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CN117810018B - 一种多断口真空断路器路间横向磁场屏蔽结构及优化方法 - Google Patents

一种多断口真空断路器路间横向磁场屏蔽结构及优化方法 Download PDF

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CN117810018B CN202311743413.4A CN202311743413A CN117810018B CN 117810018 B CN117810018 B CN 117810018B CN 202311743413 A CN202311743413 A CN 202311743413A CN 117810018 B CN117810018 B CN 117810018B
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Abstract

本发明公开了一种多断口真空断路器路间横向磁场屏蔽结构及优化方法，屏蔽结构包括多个对称设置在灭弧室周围且用于屏蔽邻路产生的横向磁场的屏蔽单元；每个屏蔽单元包括：一块设置在灭弧室外侧的弧状铁芯，以及两块分别设置在灭弧室左侧和右侧的块状铁芯；弧状铁芯与块状铁芯不直接相连；弧状铁芯用于提高电弧截面直径方向磁场的对称性；块状铁芯用于提高电弧截面沿圆弧方向磁场的均匀性。与现有的磁屏蔽结构相比，本发明提供的铁芯独立可以灵活调整且不易饱和，同时可以结合智能算法进行尺寸寻优，从而获得最优的磁场屏蔽效果。

Description

一种多断口真空断路器路间横向磁场屏蔽结构及优化方法
技术领域
本发明属于断路器技术领域，更具体地，涉及一种基于BP(Back Propagation，反向传播)神经网络和NSGA-Ⅱ(多目标遗传算法)的多断口真空断路器路间横向磁场屏蔽结构。
背景技术
多断口断路器邻路产生的横向磁场会对本路触头间的磁场分布产生显著的影响，如图1和图2所示，11表示第一邻路，12表示第二邻路，21表示电弧，22表示电弧截面，23表示触头；该横向磁场会导致电弧向一侧聚集，增大烧蚀程度，同时会增大电流过零点时刻等离子体的浓度，从而影响本路的开断性能。
为了屏蔽邻路产生的横向磁场，目前采取的措施主要分为两种：(1)增大多断口断路器路与路之间的距离，从而削弱邻路产生的横向磁场强度。(2)在每个灭弧室外部套上传统的圆筒屏蔽罩结构，如图3所示，31表示传统筒状屏蔽罩(开槽)，32表示触头电弧模型。
对于发电机大电流多断口真空断路器而言，每路的电流值较大，尤其是短路时的单路电流峰值最大可达114kA，仅仅依靠增大路间距离来削弱磁场的效果有限，同时还会增大多断口真空断路器的自身结构，从而增加经济成本和空间占用体积。
由于每路电流较大，若采用传统的圆筒屏蔽罩结构进行磁场屏蔽，很容易出现磁饱和现象，从而导致铁磁材料失去屏蔽效果。
因此为了屏蔽多断口断路器邻路产生的横向磁场，需要设计出一种新的屏蔽结构。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于BP和NSGA-Ⅱ的多断口真空断路器路间横向磁场屏蔽结构，旨在解决现有技术中采用圆筒屏蔽罩结构进行磁场屏蔽导致铁磁材料失去屏蔽效果的问题。
本发明提供了一种多断口真空断路器路间横向磁场屏蔽结构，包括多个对称设置在灭弧室周围且用于屏蔽邻路产生的横向磁场的屏蔽单元；每个屏蔽单元包括：一块设置在灭弧室外侧的弧状铁芯，以及两块分别设置在所述灭弧室左侧和右侧的块状铁芯；弧状铁芯与块状铁芯不直接相连；弧状铁芯用于提高电弧截面直径方向磁场的对称性；块状铁芯用于提高电弧截面沿圆弧方向磁场的均匀性。
更进一步地，还包括设置在所述灭弧室内的触头电弧模型。
更进一步地，通过建立触头电弧模型中触头间电弧磁场分布的双目标优化模型获得最优屏蔽效果下所述屏蔽单元的尺寸和位置。
更进一步地，双目标优化模型包括优化目标一和优化目标二；优化目标一为电弧截面直径方向磁场的不对称度σ1；优化目标二为电弧界面沿圆弧方向磁场的不均匀度σ2。
