混合式直流断路器IGBT关断能力提升技术研究 被引量：12

1

作者 杨兵 王胜利 +5 位作者 王文杰 谢晔源 吕玮 石巍 许元震 陈羽 《高压电器》 CAS CSCD 北大核心 2020年第5期24-32,共9页

混合式高压直流断路器主要由快速机械开关和电力电子器件构成,主要依靠快速机械开关承载电流,通过电力电子器件开断和关合电流,为基于MMC柔性直流输电提供直流侧短路保护。但是直流断路器分断电流大,远远高于IGBT常规分断能力。文中根... 混合式高压直流断路器主要由快速机械开关和电力电子器件构成,主要依靠快速机械开关承载电流,通过电力电子器件开断和关合电流,为基于MMC柔性直流输电提供直流侧短路保护。但是直流断路器分断电流大,远远高于IGBT常规分断能力。文中根据直流断路器IGBT的特殊工作条件和电气应力,分析影响IGBT关断能力提升的影响因素,分别从降低IGBT导通损耗、关断损耗和抑制IGBT关断过电压等3个方面提升IGBT的可关断电流能力。文中首先仿真不同回路参数对IGBT损耗的影响,通过优化IGBT退饱和能力和关断过程暂态特性,降低关断损耗,最终完成IGBT结温仿真校核。同时通过研究IGBT关断过电压的影响因素,仿真不同回路参数对IGBT过电压的影响,提出抑制IGBT的关断暂态过电压的具体方法。研制50 kV转移支路阀组,搭建试验平台,完成26 kA的大电流开断,IGBT稳态损耗和暂态损耗都得到有效控制,相关技术和研制设备已经应用张北工程±535 kV混合式高压直流断路器项目,具有十分重要的工程意义。 展开更多

关键词 HVDC 混合型直流断路器 压接式IGBT 关断能力提升 RCD缓冲回路 关断过电压 结温仿真 开通损耗 关断损耗

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面向工程应用的高效率电磁斥力机构设计及试验 被引量：10

2

作者 刘彬 于海波 +2 位作者 许元震 熊杰 朱长银 《高电压技术》 EI CAS CSCD 北大核心 2020年第12期4283-4290,共8页

电磁斥力机构是快速开关的核心部件,对其性能及可靠性起关键作用。该文面向具体的工程应用,提出一种定量化设计电磁斥力机构的方法,将组成电磁斥力机构的放电回路、电磁感应、动力传递等各关键部分,通过建立电磁斥力机构全模型耦合分析... 电磁斥力机构是快速开关的核心部件,对其性能及可靠性起关键作用。该文面向具体的工程应用,提出一种定量化设计电磁斥力机构的方法,将组成电磁斥力机构的放电回路、电磁感应、动力传递等各关键部分,通过建立电磁斥力机构全模型耦合分析的方式集成在一起,既考虑机构的快速性,又关注机构零部件能承受的机械载荷及驱动效率。以上述模型和方法为基础,进行工程化的优化设计,最终实现2 ms分闸速度目标,达到设计预期,并应用于重点柔直环网工程的混合型直流断路器中。 展开更多

关键词 快速开关 电磁斥力机构 工程应用 多物理场耦合 有限元仿真

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超多断口500kV快速隔离开关均压设计及试验 被引量：9

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作者 刘彬 刘国伟 +2 位作者 许元震 杨兵 朱长银 《高电压技术》 EI CAS CSCD 北大核心 2019年第8期2459-2464,共6页

快速隔离开关作为混合式直流断路器的关键器件之一,其分断速度、稳定性等参数直接关系到断路器的整机性能。迄今为止,为满足在2 ms内建立绝缘能力的快速隔离需求,高压断路器用隔离开关普遍采用多断口方案,断口数目甚至多达8~12个,且其... 快速隔离开关作为混合式直流断路器的关键器件之一,其分断速度、稳定性等参数直接关系到断路器的整机性能。迄今为止,为满足在2 ms内建立绝缘能力的快速隔离需求,高压断路器用隔离开关普遍采用多断口方案,断口数目甚至多达8~12个,且其结构复杂,对多断口均压提出更高的要求。该文分析了500 kV混合式直流断路器用快速隔离开关的需求,结合10断口隔离开关的结构布局,提出了一套基于场路耦合的超多断口隔离开关均压设计方法,同时对断口均压进行优化,并完成了相关试验验证。该方案提高了隔离开关性能、减少了断口数目,并提高了整机运行的可靠性。 展开更多

