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真空旁路开关机构运动特性不确定性分析

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陈海, 李国铮, 刘晓明, 李培源, 郑佳圆, 史红菲, 陈军平. 真空旁路开关机构运动特性不确定性分析[J]. 真空科学与技术学报, 2025, 45(12): 1025-1030. doi: 10.13922/j.cnki.cjvst.202505008
引用本文: 陈海, 李国铮, 刘晓明, 李培源, 郑佳圆, 史红菲, 陈军平. 真空旁路开关机构运动特性不确定性分析[J]. 真空科学与技术学报, 2025, 45(12): 1025-1030. doi: 10.13922/j.cnki.cjvst.202505008
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Hai CHEN, Guozheng LI, Xiaoming LIU, Peiyuan LI, Jiayuan ZHENG, Hongfei SHI, Junping CHEN. Uncertainty Analysis of Motion Characteristics of Operating Actuator for Vacuum Bypass Switch[J]. zkkxyjsxb, 2025, 45(12): 1025-1030. doi: 10.13922/j.cnki.cjvst.202505008
Citation: Hai CHEN, Guozheng LI, Xiaoming LIU, Peiyuan LI, Jiayuan ZHENG, Hongfei SHI, Junping CHEN. Uncertainty Analysis of Motion Characteristics of Operating Actuator for Vacuum Bypass Switch[J]. zkkxyjsxb, 2025, 45(12): 1025-1030. doi: 10.13922/j.cnki.cjvst.202505008
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真空旁路开关机构运动特性不确定性分析

  • 1.

    智能配用电装备与系统全国重点实验室 河北工业大学电气工程学院 天津 300401

  • 2.

    成都旭光电子股份有限公司 成都 610500

    • 通讯作者: E-mail: liuxiaoming@hebut.edu.cn; 

  • 中图分类号: TM561.2

Uncertainty Analysis of Motion Characteristics of Operating Actuator for Vacuum Bypass Switch

  • 1.

    State Key Laboratory of Intelligent Power Distribution Equipment and System, Hebei University of Technology, School of Electrical Engineering, Hebei University of Technology, Tianjin 300401, China

  • 2.

    Chengdu Xuguang Electronics Co., Ltd., Chengdu 610500, China

    • Corresponding author: Xiaoming LIU, liuxiaoming@hebut.edu.cn ; 

  • MSC: TM561.2

  • 摘要: 文章以3.6 kV/2500 A真空旁路开关适配单稳态永磁操动机构为研究对象，首先构建其三维物理数学模型，并通过有限元法开展数值模拟，聚焦机构服役过程中由于结构参量和外加驱动激励存在的不确定性因素，采用混沌多项式展开（PCE）法分析结构参数和外加激励的变化对机构平均速度与末速度概率分布的影响规律，并给出机构稳定运行所需的结构参数与激励参数可靠区间阈值。
    Abstract: Taking the 3.6 kV/2500 A vacuum bypass switch equipped with a single-stable permanent magnet operating actuator as the research object, firstly a three-dimensional physical and mathematical model is constructed. By using the finite element numerical simulation method, the existing uncertainty problems of structural parameters and external excitation of the operating actuator are focused on. Moreover, the chaos polynomial expansion (PCE) method is adopted to analyze the influence of structural parameters and external excitation changes on the probability distribution of the average velocity and final velocity of the operating actuator, and the reliable interval threshold values of structural parameters and excitation parameters are obtained.
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  • 图 1  真空旁路开关整体结构

    Figure 1.  Vacuum bypass switch structure

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    图 2  真空旁路开关单稳态永磁操动机构三维仿真模型

    Figure 2.  Three-dimensional simulation model of vacuum bypass switch with monostable permanent magnet operating actuator

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    图 3  单稳态永磁操动机构外电路拓扑等效电路

    Figure 3.  Topological equivalent circuit of the external circuit of monostable permanent magnet operating actuator

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    图 4  动铁芯质量确定性量化分析。（a）动铁芯质量0.4～0.6 kg平均速度确定性量化分析，（b）动铁芯质量0.4～0.6 kg末速度确定性量化分析

    Figure 4.  Deterministic analysis of the quality of moving iron cores. (a) Deterministic analysis of average velocity of moving core with mass 0.4 to 0.6 kg, (b) deterministic analysis of final velocity of moving core with mass 0.4 to 0.6 kg

