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关键词： 交流接触器   电压暂降   耐受性评估   不规则暂降   微变等效模型  

摘要： 交流接触器作为典型的电能质量敏感设备,易受电压暂降扰动从而自动跳脱,使工业生产非计划停工,造成巨大损失。当电压暂降发生时,供电企业有必要关注暂降对用户或电网的影响,估算暂降造成的后果和经济损失。电压暂降包括矩形波暂降和不规则暂降,现实中监测到的电压暂降波形往往多种多样,且多为不规则波形。研究能够适用于不规则暂降的交流接触器耐受性评估方法,是准确评估暂降对用户造成经济损失的重要前提,为解决供用电双方的经济赔偿纠纷提供重要依据。针对上述问题,本文提出了一种基于微变等效模型的交流接触器不规则暂降耐受性评估方法。本文对典型故障造成的电压暂降波形特点进行了研究,分析了现有方法评估不规则暂降的局限性;结合交流接触器运行特性及其等效电路和磁路推导了耐受机理,从而分析了暂降各特征量对交流接触器耐受性的影响。结合交流接触器耐受机理,提出了基于微变等效模型的交流接触器电压暂降耐受性评估方法。将任意不规则电压暂降瞬时波形用阶跃信号序列的时域叠加形式表征;基于交流接触器的动作机理推导了各部分能量增量的微变关系,建立了交流接触器的微变等效模型;迭代计算各阶跃响应在微变时间域的叠加效应,建立了交流接触器在不规则暂降下的动作行为,给出了交流接触器对任意波形暂降耐受性评判方法。仿真结果说明了所提方法同时适用于矩形波暂降和不规则暂降的评估。为验证所提方法的有效性,开展了电压暂降对交流接触器影响的实验。根据实验方案进行了在不同特征量影响下交流接触器耐受性研究,绘制出不同特征量影响下的交流接触器耐受曲线;研究了不规则暂降幅值、持续时间和波形形状对交流接触器耐受性影响;编制仿真算例中的电压暂降波形,对同一交流接触器进行耐受性测试,将测试结果与仿真评估结果进行对比,说明所提方法能够准确判断任意波形暂降影响下交流接触器的工作状态,有效避免了对不规则暂降的过度评估。

关键词： 交流接触器   剩余寿命预测   特征融合   深度降噪自编码器   长短期记忆神经网络  

摘要： 交流接触器是一种用于低电压等级的控制电器,其主要功能是对交流回路和电流等级大的控制回路的通断进行控制。交流接触器因为其可以频繁操作,耐受大电流能力强,操作距离远等优点而在电力系统中被广泛使用。所以其工作状态对整个电网的安全运行起着关键作用,因此对交流接触器进行剩余寿命预测能够有效地防止因其发生故障而导致电力控制系统的瘫痪,在其寿命结束前能够提前预测并进行更换,可以有效维护电力系统健康安全运行。文章对能够有效表征交流接触器运行状态的特征参数进行了研究,采用基于深度学习的方法,建立DDAE-LSTM模型对交流接触器剩余寿命进行预测。首先,对交流接触器结构、运行和失效特性进行分析,探究可以有效反映交流接触器退化趋势的运行特征参数。通过交流接触器运行状态退化试验平台,对CJX2-5011型接触器进行测试,得到其运行中的三相主触头与线圈的电信号和触头振动信号,并从中提取出电参量和机械参量相关的接触器运行特征参数。其次,为了剔除提取到的特征参数中的冗余信息,综合考虑各个特征参数对交流接触器剩余寿命的影响程度和各个特征参数之间的相关性,采用灰色关联分析法和皮尔逊相关系数法对特征参数进行选择,保留对剩余寿命影响程度大且相互关联程度低的特征。考虑到采用深度神经网络的剩余寿命研究方法,其输入量的维度越大,训练难度和计算量是成指数上升的,所以要以最少的特征在最大程度上反映交流接触器的运行状态,并且综合考虑电参量和机械参量的特征参数,因此采用深度降噪自动编码器(DDAE)的方法对筛选后的特征进行融合重构降维处理,形成最优寿命预测模型数据集。最后,将数据集输入长短期记忆神经网络(LSTM)进行模型训练和交流接触器剩余寿命预测。经过对比结果分析,在预测模型方面,采用长短期记忆神经网络模型要比传统循环神经网络模型和支持向量机回归预测模型的预测精度高;在模型输入量方面,单独使用机械参量特征进行预测精度较低,单独采用电参量特征进行预测结果稳定性不好。综合考虑预测结果的精度和稳定性,采用电参量和机械参量融合特征进行LSTM剩余寿命预测的效果更优。