关键词 快速隔离开关 多断口 均压设计 直流断路器 场路耦合

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500 kV快速开关型故障限流器的罐式快速开关 被引量：4

4

作者 王文杰 赵赢峰 +3 位作者 许元震 吕玮 杨兵 方太勋 《高电压技术》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第2期803-811,共9页

快速开关型故障限流器是有效限制短路电流的方案之一。该研究提出一种适用于500 kV故障限流器的多断口串联罐式快速开关,该开关采用气体绝缘金属封闭式结构,断口采用真空绝缘形式。操作机构采用电磁斥力机构,开展三维有限元仿真优化有... 快速开关型故障限流器是有效限制短路电流的方案之一。该研究提出一种适用于500 kV故障限流器的多断口串联罐式快速开关,该开关采用气体绝缘金属封闭式结构,断口采用真空绝缘形式。操作机构采用电磁斥力机构,开展三维有限元仿真优化有效提升斥力机构的出力效率,平均分闸速度>5m/s。对地绝缘方面,开展了断口绝缘屏蔽结构的电场仿真优化机绝缘试验,结构优化后场强最大为18k V/mm。端间绝缘方面,开展了整机的杂散电容仿真、均压效果仿真与试验验证,通过配置均压电容不均压系数限制在1.24以下。最后搭建整机样机,进行了短路开断试验,试验结果表明:罐式快速开关具备快速开断50 kA电流的能力,全开断时间小于15 ms。 展开更多

关键词 快速开关 真空灭弧室 电磁斥力 电场仿真 绝缘试验 杂散电容 均压

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分体分步式换流变有载分接开关研制

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作者 吕玮 陈羽 +3 位作者 孙超 王文杰 许元震 方太勋 《高压电器》 CAS CSCD 北大核心 2024年第1期154-162,共9页

特高压直流换流变压器有载分接开关长期承载满负荷运行的方波电流,切换电流di/dt大,熄弧困难,并且动作频繁,基本被国外企业垄断。文中首先针对特高压换流变传统有载分接开关无任何直接有效的电气量监测保护的“黑盒”难题,以及故障极易... 特高压直流换流变压器有载分接开关长期承载满负荷运行的方波电流,切换电流di/dt大,熄弧困难,并且动作频繁,基本被国外企业垄断。文中首先针对特高压换流变传统有载分接开关无任何直接有效的电气量监测保护的“黑盒”难题,以及故障极易引起换流变本体损坏,影响特高压直流工程可用率问题,提出了一种分体分步式有载分接开关拓扑,实现换流变有载分接开关核心部件分体布置以及分步闭环控制保护,并分析梳理了工程应用的电气应力;然后进行了切换开关、分接选择器和控制保护装置等关键核心部件的研制;最后搭建基于LC谐振法的切换试验系统,对所研制的分体分步式有载分接开关进行了切换试验、容量试验、温升试验以及绝缘试验。试验结果表明:所研制的分体分步式有载分接开关额定级电压4 kV,最大通过电流1600 A,切换开关外置,无油化设计,内部集成电气测量系统,切换过程能够实现分步操作控制和保护,避免故障扩大化,满足±800 kV/5000 A特高压直流输电换流变压器的工程应用需求。 展开更多

关键词 特高压直流输电 有载分接开关 切换开关 分接选择器 并联谐振

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基于正交试验的快速开关设计

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作者 吴中友 王智勇 +3 位作者 李钊 许元震 孙超 刘少飞 《装备制造技术》 2024年第1期130-132,共3页