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    图 5  线圈匝数确定性量化分析。（a）线圈匝数84～108 匝平均速度确定性量化分析，（b）线圈匝数84～108 匝末速度确定性量化分析

    Figure 5.  Deterministic analysis of coil turns. (a) Deterministic analysis of average velocity with 84 to 108 turns of coil winding, (b) deterministic analysis of final velocity with 84 to 108 turns of coil winding

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    图 6  动铁芯质量不确定性量化分析。（a）动铁芯0.4～0.5 kg平均速度不确定性量化分析，（b）动铁芯0.4～0.5 kg末速度不确定性量化分析，（c）动铁芯0.5～0.6 kg平均速度不确定性量化分析，（d）动铁芯0.5～0.6 kg末速度不确定性量化分析

    Figure 6.  Uncertainty analysis of quality uncertainty of moving iron cores. (a) Uncertainty analysis of average velocity of moving core with mass 0.4 to 0.5 kg, (b) uncertainty analysis of final velocity of moving core with mass 0.4 to 0.5 kg, (c) uncertainty analysis of average velocity of moving core with mass 0.5 to 0.6 kg, (d) uncertainty analysis of final velocity of moving core with mass 0.5 to 0.6 kg

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    图 7  线圈匝数不确定性量化分析。（a）线圈84～96 匝平均速度不确定性量化分析，（b）线圈84～96 匝末速度不确定性量化分析，（c）线圈96～108 匝平均速度不确定性量化分析，（d）线圈96～108 匝末速度不确定性量化分析

    Figure 7.  Uncertainty analysis of coil turns. (a) Uncertainty analysis of average velocity with 84 to 96 turns of coil, (b) uncertainty analysis of final velocity with 84 to 96 turns of coil, (c) uncertainty analysis of average velocity with 96 to 108 turns of coil, (d) uncertainty analysis of final velocity with 96 to 108 turns of coil

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    图 8  激励电压确定性量化分析。（a）激励电压100～400 V平均速度确定性量化分析，（b）激励电压100～400 V末速度确定性量化分析

    Figure 8.  Deterministic analysis of excitation voltage. (a) Deterministic analysis of average velocity with excitation voltage 100 to 400 V, (b) deterministic analysis of final velocity with excitation voltage 100 to 400 V

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    图 9  激励电压不确定性量化分析。（a） 激励电压100～200 V平均速度不确定性量化分析，（b） 激励电压100～200 V末速度不确定性量化分析，（c） 激励电压200～300 V平均速度不确定性量化分析，（d） 激励电压200～300 V末速度不确定性量化分析，（e） 激励电压300～400 V平均速度不确定性量化分析，（f） 激励电压300～400 V末速度不确定性量化分析

    Figure 9.  Uncertainty analysis of excitation voltage. (a) Uncertainty analysis of average velocity with excitation voltage 100 to 200 V, (b) uncertainty analysis of final velocity with excitation voltage 100 to 200 V, (c) uncertainty analysis of average velocity with excitation voltage 200 to 300 V, (d) uncertainty analysis of final velocity with excitation voltage 200 to 300 V, (e) uncertainty analysis of average velocity with excitation voltage 300 to 400 V, (f) uncertainty analysis of final velocity with excitation voltage 300 to 400 V

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出版历程
  • 收稿日期:  2025-05-19
  • 刊出日期:  2025-12-31

真空旁路开关机构运动特性不确定性分析

    通讯作者: E-mail: liuxiaoming@hebut.edu.cn; 
  • 1. 智能配用电装备与系统全国重点实验室 河北工业大学电气工程学院 天津 300401
  • 2. 成都旭光电子股份有限公司 成都 610500
  • 收稿日期:  2025-05-19

摘要: 文章以3.6 kV/2500 A真空旁路开关适配单稳态永磁操动机构为研究对象，首先构建其三维物理数学模型，并通过有限元法开展数值模拟，聚焦机构服役过程中由于结构参量和外加驱动激励存在的不确定性因素，采用混沌多项式展开（PCE）法分析结构参数和外加激励的变化对机构平均速度与末速度概率分布的影响规律，并给出机构稳定运行所需的结构参数与激励参数可靠区间阈值。