关键词： 交流接触器   电特征参数   触头形貌   失效机理   电寿命预测  

摘要： 交流接触器广泛应用于低压电气控制系统,主要负责远距离频繁接通和断开交流主回路和大电流控制电路。随着交流接触器动作次数增多,电磁机构与触头等部件逐渐退化,开断性能逐渐下降,导致系统安全性和可靠性降低。开展交流接触器运行状态评估、失效机理分析与剩余寿命预测对于提升器件与系统可靠性具有重要理论意义和工程应用价值。论文围绕ABB-A50-30型交流接触器失效机理与电寿命预测方法开展研究,通过设计电寿命试验装置采集数据,从电特征参数变化规律和触头形貌变化特征两方面进行交流接触器失效机理分析,进而基于数据驱动的方法,提出基于鲸鱼优化算法-核极限学习机(Whale Optimization Algorithm-Kernel Extreme Learning Machine,WOA-KELM)模型的交流接触器剩余电寿命预测方法。具体研究内容如下:开展交流接触器电寿命试验与参数特性分析。通过设计交流接触器电寿命试验装置,开展交流接触器电寿命试验,在线采集交流接触器动作过程中的三相主触头电压/电流等电特征参数;离线采集接触电阻等电特征参数;利用触头形貌观察平台采集触头表面三维形貌数据。分析不同动作时期下电特征参数概率分布特性,以及不同参数设置下核分布对电特征参数估计的影响。试验及分析结果为失效机理和电寿命预测提供分析基础。从电特征参数变化规律和触头形貌变化两方面研究交流接触器失效机理。针对在线获取电特征参数受噪声干扰问题,提出一种基于变异系数-CRITIC(Coefficient of Variation-CRITIC,CV-CRITIC)组合赋权综合评价的小波包变换去噪方法,进而分析电特征参数的变化规律。研究老化失效过程中触头材料表面产生微观液滴、空洞、裂缝等形貌的演化机制和不同动作次数情况下触头三维表面形貌参数的变化规律;利用灰熵关联法计算与分析触头形貌变化与三维表面形貌参数关联度、三维表面形貌参数与电特征参数关联度、电特征参数与动作次数关联度。结合基于电特征参数的失效分析、基于触头形貌变化的失效分析与灰熵关联法计算结果,归纳提出交流接触器老化失效综合过程。提出一种基于WOA-KELM模型的交流接触器剩余电寿命预测方法。方法利用核函数改进极限学习机模型,利用WOA算法优化模型参数,提高了电寿命预测精度。分析了不同变量类型、不同预测模型、不同动作时期的预测结果,验证了模型精度。

