開關(guān)緩沖特性研究[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2019, 34(7): 1449-1458.Wen Weijie, Li Bin, Li Botong, Ma Jiuxin, Huang Yulong. Research on the Buffering Characteristics of High Voltage Fast Mechanical Switch Based on Bi-Directional Electromagnetic Repulsion Mechanism. Transactions of China Electrotechnical Society, 2019, 34(7): 1449-1458.

團(tuán)隊(duì)介紹

天津大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院是國際上從事直流斷路器方面研究的先行者。近年來，著重攻克了直流斷路器中的關(guān)鍵技術(shù)。團(tuán)隊(duì)提出的直流斷路器技術(shù)方案已獲得同行專家的認(rèn)可，并經(jīng)中國電機(jī)工程學(xué)會(huì)鑒定為“國際領(lǐng)先水平”，即將在張北四端柔直工程中得到示范應(yīng)用。

溫偉杰

1989年生，講師，研究方向?yàn)殡姎庠O(shè)備、快速開關(guān)、直流斷路器等。

李斌

1976年生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)保護(hù)與控制、故障限流與開斷技術(shù)等。

李博通

1981年生，副教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)保護(hù)與控制等。

馬久欣

1994年生，碩士研究生，研究方向?yàn)殡姎庠O(shè)備、直流斷路器等。