更进一步地，采用BP神经网络分别对优化目标一和优化目标二进行回归拟合。
更进一步地，屏蔽单元使用的铁磁材料为软铁。
本发明提供了一种基于上述的横向磁场屏蔽结构的优化方法，包括下述步骤：
S1：针对多断口发电机建立有限元仿真模型；
S2：根据所述有限元仿真模型建立磁场屏蔽优化效果的表征模型，并采用BP神经网络分别对优化目标一和优化目标二进行回归拟合获得屏蔽结构参数和两个优化目标的函数关系；
其中表征模型表征的即为沿直径方向的磁场分布的不对称度和沿圆弧方向磁场分布的不均匀性，这两个优化目标即为神经网络的输出层以及NSGA-II算法的优化目标。
S3：将神经网络BP1、BP2嵌入NSGA-Ⅱ优化算法中，并当所述优化目标一的权重和所述优化目标二的权重相等时选取最优解，从而获得最佳磁屏蔽结构。
更进一步地，优化目标一为电弧截面直径方向磁场的不对称度σ1；所述优化目标二为电弧界面沿圆弧方向磁场的不均匀度σ2。
更进一步地，步骤S3具体包括：
将BP1和BP2以函数的形式嵌入NSGA-Ⅱ算法，迭代弧状铁芯和块状铁芯的尺寸和位置值，并采用非支配排序技术得到Pareto解集；
当优化目标一和优化目标二的权重相等时，pareto解集中的最优解为：
最佳尺寸下优化目标值为：
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有的磁屏蔽结构相比，本发明提供的屏蔽单元包括一块设置在灭弧室外侧的弧状铁芯，以及两块分别设置在灭弧室左侧和右侧的块状铁芯；弧状铁芯与块状铁芯不直接相连；弧状铁芯用于提高电弧截面直径方向磁场的对称性；块状铁芯用于提高电弧截面沿圆弧方向磁场的均匀性；本发明中的铁芯独立可以灵活调整且不易饱和，同时可以结合智能算法进行尺寸寻优，从而取得该结构下的最优磁场屏蔽优化效果。
附图说明
图1是现有技术中邻路横向磁场产生的原理示意图；
图2是现有技术中邻路横向磁场对本路原有横向磁场分布的影响示意图；
图3是现有技术中传统筒状磁屏蔽结构示意图；
图4是本发明实施例提供的受邻路横向磁场影响下的电弧界面的磁场分布示意图；
图5是本发明实施例提供的基于BP和NSGA-Ⅱ的多断口真空断路器路间横向磁场屏蔽结构示意图；其中，(a)表示六路并联真空断路器磁屏蔽结构；(b)表示四路并联真空断路器磁屏蔽结构；(c)表示三路并联真空断路器磁屏蔽结构；
图6是本发明实施例提供的电弧截面磁场观测点分布图；
图7是本发明实施例提供的屏蔽结构的尺寸示意图；
图8是本发明实施例提供的神经网络模型的结构图；
图9是本发明实施例提供的六端口断路器及其屏蔽装置结构示意图；
图10是本发明实施例提供的soft iron(软铁)的B-H曲线图；
图11(a)是本发明实施例提供的无屏蔽磁场分布图，(b)是现有技术提供的筒状屏蔽磁场分布图，(c)是本发明实施例提供的基于BP和NSGA-Ⅱ的多断口真空断路器路间横向磁场屏蔽结构的磁场分布图；
图12(a)是本发明实施例提供的不同情况下电弧截面直径方向的磁场分布图，(b)是本发明实施例提供的不同情况下电弧截面圆弧方向的磁场分布图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明利用铁芯材料磁阻小可以改变磁路的特性，将铁芯合理布置，实现磁屏蔽、改善磁场分布的效果。与现有技术的区别：相对于传统的筒状屏蔽罩，本专利提出了一个由三块铁芯组成的新屏蔽结构，且结合了优化算法进行尺寸寻优。技术优点：屏蔽效果明显优于传统的筒状铁芯，且三块铁芯独立不易发生饱和，同时利用优化算法得到了最优屏蔽效果下屏蔽结构的精确尺寸。
图4示出了本发明实施例提供的受邻路横向磁场影响下的电弧界面的磁场分布；通过观察图4可知，电弧截面左侧的磁场较大，因此可以在灭弧室左侧加入弧状铁芯，改变该侧原有的磁路，减少灭弧室在该侧的触头间横向磁场强度，使磁场最小点往电弧截面的圆心方向回移。
为了削弱电弧截面左下方和左上方区域的磁场强度，依照前面的思路，在电弧截面(图4)左上方和左下方外侧设置块状铁芯，通过调节尺寸和位置使得磁场分布尽量均匀且对称。
图5示出了本发明实施例提供的基于BP和NSGA-Ⅱ的多断口真空断路器路间横向磁场屏蔽结构；其中，(a)表示六路并联真空断路器磁屏蔽结构；(b)表示四路并联真空断路器磁屏蔽结构；(c)表示三路并联真空断路器磁屏蔽结构。