电力系统对断路器开关分合时间的要求越来越高,目前在一些运行较为苛刻的工况下,要求分合闸时间都在毫秒级。传统的弹超机构和永磁机构断路器开关分合闸时间均较长,已无法满足日益增长的要求。因此,对基于电磁斥力原理的快速机械开关的... 电力系统对断路器开关分合时间的要求越来越高,目前在一些运行较为苛刻的工况下,要求分合闸时间都在毫秒级。传统的弹超机构和永磁机构断路器开关分合闸时间均较长,已无法满足日益增长的要求。因此,对基于电磁斥力原理的快速机械开关的研究也日益增多,且应用也日益广泛。目前电磁斥力型开关设计时较为重要的三个基本因素:线圈盘匝数、扁铜线截面积、电容电压,对电磁斥力的影响较为复杂。在设计电磁斥力型的快速开关时,均是根据经验来定这三个基本因素的值,再通过制作样机进行试验来验证电磁斥力值是否满足需要,存在验证时间长、费用高等缺陷。因此,提出通过正交试验来分析三个因素对电磁斥力的影响,并进行多因素多水平的优化分析和仿真,从而获得各个因素的最佳参数组合。结果表明:通过对三个因素进行正交试验,可以分析得出线圈盘匝数、扁铜线截面积、电容电压的最佳参数组合,从而得到最大的电磁斥力,减少不必要的配置,节约了样机成本并缩短了研发周期。 展开更多

关键词 快速机械开关 正交试验 电磁斥力 因素

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混合式高压直流断路器供能系统设计 被引量：5

7

作者 许元震 谢晔源 +2 位作者 吕玮 王文杰 杨兵 《高电压技术》 EI CAS CSCD 北大核心 2020年第11期3856-3863,共8页

混合式高压直流断路器正常工作时,无法与柔性直流换流阀模组一样通过直流电容取能,也无法与交流系统如电子式互感器一样直接利用交变的系统电流电磁耦合获取能量。为此,针对500kV混合式高压直流断路器内不同部件的负载特性,提出了多目... 混合式高压直流断路器正常工作时,无法与柔性直流换流阀模组一样通过直流电容取能,也无法与交流系统如电子式互感器一样直接利用交变的系统电流电磁耦合获取能量。为此,针对500kV混合式高压直流断路器内不同部件的负载特性,提出了多目标分层次的工频隔离供能系统方案,采用对地隔离、层间隔离和阀组隔离等手段解决了混合式直流断路器正常运行和开断瞬间过电压情况下不同带电位部件的供能难题。针对最为关键的对地隔离供能变压器,首先研究了多级串联变压器暂、稳态工况下的均压特性,提出了相应均压措施,然后通过理论计算和仿真进行了供能变压器的电磁场、损耗和温升设计,最后将所提出的供能系统在500kV混合式直流断路器中进行了试验验证。试验结果表明:按照混合式直流断路器内部不同部件的负载特性进行多目标供能,可显著地降低供能变压器的总体容量要求,从而减小设备体积和研制难度;通过多级分层次的隔离,降低了单个隔离供能设备的绝缘水平,且易于实现;通过合理的暂、稳态均压措施,供能变压器可满足不均压系数小于5%,雷电冲击电压1550kV,操作冲击电压1300kV,并且内部温升不大于40K的技术指标要求。 展开更多

