[發明專利]高速機械開關多場耦合仿真計算方法及其計算裝置

有效

• 申請號: 201711131430.7
• 申請日: 2017-11-15
• 公開（公告）號: CN108009322B
• 公開（公告）日: 2021-11-16
• 發明（設計）人: 李志兵;田宇;田陽;董恩源;徐曉東;朱玉;劉北陽;王浩;顏湘蓮;劉焱;曹德新
• 申請（專利權）人: 中國電力科學研究院有限公司;國家電網公司;大連理工大學
• 主分類號: G06F30/17
• 分類號: G06F30/17;G06F30/23;G06F119/08;G06F119/14
• 代理公司: 北京工信聯合知識產權代理有限公司 11266
• 代理人: 郭一斐

本發明提供了一種高速機械開關多場耦合仿真計算方法及其計算裝置，其中，該方法包括如下步驟：對高速機械開關進行電磁場仿真分析，以確定高速機械開關的瞬態線圈電流和斥力金屬盤的電磁斥力；根據瞬態線圈電流對高速機械開關進行熱電耦合場仿真分析，以獲得線圈的溫升曲線；根據電磁斥力對高速機械開關進行分閘反彈運動場耦合仿真分析，以獲得高速機械開關的位移曲線。本發明中通過對高速機械開關進行電磁場仿真分析、熱電耦合場仿真分析和分閘反彈運動場耦合仿真分析，可以全面反映高速機械開關運動、觸頭碰撞和線圈溫升情況，從而可以全面準確反映高速機械開關的機械性能，進而為混合式直流斷路器快速機械開關優化設計提供了理論指導。

技術領域

本發明涉及斷路器仿真計算技術領域，具體而言，涉及一種高速機械開關多場耦合仿真計算方法及其計算裝置。

背景技術

高速機械開關是混合式直流斷路器關鍵部件，其性能主要由其操動機構決定，目前主要采用電磁斥力機構，普遍存在出力時間短、操動距離小的缺點，因此多被應用于中低壓電壓等級。對于高電壓等級高速機械開關，國內外普遍采用多個中低壓等級高速機械開關單元串聯同步操作結構形式。因此，高速機械開關的機械特性及穩定性顯得尤為重要。

高速機械開關動作過程涉及電磁場、溫度場及運動場，而目前對快速開關的研究多基于電磁場單場進行仿真設計，并不能全面準確反映機械性能。

發明內容

鑒于此，本發明提出了一種高速機械開關多場耦合仿真計算方法及其計算裝置，旨在解決目前對高速機械開關的研究多基于電磁場單場進行仿真設計，導致的不能全面準確反映機械性能的問題。

一個方面，本發明提出了一種高速機械開關多場耦合仿真計算方法，該方法包括如下步驟：對高速機械開關進行電磁場仿真分析，以確定高速機械開關的瞬態線圈電流和斥力金屬盤的電磁斥力；根據瞬態線圈電流對高速機械開關進行熱電耦合場仿真分析，以獲得線圈的溫升曲線；根據電磁斥力對高速機械開關進行分閘反彈運動場耦合仿真分析，以獲得高速機械開關的位移曲線。

進一步地，上述高速機械開關多場耦合仿真計算方法中，上述確定電磁斥力的方法為：根據方程組

和

確定電磁斥力F_c，其中公式(3)的初始條件為v|_t＝0＝v₀＝0,x|_t＝0x₀＝0；上式中，ψ_q、ψ_g均為電磁系統全磁鏈，t為高速機械開關動作時間，L_q為斥力線圈自感，i_q為脈沖電流，M為斥力線圈與斥力金屬盤的互感，i_g為感應電流，U_c為電容電壓，R_q為斥力線圈電阻，L_g為斥力金屬盤的自感，R_g為斥力金屬盤的電阻，F_f為斥力金屬盤受到的運動反力，x為斥力金屬盤的位移，v_1f為高速機械開關運動部件碰撞后初速度，v_2f為高速機械開關運動部件碰撞后終速度，v_1i為高速機械開關運動部件碰撞前初速度，v_2i為高速機械開關運動部件碰撞前終速度，e為碰撞恢復系數。

進一步地，上述高速機械開關多場耦合仿真計算方法中，上述獲得線圈的溫升曲線的方法為：根據公式其中初始條件為確定線圈隨時間的溫升；上式中，τ為斥力線圈溫升，T為熱時間常數，t為高速機械開關動作時間，e為碰撞恢復系數，c為線圈的材質的比熱容，m為線圈的質量，K_T為線圈的散熱系數，A為線圈的散熱面積，P為線圈的發熱功率；根據線圈隨時間的溫升確定溫升曲線。