[发明专利]高速机械开关多场耦合仿真计算方法及其计算装置

说明书

本发明提供了一种高速机械开关多场耦合仿真计算方法及其计算装置，其中，该方法包括如下步骤：对高速机械开关进行电磁场仿真分析，以确定高速机械开关的瞬态线圈电流和斥力金属盘的电磁斥力；根据瞬态线圈电流对高速机械开关进行热电耦合场仿真分析，以获得线圈的温升曲线；根据电磁斥力对高速机械开关进行分闸反弹运动场耦合仿真分析，以获得高速机械开关的位移曲线。本发明中通过对高速机械开关进行电磁场仿真分析、热电耦合场仿真分析和分闸反弹运动场耦合仿真分析，可以全面反映高速机械开关运动、触头碰撞和线圈温升情况，从而可以全面准确反映高速机械开关的机械性能，进而为混合式直流断路器快速机械开关优化设计提供了理论指导。

技术领域

本发明涉及断路器仿真计算技术领域，具体而言，涉及一种高速机械开关多场耦合仿真计算方法及其计算装置。

背景技术

高速机械开关是混合式直流断路器关键部件，其性能主要由其操动机构决定，目前主要采用电磁斥力机构，普遍存在出力时间短、操动距离小的缺点，因此多被应用于中低压电压等级。对于高电压等级高速机械开关，国内外普遍采用多个中低压等级高速机械开关单元串联同步操作结构形式。因此，高速机械开关的机械特性及稳定性显得尤为重要。

高速机械开关动作过程涉及电磁场、温度场及运动场，而目前对快速开关的研究多基于电磁场单场进行仿真设计，并不能全面准确反映机械性能。

发明内容

鉴于此，本发明提出了一种高速机械开关多场耦合仿真计算方法及其计算装置，旨在解决目前对高速机械开关的研究多基于电磁场单场进行仿真设计，导致的不能全面准确反映机械性能的问题。

一个方面，本发明提出了一种高速机械开关多场耦合仿真计算方法，该方法包括如下步骤：对高速机械开关进行电磁场仿真分析，以确定高速机械开关的瞬态线圈电流和斥力金属盘的电磁斥力；根据瞬态线圈电流对高速机械开关进行热电耦合场仿真分析，以获得线圈的温升曲线；根据电磁斥力对高速机械开关进行分闸反弹运动场耦合仿真分析，以获得高速机械开关的位移曲线。

进一步地，上述高速机械开关多场耦合仿真计算方法中，上述确定电磁斥力的方法为：根据方程组

和

确定电磁斥力F_c，其中公式(3)的初始条件为v|_t＝0＝v₀＝0,x|_t＝0x₀＝0；上式中，ψ_q、ψ_g均为电磁系统全磁链，t为高速机械开关动作时间，L_q为斥力线圈自感，i_q为脉冲电流，M为斥力线圈与斥力金属盘的互感，i_g为感应电流，U_c为电容电压，R_q为斥力线圈电阻，L_g为斥力金属盘的自感，R_g为斥力金属盘的电阻，F_f为斥力金属盘受到的运动反力，x为斥力金属盘的位移，v_1f为高速机械开关运动部件碰撞后初速度，v_2f为高速机械开关运动部件碰撞后终速度，v_1i为高速机械开关运动部件碰撞前初速度，v_2i为高速机械开关运动部件碰撞前终速度，e为碰撞恢复系数。

进一步地，上述高速机械开关多场耦合仿真计算方法中，上述获得线圈的温升曲线的方法为：根据公式其中初始条件为确定线圈随时间的温升；上式中，τ为斥力线圈温升，T为热时间常数，t为高速机械开关动作时间，e为碰撞恢复系数，c为线圈的材质的比热容，m为线圈的质量，K_T为线圈的散热系数，A为线圈的散热面积，P为线圈的发热功率；根据线圈随时间的温升确定温升曲线。