English Abstract

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  • 真空旁路开关具有寿命长、体积小以及环境友好等显著优点，日益成为新型电力系统的安全卫士，发展潜力深远[1]，目前对于旁路开关研究多聚焦于面向灭弧系统绝缘优化和机构系统动作性能提升的结构设计方法。操动机构作为真空旁路开关在实现机电协同配合过程中承担运动特性的核心部件，为满足真空旁路开关速动合闸的功能需求，操动机构需要在提高机构动作平均速度的同时，尽可能减小合闸动作所带来的冲击应力。单稳态永磁操动机构作为真空旁路开关适配机构，其在加工和实际运行过程中存在多种影响其运动速度的不确定性因素，如组成部件结构参数波动、外加激励的不稳定等。Zhong J Y等[2]设计了1100 kV旁路开关用永磁机构，分析了外电路电容器容量及线圈直径对于旁路开关关合速度的影响。Yang W Y等[3]提出了一种用于旁路开关的电磁斥力软着陆机构，在满足动作时间要求的前提下，通过优化斥力盘厚度和缓冲启动时间，降低了开关闭合时的末速度。

    针对新型电力系统开关装备全生命服役周期中运行可靠性问题，可采用不确定性量化与工程实际应用相结合的方式[4-7]。其中不确定性量化的核心是通过数学分析手段对系统各参数的误差或变化进行定量分析进而获得各参数波动对系统整机运行性能的影响，将整体的不确定性问题转化为多个确定性子问题，进而分析系统受多因素影响时的随机性演化及其概率[8]。目前多采用蒙特卡罗模拟法[9]、混沌多项式展开（Polynomial Chaos Expansion， PCE）法[10]、代理模型法和降维法等不确定性量化方法，其中PCE法采用有限阶数展开手段将不确定性问题转化为确定性问题，能够有效简化复杂系统的计算过程方便使用。

    基于上述分析，本文以3.6 kV/2500 A真空旁路开关适配的单稳态永磁操动机构为研究对象，首先建立动态特性仿真物理数学模型，通过有限元法对其进行数值模拟，聚焦动铁芯质量、线圈匝数以及外加激励电压等因素对单稳态永磁操动机构速度特性的影响。此外，采用PCE法开展不确定性分析，以获取结构设计区间，有利于工程设计和制备参数选择，为新型电力系统开关装备设计提供理论基础。

    • 1.   单稳态永磁操动机构数学模型

    • 真空旁路开关整体结构如图1所示。

      对于单稳态永磁操动机构运动特性分析问题，可采用电压平衡方程、麦克斯韦方程组和达朗贝尔运动方程进行描述：

      式中，UC为电容两端电压，ΨS为系统磁链，R为线圈等效电阻，i为线圈电流，v为运动部件速度，Fmag为电磁合力，Ff为运动部件所受反力，m为归算至动铁芯处的运动部件质量，x为运动部件的位移，C为充电电容。通过对微分方程组的求解，可求得单稳态永磁操动机构的运动特性。

      建立真空旁路开关适配单稳态永磁操动机构三维仿真模型，如图2所示。

    2.   运动特性分析边界条件

    • 真空旁路开关单稳态永磁操动机构仿真模型主体部分（除上、下端盖外侧部分）满足旋转对称性。因此，为提高计算精度，在有限元数值仿真过程中构建以Z轴为旋转轴的单稳态永磁操动机构旋转对称模型。

      运动特性有限元数值模拟过程中，考虑真空旁路开关结构特点，确定单稳态永磁操动机构等效空间域以及计算条件。

      计算条件：设置求解类型为瞬态场，等效空间计算场域边界为矢量边界，动铁芯添加力计算边界条件，接入外电路并为动铁芯设置运动域，运动方向为Z轴负方向，线圈与外电路相连。

      有限元分析前处理：考虑单稳态永磁操动机构运动特性分析过程中各结构部件所起作用不同，在分析过程中，对动铁芯/外壳/磁铁座、上/下端盖/永磁体/线圈、等效空间计算场域，以及运动域进行区域分解网格剖分，以确保有限元前处理剖分精度。

      常用单稳态永磁操动机构外电路拓扑供电方式有直接供电和充电电容供电两种形式。以充电电容供电作为外电路拓扑供电方式，单稳态永磁操动机构外电路拓扑等效电路如图3所示。图中，LabellD为充电电源，Lwinding为线圈等效电感，电容型号为C208，RC1为电容等效电阻，LC1为电容等效电感，Rcoil为线圈内阻，RS1为回路电阻，LS1为线路杂散电感，D1为续流二极管。

