磁耦合无线电能传输系统故障电弧温度与能量特性研究

作     者：韩潇左 

作者单位：中国矿业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：余强;夏晨阳

授予年度：2022年

学科分类：080802[工学-电力系统及其自动化] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 

主      题：磁耦合无线电能传输 交流故障电弧 磁流体动力学模型 

摘      要：磁耦合无线电能传输(Magnetic coupling wireless power transfer,MC-WPT)技术依据电磁耦合原理,实现了电能从电源端到用电设备无电气连接的传输,具有灵活、便捷、可靠等优势。然而,其作为电能传输的一种方式,在实际应用中,不可避免地会存在因短路或断路故障而产生故障电弧,进而引发电气火灾的可能性。目前,对于故障电弧的研究主要是以工频交流电展开,而MC-WPT系统常用的工作频率为85k Hz,缺乏对该频率故障电弧特性的研究。鉴于此,本文在MCWPT系统串联-串联电路结构的背景下,研究了系统频率为85k Hz时不同电路参数变化对故障电弧温度和能量特性的影响,旨在寻求合适的电路参数条件,以降低发生故障电弧时产生的能量,为MC-WPT系统的参数设计提供参考。首先,通过对交流电弧基本理论的分析,表明:当系统频率远大于1000Hz时,交流电弧伏安特性曲线变成了直线,电弧表现为线性元件,且当介质恢复强度大于电压恢复强度时,交流电弧将会熄灭;同时,基于MC-WPT系统串联-串联电路结构的背景,分别建立了发生断路时的串联故障电弧电路模型以及发生短路时的并联故障电弧电路模型。其次,利用磁流体动力学(MHD)模型,结合COMSOL软件,建立了以阻性串联故障电弧电路为基础的交流电弧仿真模型,分析了其频率特性,结果表明:1)随着系统频率的升高,燃弧电压尖峰值、熄弧电压尖峰值和电流平肩部占比、燃弧电流峰值均不断减小,而燃弧电压峰值逐渐升高,使得电弧电压和电流波形均向正弦波形变化。2)在系统频率为85k Hz时,电弧电压和电流波形均已成为正弦波形,并通过分析85k Hz频率下的电弧伏安特性曲线,得出了电弧近似成为线性元件的结论,仿真结果与理论分析相吻合。然后,通过对阻性串联故障电弧温度场分布的研究,得出了当系统频率为85k Hz时,电弧温度场的分布近乎保持稳定的结论;并以85k Hz系统频率下的串联-串联电路结构为背景,对电弧温度最大值随电路参数变化的趋势展开了研究,结果表明:1)串联和并联故障电弧电路中,电弧温度最大值均分别随电源电压等级和电极间距长度的增加而增加,而随回路串联电阻值的增加而减小,在电感和电容参数满足谐振条件的前提下,电弧温度最大值均随谐振电容值的增加而增加,而随谐振电感值的增加而减小。2)串联故障电弧电路中,当电路呈现感性时,电弧温度最大值随电感值的增加而减小,当电路呈现容性时,其随电容值的增加而减小。3)并联故障电弧电路中,电弧温度最大值随并联电阻值的增加而增加,当电路呈现感性时,其随电感值的增加而增加,当电路呈现容性时,其随电容值的增加而保持增加的趋势。最后,在频率为85k Hz的串联-串联电路结构背景下,对电弧能量随电路参数变化的趋势展开了研究,得出了减小电弧能量的方法:1)在串联故障电弧电路中,仅以降低电弧能量的角度,应使电路呈现感性,并增加电感值;以降低电弧能量和保持系统效率的角度,应在电感和电容参数满足谐振条件的前提下,增加电感值,而电容值相应变化。2)在并联故障电弧电路中,应在电感和电容参数满足谐振条件的前提下,增大线圈自感值,而电容值相应变化,同时,在保证电气安全距离的情况下,应使线圈绕线距离尽可能小。