关键词： 电气接线图   矢量化   目标检测   文本识别   模板匹配  

摘要： 电气接线图是表示电气设备与电器元件的位置、描述其接线与配线方式的工程图纸。它可以用来指导接线安装、线路检修和故障处理工作。随着电网结构和运行方式日益复杂,人们需要借助计算机、自动化等技术进行电网的调度管理,这就需要对电气接线设计图纸的图像文件重新绘制,即矢量化,使之能够被相应的调控系统解读并应用,以维护电网的稳定运行。目前接线图的矢量化工作由工作人员借助绘图系统手动进行,人力和时间成本开销巨大,因此需要研究电气接线图纸的自动矢量化方法。所谓的矢量化,就是提取图纸中的电气设备等元素的位置和其相互间的关联关系,形成类似于XML文件的结构化信息文档(电网领域称之为G文件),该文件可输入电网调控系统使用。本文深入分析了人工矢量电气接线图纸的操作流程,结合前沿的计算机以及深度学习技术,提出了电气接线图纸矢量化技术解决方案,实现了电气接线图纸中电气设备的识别与定位、标注文本的识别与电气元素间关联关系的分析。本文的主要工作内容如下:(1)针对图纸中电气设备数量多、分布密、检测慢以及小尺寸图元符号检测效果差的问题,提出了基于YOLO目标检测框架的电气图元检测模型。其结合通道注意力机制SE-Net,实现了对各类电气图元符号的精准识别与定位,平均检测准确率达到91.4%,尤其提升了小尺寸图元的检测准确率,在保证精度的同时,也达到了实时性的检测要求,平均每张图纸的图元检测时间为0.34秒。(2)针对图纸中的标注文本字体大小不统一,难以直接提取所有标注文本的算法瓶颈问题,提出了基于多尺度特征提取的文本区域检测算法,实现了对图纸中不同字号标注信息的精准定位;构建了基于CRNN的标注文本识别模型,将定位到的文本区域送入模型,获得标注内容。(3)针对图纸中电气元素过多、关联关系复杂,难以精准提取并复现到矢量图中的问题,提出了基于模板匹配的矢量化成图策略。其充分利用电气接线图的分块特征以及图元与文本检测结果,以图元组为单位,将图元组内电气元素关联关系的分析问题转换成对图元组模板的类型识别问题,进而完成整张图纸电气元素的关联关系分析。(4)设计与实现了电气接线图纸矢量化系统,并在华北电力公司某生产环境进行了实际部署运行,效果良好。

关键词： 压电驱动电源   快速响应   直流耦合   容性负载驱动  

摘要： 压电陶瓷作为一种微驱动领域的智能材料,在精密定位、纳米工程、微电子工程等诸多领域都有着越来越广泛的应用。压电致动器就是利用压电陶瓷的逆压电效应来实现精密定位和快速动作。通过分析国内外压电驱动电源的研究现状,随着人们对压电陶瓷快速驱动的应用需求越来越高,驱动电源的性能也需要与之匹配。本文在此研究背景下,针对压电陶瓷快速驱动的应用需求,对快速驱动功率放大电路进行研究。首先,为了设计出动态性能快、驱动能力优越的功率放大电路,对现有的压电驱动电源的拓扑结构进行深入了解,分析现有的电路拓扑结构中存在的优缺点,从中优选出动态响应快、驱动性能优越的电路拓扑结构,为接下来的电路阶跃性能的研究与优化作准备。其次,为了提升功率放大电路阶跃响应性能,对直流耦合快速驱动功率放大电路进行了深入研究。将直流耦合快速驱动功率放大电路的实际电路与理论电路模型相结合,对实际电路模型进行数学建模和仿真实验,定性定量地分析了环路补偿电容对直流耦合快速驱动功率放大电路阶跃性能的影响。通过环路优化方法,使得整个功率放大电路的阶跃响应性能得到的提升。然后,为了解决容性负载引起的动态响应问题,对直流耦合快速驱动功率放大电路与负载性能进行深入研究。通过对直流耦合快速驱动功率放大电路功率输出级的设计,提高放大电路在驱动容性负载时的带载能力。通过将容性负载模型与功率放大电路相结合,建立相应的电路负载理论模型,从理论上电容大小对于直流耦合快速驱动功率放大电路阶跃响应时间的影响。最后,设计了直流耦合快速驱动功率放大电路的电路原理图和PCB,制备了直流耦合快速驱动功率放大电路的实验样机。在此基础上,对直流耦合快速驱动功率放大电路进行了整机设计和实验研究,对直流耦合快速驱动功率放大器电路的阶跃响应时间进行了实验研究,验证了直流耦合快速驱动功率放大电路理论模型的准确性;通过优化环路补偿电容,空载下的阶跃响应时间可达1.8μs;对直流耦合快速驱动功率放大器电路在不同电容负载下的阶跃响应性能进行了实验研究,可以通过负载电容大小定量分析,特定电路参数下直流耦合功率放大电路阶跃响应性能,验证了直流耦合快速驱动功率放大电路和电容负载模型的准确性。通过整机性能测试实验表明,直流耦合快速驱动功率放大电路可以无失真地输出0～10kHz、0～150V的信号,驱动0.5μF时的阶跃响应时间为12μs具有良好的动态性能,其输出电压线性度为99.49%、静态纹波小于12mV,具有良好的静态响应性能。