为了能够屏蔽多断口断路器邻路产生的横向磁场，本发明提出了一种基于BP和NSGA-Ⅱ的多断口真空断路器路间横向磁场屏蔽结构，包括多个对称设置在灭弧室周围且用于屏蔽邻路产生的横向磁场的屏蔽单元；其特征在于，每个屏蔽单元包括：一块设置在灭弧室外侧的弧状铁芯51，以及两块分别设置在灭弧室左侧和右侧的块状铁芯53；弧状铁芯51与块状铁芯53不直接相连；弧状铁芯51用于提高电弧截面直径方向磁场的对称性；块状铁芯53用于提高电弧截面沿圆弧方向磁场的均匀性。
本发明还包括设置在灭弧室内的触头电弧模型52。
本发明提供的横向磁场屏蔽结构可以有效屏蔽邻路产生的横向磁场，同时防止铁芯饱和。
本发明提供的横向磁场屏蔽结构的工作原理具体为：在未添加屏蔽装置时，灭弧室外侧和两侧均有较强的横向磁场，导致其整体横向磁场分布不均匀，于是便在灭弧室外侧和两侧布置铁芯，此时铁芯的磁阻远小于空气，更多的磁路会流过铁芯，从而达到吸收灭弧室外侧和两侧的强磁场的效果，使整体磁场分布更加均匀,同时三块铁芯未直接相连，磁阻远大于直接相连，因此该结构的铁芯不易饱和。
由于弧状铁芯51和块状铁芯53的尺寸和位置对触头间横向磁场的分布均会产生影响，变量较多，难以通过手动调节获得最优磁场分布；因此本发明中首先利用BP神经网络对屏蔽结构的尺寸、位置和磁场分布均匀性、对称性指标进行拟合，再将拟合后的神经网络，嵌入到NSGA-Ⅱ优化算法进行尺寸寻优，得到最优屏蔽效果下屏蔽结构的尺寸、位置。
具体地，本发明建立NSGA-Ⅱ双目标优化模型。
如图6所示，记录电弧截面17个位置的横向磁感应强度，利用17个观测点的数据建立触头间电弧磁场分布的双目标优化模型。双目标优化模型中的优化目标一为电弧截面直径方向磁场的不对称度σ1：优化目标二为电弧界面沿圆弧方向磁场的不均匀度σ2：其中，Bi即为第i个观测点的横磁大小。
由于有限元仿真的计算成本较大，因此需要先建立神经网络模型，获取优化目标一、二与弧状铁芯和块状铁芯的尺寸和位置之间的拟合关系。
模型输入量：弧状铁芯的厚度71、弧状铁芯距离触头圆心的距离72、弧状铁芯弧度73、块状铁芯高度74、块状铁芯宽度75、块状铁芯位置(x方向)76、块状铁芯位置(y方向)77和块状铁芯偏角78，参数的具体含义见图7。
将训练好的神经网络模型嵌入到NSGA-Ⅱ双目标优化模型进行屏蔽结构的尺寸寻优。
在大电流的情况下，传统的铁磁屏蔽筒很容易磁饱和而失去屏蔽能力，屏蔽效果甚微，因此不再适用。本发明提出的磁屏蔽结构不易饱和，且通过智能算法得到了最佳屏蔽效果下对应的屏蔽罩精确尺寸和精确位置，最终触头间的横向磁场分布相对于未加屏蔽或传统筒状屏蔽明显更加均匀对称，有效削弱了多端口断路器邻路产生的横向磁场，有利于真空断路器的开断。
本发明还提供了一种基于上述的横向磁场屏蔽结构的优化方法，具体包括下述步骤：
S1：针对多断口发电机建立有限元仿真模型：
真空灭弧室部分：6个等效灭弧室排列为六边形，触头直径(电弧直径)为12cm，相邻的灭弧室之间的距离为68cm，本模型仅仅研究邻路电流产生的横向磁场对于本路触头间横向磁场分布的影响，因此使用6个直径为12cm，高为60cm的圆柱体等效即可，在该6个圆柱中分别通入80.6kA电流(短路电流有效值)。
磁屏蔽结构部分：弧状铁芯51的XOY截面是以灭弧室阵列的六边形质心为圆心的6段圆环，每一段弧状铁芯XOY轴截面关于过灭弧室六边形质心和灭弧室圆心的直线呈轴对称。弧状铁芯的厚度、位置和弧度可调。块状铁芯53即为对称分布在灭弧室两侧的正方体结构，其尺寸，位置以及偏转角度均可调节。磁屏蔽结构使用的铁磁材料为Soft Iron。
空气域：直径200cm，高60cm的圆柱体。
S2：建立BP神经网络模型：
首先建立磁场屏蔽优化效果的表征模型；采用BP神经网络分别对优化目标一和优化目标二进行回归拟合，如图8所示。
经过神经网络调参后，预测误差如下：
BP1和BP2的RMSE均小于1/100，因此两个神经网络模型均具有较高的预测精准度。