关键词 直流断路器 混合式 隔离供能 变压器 多级串联 温升 均压

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快速开关限流型交流母线电压保持设备研究 被引量：1

8

作者 杨兵 刘少飞 +4 位作者 方太勋 谢晔源 许元震 曹磊 徐舒 《高压电器》 CAS CSCD 北大核心 2023年第12期48-54,共7页

传统“钢煤石化”企业电网的网架结构复杂,以电缆连接为主。当某一条联络线或者负荷发生短路故障后,由于故障清除时间较长(100ms以上),导致企业内部电网的交流母线电压长时间暂降,引发厂内变频设备、各种数字设备等跳闸,给生产运行带来... 传统“钢煤石化”企业电网的网架结构复杂,以电缆连接为主。当某一条联络线或者负荷发生短路故障后,由于故障清除时间较长(100ms以上),导致企业内部电网的交流母线电压长时间暂降,引发厂内变频设备、各种数字设备等跳闸,给生产运行带来重大隐患。文中提出一种快速开关限流型交流母线电压保持设备(HSBVP),实现对交流母线电压快速支撑,具备起效时间快,设备成本低等优势。文中首先详细分析HSBVP的工作过程和安装位置,形成设备应用场景。其次针对快速开关体积大,无法实现与常规空气柜开关柜尺寸兼容的问题,文中提出上下封闭磁路设计的紧凑型斥力机构,提高斥力机构效率,压缩机构体积;同时采用“一拖三”电磁斥力机构设计方案,有效提高三相机构的分合闸时间的一致性。另外文中搭建企业电网等效阻抗计算模型,并通过真实企业电网机电暂态模型验证,形成一套限流电抗器容量的计算方法。最后本设备通过第三方型式试验,快速开关在接到分位指令5ms内实现直流分量超过80%的31.5kA的故障电流的深度限流,快速维持上一级母线电压稳定,有效解决了企业内部电网的电压暂降问题,具备良好的推广前景。 展开更多

关键词 电压暂降 母线电压保持 快速机械开关 电磁斥力机构 快速限流

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配电磁斥力操作机构的真空断路器合闸同期性改进研究

9

作者 张良 许元震 王智勇 《电工技术》 2023年第11期148-152,共5页

在交流配电网的真空断路器领域内,配三相电磁斥力操作机构的真空断路器因其优异的机械性能成了研究热点,但偶然装配误差、极高运动速度及不完善电气拓扑等问题,致使其合闸同期性极难控制。针对上述问题,设计了一种机械联动的新型二拖三... 在交流配电网的真空断路器领域内,配三相电磁斥力操作机构的真空断路器因其优异的机械性能成了研究热点,但偶然装配误差、极高运动速度及不完善电气拓扑等问题,致使其合闸同期性极难控制。针对上述问题,设计了一种机械联动的新型二拖三电磁斥力操作机构的真空断路器,采用电磁及动力学仿真对结构参数进行初步设计,并经合闸试验验证效果。试验结果表明:新型二拖三操作机构的真空断路器可提高合闸平均速度18%,有效抑制合闸弹跳时间;针对三相装配间隙误差问题,通过机械强制矫正,使三相合闸时间差控制在0.1 ms内;快速真空断路器驱动结构采用单侧驱动杆非居中布置,可有效提高三相合闸同期性。 展开更多

关键词 断路器 电磁斥力 操作机构 机械联动 运动同期性

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高压直流断路器供能变压器的设计与试验 被引量：3

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作者 高志婷 张建凯 +4 位作者 王智勇 杜道忠 吕玮 许元震 王文杰 《高压电器》 CAS CSCD 北大核心 2022年第9期55-61,共7页

混合式高压直流断路器的负载形式多样且复杂,针对其供能问题,文中提出了一种级联结构的隔离供能变压器设计方案,以满足±535 kV/25 kA混合式高压直流断路器分层次多目标的供能需求。其中最为关键的是对地隔离供能变压器,因此首先介... 混合式高压直流断路器的负载形式多样且复杂,针对其供能问题,文中提出了一种级联结构的隔离供能变压器设计方案,以满足±535 kV/25 kA混合式高压直流断路器分层次多目标的供能需求。其中最为关键的是对地隔离供能变压器,因此首先介绍对地隔离供能变压器的级联结构,并对电场、温升进行了仿真校核;然后进行了对地隔离供能变压器抗震性能的有限元计算分析,结果表明满足9级烈度地震的强度要求;最后进行了对地隔离供能变压器样机长期直流耐压下温升试验,以及单节隔离变压器高低温试验和输出绕组温升的测定,结果表明在长期直流耐压下,隔离变压器温升约18 K,电阻温升约33 K,电容器温升约12 K,而单节隔离变压器在高低温作用以及高温带载情况下,环氧树脂未发生开裂等问题,且满足绝缘要求,同时测试计算得到输出绕组温升约为26 K,与热仿真结果基本一致,另外通过试验验证了对地隔离供能变压器的绝缘性能满足要求。 展开更多