关键词： 小学生   反馈   学习判断   心理努力  

摘要： 自我调节学习是21世纪学习者应该具备的一般心理技能,而学习判断是自我调节学习的核心。反馈是影响学习判断的一个重要因素,但以往关于反馈对学习判断的影响结论并不一致,同时其内在机制也不明确。另一方面,研究者们发现反馈会影响学习者的心理努力,而心理努力同时影响学习判断,但关于心理努力在反馈与学习判断之间是否起中介作用还不明确。因此,研究将进一步探讨反馈与小学生数学学习判断的关系,并着力考察心理努力在其中所起的作用。实验1以159名四年级小学生为被试,采用Van Loon-Hillen等人（2012）的心理努力量表和Thiede等人（2003）的学习判断量表收集了不同反馈类型下小学生数学学习判断与心理努力的成绩数据,考察了反馈对小学生数学即时学习判断的影响及发生机制。结果显示:正反馈对小学生的即时学习判断预测作用显著,而负反馈对小学生的即时学习判断预测作用不显著;具体心理努力在反馈与即时学习判断之间起中介作用。实验2a以95名四年级小学生为被试,考察了反馈对小学生数学延迟学习判断的影响及发生机制。结果显示:正反馈对小学生的延迟学习判断预测作用显著,而负反馈对小学生的延迟学习判断预测作用不显著;具体心理努力在反馈与延迟学习判断之间不起中介作用。实验2b以90名四年级小学生为被试,考察了反馈对小学生数学延迟学习判断的影响及发生机制。结果显示:正反馈与负反馈都对小学生的延迟学习判断预测作用不显著;整体心理努力在反馈与延迟学习判断之间不起中介作用。研究结果最终支持了反馈通过具体心理努力影响小学生的数学即时学习判断。该结果有助于帮助教师深入了解影响小学生数学学习判断的作用机制,促进教师因材施教,提升教学效果,进而提高小学生的自我调节学习能力。