将BP1和BP2以函数的形式嵌入NSGA-Ⅱ算法，迭代弧状铁芯和块状铁芯的尺寸和位置值，采用非支配排序技术得到Pareto解集。若优化目标一和优化目标二的权重相等，则pareto解集中的最优解为：
最佳尺寸下优化目标值为：
S3：NSGA-Ⅱ双目标优化：
将神经网络BP1、BP2嵌入NSGA-Ⅱ优化算法，最优个体系数：0.3；种群大小：200；最大进化代数：300；停止代数：200；适应度函数偏差：1e-10；得到60组Pareto解，目标一和目标二权重相等时，选取最优解，得到最佳磁屏蔽结构。
本发明实施例还进一步包括S4：对屏蔽优化效果进行检验：由图11中的(b)、(c)和图12中(a)可以直观地发现：新屏蔽结构下的磁场分布相对于无屏蔽和传统筒状屏蔽明显更加均匀对称，有效避免了邻路横磁对本路开断特性的影响。由图12中的(a)和(b)可知，新型屏蔽结构下的电弧截面磁场分布相对于筒状屏蔽和无屏蔽在电弧直径方向的对称度以及在沿电弧圆弧方向的均匀度明显更高，且与无邻路横向磁场影响(理想情况)的磁场分布非常近似。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种多断口真空断路器路间横向磁场屏蔽结构，包括多个对称设置在灭弧室周围且用于屏蔽邻路产生的横向磁场的屏蔽单元；其特征在于，每个屏蔽单元包括：一块设置在灭弧室外侧的弧状铁芯（51），以及两块分别设置在所述灭弧室左侧和右侧的块状铁芯（53）；所述弧状铁芯（51）与所述块状铁芯（53）不直接相连；
所述弧状铁芯（51）用于提高电弧截面直径方向磁场的对称性；
所述块状铁芯（53）用于提高电弧截面沿圆弧方向磁场的均匀性；
优化的磁场屏蔽结构是通过针对多断口真空断路器建立有限元仿真模型，根据所述有限元仿真模型建立磁场屏蔽优化效果的表征模型，并采用BP神经网络分别对优化目标一和优化目标二进行回归拟合获得屏蔽结构参数和两个优化目标的函数关系，将神经网络BP1、BP2嵌入NSGA-Ⅱ优化算法中，并当所述优化目标一的权重和所述优化目标二的权重相等时选取最优解得到；
所述优化目标一为电弧截面直径方向磁场的不对称度；所述优化目标二为电弧界面沿圆弧方向磁场的不均匀度。
2.如权利要求1所述的横向磁场屏蔽结构，其特征在于，还包括设置在所述灭弧室内的触头电弧模型（52）。
3.如权利要求2所述的横向磁场屏蔽结构，其特征在于，通过建立触头电弧模型（52）中触头间电弧磁场分布的双目标优化模型获得最优屏蔽效果下所述屏蔽单元的尺寸和位置。
4.如权利要求1-3任一项所述的横向磁场屏蔽结构，其特征在于，所述屏蔽单元使用的铁磁材料为软铁。
5.一种基于权利要求1-4任一项所述的横向磁场屏蔽结构的优化方法，其特征在于，包括下述步骤：
S1：针对多断口真空断路器建立有限元仿真模型；
S2：根据所述有限元仿真模型建立磁场屏蔽优化效果的表征模型，并采用BP神经网络分别对优化目标一和优化目标二进行回归拟合获得屏蔽结构参数和两个优化目标的函数关系；
S3：将神经网络BP1、BP2嵌入NSGA-Ⅱ优化算法中，并当所述优化目标一的权重和所述优化目标二的权重相等时选取最优解，从而获得最佳磁屏蔽结构。
6.如权利要求5所述的优化方法，其特征在于，步骤S3具体包括：
将BP1和BP2以函数的形式嵌入NSGA-Ⅱ算法，迭代弧状铁芯和块状铁芯的尺寸和位置值，并采用非支配排序技术得到Pareto解集；
当优化目标一和优化目标二的权重相等时，pareto解集中的最优解的结构变量包括：弧状铁芯的厚度、弧状铁芯距离触头圆心的距离、弧状铁芯弧度、块状铁芯高度、块状铁芯宽度、块状铁芯位置的x方向、块状铁芯位置的y方向以及块状铁芯偏角；
其中，弧状铁芯的厚度的最佳尺寸为11.00cm；
弧状铁芯距离触头圆心的距离的最佳尺寸为10.2cm；
弧状铁芯弧度的最佳尺寸为40.15°；
块状铁芯高度的最佳尺寸为12.00cm；
块状铁芯宽度的最佳尺寸为4.00cm；
块状铁芯位置的x方向的最佳尺寸为9.27cm；
块状铁芯位置的y方向的最佳尺寸为29.60cm；
块状铁芯偏角的最佳尺寸为4.90°；
最佳尺寸下优化目标值的为0.0215，为0.00224。
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