    3.   结构参数变化对机构动作特性影响分析

    • 为研究不确定性量化分析的特征量影响，在此定义不确定性变量分别为动铁芯运动的平均速度ηavg和动铁芯运动的末速度ηend。分析过程中，选择动铁芯的质量变化和线圈匝数的变化为对象，采用PCE法分析特征参量变化对机构运动速度的影响。

      首先，在220 V激励电压下对于动铁芯质量在0.4～0.6 kg范围内和线圈匝数在84～108 匝范围内ηavg和ηend进行确定性分析，如图4和图5所示。

      考虑实际使用过程中可能的激励电压选择，将运动部件质量取值范围分为二组，分别为0.4～0.5 kg和0.5～0.6 kg；将线圈匝数分为两组，分别为84～96匝和96～108匝。对不确定性仿真进行设置，定义变量为1个，变量服从正态分布，Hermite展开阶数为3阶，配点数为5，设置100万次抽样，不确定性分析结果如图6和图7所示。

      研究结果表明，当运动部件质量在0.4～0.5 kg范围内时，单稳态永磁操动机构运动的平均速度超过1.00 m/s的概率为0.002%，但运动末速度达1.90 m/s，超过2.2 m/s的概率达11.76%；当动部件质量在0.5～0.6 kg范围内时，单稳态永磁操动机构运动的平均速度在0.82～0.90 m/s范围内，运动末速度超过1.90 m/s的概率趋近于0%，相较于质量在0.4～0.5 kg范围内时，其在运动平均速度几乎不下降的情况下降低了末速度。综上，单稳态永磁操动机构动部件质量合理范围确定为0.5～0.6 kg。

      研究结果表明，当线圈匝数在84～108 匝范围内时，单稳态永磁操动机构运动平均速度概率分布区间变化不大，而运动末速度相比较而言，当线圈匝数在84～96 匝范围内时，末速度低于1.86 m/s；当线圈匝数在96～108 匝范围内时，末速度超过1.86 m/s的概率达99.42%。综上，确定线圈匝数合理范围为84～96 匝。

    4.   激励变化对动作速度影响

    • 研究表明，外部激励变化对于单稳态永磁操动机构运动速度具有直接影响，为分析外部激励电压对单稳态永磁操动机构速度特性影响，采用PCE法进行相应分析。为研究激励这一特征量不确定性对运动特性影响，首先，对于激励电压变化的ηavg和ηend进行确定性分析，将激励电压取值范围设定在100～400 V之间，确定性分析结果如图8所示。

      考虑实际工程应用可能选取的激励电压，将激励电压取值范围分别设置为100～200 V、200～300 V和300～400 V三组，激励电压不确定性分析结果如图9所示。

      研究结果表明：

      （1）激励电压变化范围在100～400 V之间时，单稳态永磁操动机构运动末速度分布区间整体变化不大，且末速度在区间内的分布概率也基本相同。

      （2）激励电压在100～200 V之间时，单稳态永磁操动机构运动平均速度分布区间跨度较大，且平均速度低于0.50 m/s的概率超过10%，不符合本文所研究单稳态永磁操动机构快合功能设计需求。

      （3）激励电压在200～300 V之间时，单稳态永磁操动机构运动平均速度分布区间跨度较小，且平均速度高于0.70 m/s的概率达到99.83%，但同时在该范围内存在机构运动末速度较大的可能性。

      （4）激励电压在300～400 V之间时，单稳态永磁操动机构运动平均速度仍低于0.50 m/s的概率达到3.62%。

      基于上述分析，单稳态永磁操动机构外加激励电压的最优区间为200～300 V。

    5.   结论

    • 为探究结构参量和激励变量对于单稳态永磁操动机构速度特性的影响机理，采用PCE法分析在不同变量取值范围下，单稳态永磁操动机构运动平均速度和末速度的概率密度分布。选取结构变量为动铁芯质量和线圈匝数，激励变量为外加激励电压的大小，对真空旁路开关单稳态永磁操动机构结构设计和驱动系统设计提出安全阈值。研究表明，动铁芯质量合理取值范围为0.5～0.6 kg，线圈匝数的合理取值范围为84～96 匝，激励电压理想范围为200～300 V，在该情况下单稳态永磁操动机构可以在提高平均速度的同时降低末速度，获得可靠的服役性能。

    参考文献 (10)

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