关键词 高压直流断路器 隔离供能 级联结构 抗震仿真 温升

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硅堆球面压装结构的可靠性分析

11

作者 陈新 王智勇 +3 位作者 韩玉辉 李德召 许元震 刘少飞 《机械工程师》 2023年第1期92-94,共3页

硅堆压装结构需要为半导体器件提供良好的机械和电气连接。文中分析一起半导体器件压接力发生偏移的原因,优化了一种硅堆球面压装结构。在此基础上,分别从硅堆结构强度仿真、压接力分布试验和整体电气性能测试三个方面,验证了优化后的... 硅堆压装结构需要为半导体器件提供良好的机械和电气连接。文中分析一起半导体器件压接力发生偏移的原因,优化了一种硅堆球面压装结构。在此基础上,分别从硅堆结构强度仿真、压接力分布试验和整体电气性能测试三个方面,验证了优化后的球面压装结构的可靠性。通过显微观察器件失效形式并试验对比优化前后的两种硅堆结构,结果表明采用曲率更大的球面结构,硅堆在器件压接力均布性上更具优势,硅堆组件的可靠性也更高。 展开更多

关键词 硅堆组件 球面压装 压力均布性 硅堆可靠性

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高压故障限流器系统应用研究及研制 被引量：3

12

作者 吕玮 许元震 +3 位作者 刘云飞 葛景 谢华 方太勋 《高压电器》 CAS CSCD 北大核心 2022年第10期48-56,共9页

随着中国电网容量不断提升,短路电流超标问题日益严重。文中以西北某变电站为例,首先分析了220 kV母线三相短路故障下各支路的短路电流分布情况,据此提出了3种不同的短路电流限制方案,并对方案的优缺点进行了比对分析。然后搭建了变电... 随着中国电网容量不断提升,短路电流超标问题日益严重。文中以西北某变电站为例,首先分析了220 kV母线三相短路故障下各支路的短路电流分布情况,据此提出了3种不同的短路电流限制方案,并对方案的优缺点进行了比对分析。然后搭建了变电站周边电网的电磁暂态仿真模型,分析了短路电流抑制效果,提出了FCL故障动作及重合的控制策略原则,并定量校核了系统暂稳态性能、继电保护动作行为的影响。最后根据系统仿真得出来的短路电流、暂态过电压等结果,进行了FCL快速开关、限流电抗器及控制装置设计。研究结果表明,FCL能够有效将220 kV母线三相短路电流限制到51.27 kA,限流幅度达18.6%;加装FCL后不会影响系统稳态潮流分布和暂态系统稳定;FCL动作对继电保护影响整体可控。通过RTDS动模试验验证了定量分析的正确性;FCL快速开关采用2个72.5 kV断口串联冗余设计,提高了设备可靠性;限流电抗器按照短时耐受电流设计,可大幅降低成本和占地;控制装置故障检测判断时间小于3 ms,保证了限流保护动作的准确性与及时性。现场人工接地短路试验表明,所设计的FCL整体起效时间9.2 ms,电流限制效果显著,且未对系统稳定性、继电保护等产生不利影响。 展开更多

关键词 短路电流 故障限流器 继电保护 快速开关 限流电抗器

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基于转移支路逐组导通的混合式直流断路器软合闸策略 被引量：4