关键词： 斜极面交流接触器   优化设计   阶梯电流起动   斜率闭环反馈   三相轮流零电流分断  

摘要： 交流接触器作为一种广泛应用于配电系统的低压电器,随着新能源发展,配电网智能化与终端电气化率的提高,新一代电网背景下开关的运行环境愈加复杂多变,对于交流接触器的性能及经济指标提出了更高的要求,交流接触器朝着节能、高效、高可靠性及长电寿命的方向快速发展。为了解决传统的交流接触器存在电磁系统材料利用率低,吸合过程触头弹跳剧烈,分断过程电弧侵蚀明显等问题,本文以E型交流接触器为研究对象,将电磁机构改进为斜极面结构并进行优化设计,以此为基础,提出一种全过程控制策略,进一步提高接触器的性能和可靠性。本文的研究对于提高交流接触器的工作性能及经济效益具有理论指导意义和实用价值。 本文首先采用电磁场有限元仿真软件Flux、动力学有限元仿真软件Recurdyn,建立基于电磁-机械-运动的一体化仿真模型,通过仿真获得交流接触器动态特性的相关参数。从铁心斜面角度、分磁环结构以及节能节材等多因素考虑,采用多策略融合的粒子群算法,对E型斜极面铁心结构的交流接触器电磁系统进行优化设计,根据优化结果制作了样机并进行实验验证。结果表明,优化后的斜极面交流接触器受电磁吸力横向分量的影响小,吸合稳定可靠,且达到节能节材、减轻触头弹跳的目的,具有良好的动态特性和经济效益。 在一些高度智能化、自动化及对交流接触器工作性能要求较高的场合,仅靠结构优化无法满足要求,本文提出了一种吸合和分断的全过程控制策略。吸合过程以两段式阶梯电流起动方式为基础,通过正交试验确定较佳的起动参考电流,并在电流斜率闭环反馈控制基础上,加入时间及电流阈值的多重判断条件,能够有效防止开关纹波的干扰,且控制较为简单,大大降低铁心碰撞速度,从而减小触头弹跳,同时有效解决接触器老化导致的控制效果下降等问题;分断过程采用基于三相触头电流轮流过零分断的控制策略,有效提升了交流接触器的电寿命。通过多软件联合仿真模型,验证了该控制策略的可行性。最后设计了控制系统并进行实验验证。结果表明,该控制系统能够实现交流接触器的全过程智能控制,使接触器的各项工作性能得到了大幅提升,充分发挥了智能控制系统的优势。

关键词： 大容量   直流空气断路器   磁流体动力学(MHD)   栅片结构   金属蒸气  

摘要： 近年来,我国新能源系统与分布式电网得到了空前的大力发展,直流输配电技术凭借其经济性好、损耗少、噪声低等优点广泛应用于现代电力系统的各个环节。直流空气断路器是系统中不可替代的保护装置,常承载着关合与分断短路电流的作用,其灭弧室的结构与磁场分布特性决定了断路器熄弧的能力。以光伏输电、舰船推进、地铁轨道等领域为代表的电力工业对直流空气断路器的开断容量提出了更高的要求,研发高质量性能优异的大容量空气断路器也成为了直流开断领域目前亟待解决的问题。大容量直流空气断路器是从传统的塑壳式直流空气断路器演化而来,其灭弧室内部空间体积更大,电弧特性更加复杂,若想进行产品的研发,则必须先对大容量直流空气断路器灭弧室中的电弧动态转移机理展开细致的研究。本文基于磁流体动力学(MHD)理论,建立了大容量直流空气电弧等离子体的数学模型,参考国内外常见大容量空气断路器灭弧室内部结构,完成若干个灭弧室内电弧等离子体的动态仿真,展示了电弧从跑弧道中运动发展、拉伸延展、被栅片切割、最后熄灭的电弧演变全过程。通过对比分析多个仿真之间的电弧演变形态以及电弧外特性的差异,总结了不同因素影响下,大容量直流空气灭弧室中电弧的转移机理,详细分析了栅片结构、金属蒸气、磁场分布等因素对电弧动态特性的影响。通过对气流场与温度场的分析,阐明了大尺度空间内电弧的演变行为,并提出了相应的灭弧室结构优化改进的建议。仿真结果表明:本文很好地展示了大容量直流空气断路器灭弧室中电弧的形态变化过程,及不同类型灭弧室的熄弧性能。本文的工作对于大容量直流空气断路器灭弧室的结构设计、优化以及样机的研发提供了一定理论指导作用。

关键词： 交流接触器   状态识别   最大信息系数   特征选择   支持向量机  

摘要： 近年来,随着国民经济的日益增长,为了更好的推动我国智能电网的发展以及加快实现碳达峰、碳中和的目标,对于保证电能传输与分配安全可靠的开关电器也提出了更高层次的要求,如何提高开关电器设备的运行状态信息反馈能力是近几年的热点问题。交流接触器是低压电器中可用于远距离频繁接通和分断线路以及用于控制电机启动电路的过载保护的电器设备,深入挖掘其运行过程中的状态信息,判断产品的退化状态并建立用于判别运行状态的分类模型,对其智能化的发展有着深远的影响。本文以交流接触器触头系统机械振动信号为主要研究对象进行特征参数的提取。针对交流接触器具有多元、多属性交互影响以及动态变化的特点,采用了基于最大信息系数(MIC)的特征选择方法,得到与其运行状态相关程度较高的最优特征参数子集。并输入到支持向量机(SVM)中建立交流接触器的状态识别模型。首先,研究交流接触器的机械结构,对其触头的动作过程、以及失效机理进行深入的剖析。借助于交流接触器运行状态研究系统,以CJX2-5011型为研究对象,获取其全寿命过程的触头系统振动信号、电压和电流信号,综合计算挖掘用于表征与识别交流接触器触头系统运行状态的振动信号时域频域特征参数。其次,为了最大程度的保留所提取特征参数中所蕴含的关键信息。以MIC方法为基础制定特征选择策略,考虑到参数的重要度以及冗余度,对所提取的原始特征参数集合进行降维,得到最优的特征参数子集。最后,将得到的最优特征参数,结合加权相对劣化度的方法进行交流接触器运行状态的表征,并对其运行状态进行划分。然后输入到基于灰狼算法(GWO)优化的支持向量机中,构造交流接触器运行状态识别模型。通过对比不同选择方法所得到的参数子集用于表征的精度以及运行状态识别的准确率,得出基于MIC方法得到的最优特征子集的表征情况以及识别情况相比于其他方法都有较好的效果。

关键词： 熔断器   弧前时间   多物理场耦合   烧蚀   介质恢复  

摘要： 配电网作为电网的重要组成部分,直接面向电力用户,与广大人民群众的生产生活息息相关,配电网的稳定运行是保障和改善民生的重要前提;高压喷射式熔断器是电力系统配电网中应用非常广泛的保护电器,一般用在配电变压器高压侧或者配电网枝干线路上,但由于熔断器保护配合原则不清晰和开断可靠性差,熔断器失效引起的配电变压器故障和停电故障在总配电故障中仍占有较大比例,因此研究其弧前时间-电流特性和燃弧特性对于熔断器可靠运行具有重要意义。本课题依托国家电网辽宁省电力有限公司科技项目“10k V喷射式熔断器开断特性研究与应用”,以10k V喷射式熔断器为研究对象,首先建立了弧前时间数学模型,对1650A短路电流和260A过载电流进行仿真计算,并通与实验数据进行对比,验证了计算模型的准确性。其次基于流体力学方程、NEC辐射模型和标准k-ε湍流模型的基础上建立了考虑载熔件内壁烧蚀的二维动态电弧数学模型,对熔断器进行电弧仿真计算,得到载熔件内烧蚀蒸气质量、压强、轴向速度、温度和密度等参数,并分析了不同开断电流、电弧缩短杆长度和载熔件与熔丝不同组合方案对燃弧特性的影响;最后对熔断器内电场强度进行了三维有限元仿真计算,得到最大电场Emax随开距变化曲线;并依据流注理论,结合电场和气流场计算结果,得到了熔断器开断短路电流弧后气体的介质恢复曲线,分析不同因素对开断能力的影响,给出载熔件和熔丝合理的组合方案。计算结果表明:弧前时间仿真计算结果与试验结果吻合度较高,通过与厂家提供弧前时间—电流特性曲线对比,均在误差范围内,验证了仿真模型的准确性。开断相角相同时,开断电流越大,烧蚀蒸气质量越多,载熔件内压强越大,轴向气吹速度越快;电弧缩短杆越短烧蚀质量越大;在电场计算中,最大电场Emax在软铜绞线顶端,随着开距的增大而减小,且电弧缩短杆对电场影响较小;电弧缩短杆长度相同时,开断电流越大其介质恢复能力越强;电弧缩短杆在110mm～150mm范围内,加长电弧缩短杆可增强大电流的开断能力,但会减小小电流开断能力;针对不同组合方案,建议选用方案三。研究结果可以为熔断器电弧熄弧特性分析提供理论依据。