13

作者 石巍 曹冬明 +3 位作者 陈羽 许元震 王文杰 孙超 《南方电网技术》 CSCD 北大核心 2021年第6期27-35,共9页

直流断路器是构建直流电网的关键设备,通过合闸实现输电线路和换流站接入直流电网、重合闸实现故障输电线路的快速恢复。本文以混合式直流断路器为研究对象,首先介绍了其合闸/重合闸工作原理,然后提出了利用转移支路电力电子模块逐组导... 直流断路器是构建直流电网的关键设备,通过合闸实现输电线路和换流站接入直流电网、重合闸实现故障输电线路的快速恢复。本文以混合式直流断路器为研究对象,首先介绍了其合闸/重合闸工作原理,然后提出了利用转移支路电力电子模块逐组导通的软合闸策略,并分析了软合闸策略的2类基本暂态过程。通过不同合闸/重合闸应用场合下的暂态过程分析得出,直流断路器采用软合闸策略不仅可以消除输电线路接入直流电网和重合闸快速恢复故障线路时的操作过电压,而且可以实现换流站从直流侧无预充电回路并网启动。此外,还提出了软合闸过流保护方法和耗能支路能量均衡方法来优化软合闸策略,可有效减小合闸于故障的开断电流以及耗能支路能量的不平衡。最后通过PSCAD/EMTDC仿真验证了软合闸策略、软合闸过流保护方法和耗能支路能量均衡方法的正确性与有效性。 展开更多

关键词 直流断路器 合闸 重合闸 软合闸 过电压

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高压直流断路器电力电子器件供能技术 被引量：3

14

作者 吕玮 许元震 +3 位作者 曹冬明 方太勋 张建凯 陈羽 《高电压技术》 EI CAS CSCD 北大核心 2021年第8期2783-2790,共8页

高压直流断路器受限于运行方式,其内部大量电力电子器件驱动板卡无法通过系统自取能工作,是高压直流断路器研制的主要难点之一。该文基于500kV高压直流断路器中电力电子器件绝缘栅双极型晶体管(IGBT)驱动板卡的负载特性,提出了对地级、... 高压直流断路器受限于运行方式,其内部大量电力电子器件驱动板卡无法通过系统自取能工作,是高压直流断路器研制的主要难点之一。该文基于500kV高压直流断路器中电力电子器件绝缘栅双极型晶体管(IGBT)驱动板卡的负载特性,提出了对地级、层间级和组件级的分层隔离供能方法,开展了对地隔离供能变压器电磁场、机械和热的多物理场仿真研究,并对IGBT器件高电位驱动板卡的供能线圈进行了设计,通过有限元仿真模块Maxwell和电路仿真模块Simplorer搭建了供能线圈和驱动负载的仿真模型,进行了场路耦合联合仿真,最后在500 kV高压直流断路器上试验验证了所提供能技术的可行性及可靠性。结果表明:通过分层次的隔离供能,可为各层供能线圈提供稳定的输入电流,从而可靠地为电力电子器件高电位驱动板卡提供电源,不仅解决了高压直流断路器无法通过系统直接取能的难题,还能显著减小供能设备的绝缘水平要求,降低研制难度,并已在±500kV张北柔直工程中应用。采用多级串联的对地隔离变压器能够满足500 kV电压等级的绝缘要求,内部温升小于30 K,且能够满足9级烈度抗震要求。采用硅钢片工频取能的供能线圈能够满足高电位驱动板卡5 VA的负载容量要求,且结构尺寸小,易于大规模工程化应用。 展开更多

关键词 高压直流断路器 电力电子器件 分层隔离供能 供能线圈 场路耦合

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超高速隔离开关用气液复合缓冲器研究与试验 被引量：1

15

作者 刘彬 刘国伟 +2 位作者 杨兵 许元震 熊杰 《电工电气》 2018年第9期52-55,59,共5页

超高速机械开关配备有效的缓冲器可以降低开关开启关闭过程中的冲击力,提高开关的绝缘性能及机械寿命。结合超高速隔离开关的需求,分析了该高速缓冲器的缓冲参数,对气液阻尼模型进行研究,研发了一款气液复合型缓冲器,经过性能测试及样... 超高速机械开关配备有效的缓冲器可以降低开关开启关闭过程中的冲击力,提高开关的绝缘性能及机械寿命。结合超高速隔离开关的需求,分析了该高速缓冲器的缓冲参数,对气液阻尼模型进行研究,研发了一款气液复合型缓冲器,经过性能测试及样机试验,达到3 000以上寿命次数,能够满足超高速隔离开关的工程应用需求。 展开更多

关键词 高速隔离开关 冲击 复合缓冲器 液体阻尼 性能建模

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