低壓斷路器機(jī)構(gòu)動力學(xué)仿真分析

趙 瑩，胡正勇，冷北雪

(1. 四川電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，成都 611133；2.國網(wǎng)上海市電力公司電力科學(xué)研究院，上海 200437)

低壓斷路器機(jī)構(gòu)動力學(xué)仿真分析

趙 瑩1，胡正勇2，冷北雪1

(1. 四川電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，成都 611133；2.國網(wǎng)上海市電力公司電力科學(xué)研究院，上海 200437)

運用多體動力學(xué)軟件ADAMS，對某型單斷點塑殼斷路器和框架斷路器機(jī)構(gòu)進(jìn)行了建模和動力學(xué)仿真。為了驗證和修正仿真模型，分別進(jìn)行了試驗測量，對比分析發(fā)現(xiàn)仿真結(jié)果與試驗測量結(jié)果吻合良好，驗證了仿真模型的正確性，為分析斷路器機(jī)構(gòu)性能提供了依據(jù)。

低壓斷路器；斷路器機(jī)構(gòu)；多體動力學(xué)軟件；動力學(xué)仿真

斷路器操作機(jī)構(gòu)的設(shè)計和計算是低壓斷路器性能分析的一個重要方面，斷路器動靜觸頭的分?jǐn)嗨俣群艽蟪潭壬嫌绊懼娀〉倪\動和變化過程，而電弧的運動和形態(tài)又反過來影響操作機(jī)構(gòu)的運動特性[1]。如果斷路器機(jī)構(gòu)不夠穩(wěn)定，將影響斷路器性能，為了分析斷路器機(jī)構(gòu)性能，解決實際產(chǎn)品機(jī)構(gòu)問題，本文運用多體動力學(xué)軟件ADAMS進(jìn)行了低壓斷路器機(jī)構(gòu)動力學(xué)仿真分析[2]。

本文對某型單斷點塑殼斷路器和框架斷路器機(jī)構(gòu)進(jìn)行建模和動力學(xué)仿真，并做試驗與仿真結(jié)果相比較，驗證并修正仿真模型，提高了仿真模型的準(zhǔn)確性。

1 塑殼斷路器機(jī)構(gòu)仿真分析

1.1 仿真模型的建立

要對斷路器機(jī)構(gòu)進(jìn)行動力學(xué)仿真，首先要了解機(jī)構(gòu)是如何運動的,下面對某款單斷點塑殼斷路器操作機(jī)構(gòu)進(jìn)行運動分析。

連桿機(jī)構(gòu)模型圖如圖1所示。圖1中，機(jī)構(gòu)處于合閘位置，連桿f，g，h，k，m分別表示動觸頭、下連桿、上連桿、跳扣和鎖扣。當(dāng)手動分閘時，分閘彈簧將隨著手柄的轉(zhuǎn)動而向左拉升儲能，當(dāng)彈簧作用線與上連桿h重合時，彈簧處于最大儲能狀態(tài)，當(dāng)彈簧處于上連桿h左端時，在彈簧力的作用下，B點將向左運動脫離死區(qū)，動觸頭被下連桿g迅速向上提升，繞主軸O1轉(zhuǎn)動，從而整個觸頭向上運動分閘；當(dāng)短路電流使脫扣器m動作時，C點成為活動點，跳扣k可以轉(zhuǎn)動，在分閘彈簧的作用下，跳扣k繞O2順時針轉(zhuǎn)動，這樣B點相對向左運動，當(dāng)B點處于上連桿h和下連桿g的左端時，連桿g、h脫離死區(qū)，這樣四連桿機(jī)構(gòu)變成五連桿機(jī)構(gòu)，機(jī)構(gòu)得以分閘。

圖1 塑殼斷路器連桿機(jī)構(gòu)模型

根據(jù)機(jī)構(gòu)運動分析，進(jìn)行斷路器建模。首先在ADAMS/View環(huán)境中建立塑殼斷路器的操作機(jī)構(gòu)模型，其主要由連桿機(jī)構(gòu)組成。由于ADAMS軟件的復(fù)雜造型功能較弱，所以使用專業(yè)三維造型軟件UG來建立精確三維機(jī)構(gòu)模型，然后再將模型通過ADAMS提供的接口導(dǎo)入，這樣既提高了建模速度也提高了建模精度。只要仿真部件幾何形體的質(zhì)量、質(zhì)心位置、慣性矩和慣性積同實際構(gòu)件相同，仿真結(jié)果是等價的。利用ADAMS軟件建立的額定電流為400 A的單斷點塑殼斷路器機(jī)構(gòu)動力學(xué)模型如圖2所示。

圖2 塑殼斷路器機(jī)構(gòu)動力學(xué)模型

樣機(jī)約束的正確施加是非常重要的，通過機(jī)構(gòu)運動分析可知，機(jī)構(gòu)運動類型主要包含轉(zhuǎn)動和碰撞。因此，在建模時主要用到連桿和軸之間的轉(zhuǎn)動約束、兩構(gòu)件之間的接觸約束、軸和地之間的固定約束等。以斷路器中跳扣的軸為例，它和地(Ground)之間是固定約束，和跳扣之間是轉(zhuǎn)動約束，同時和上連桿、側(cè)板、手柄有接觸約束。

在添加約束時，應(yīng)按順序?qū)Σ考┘蛹s束，并分階段對施加的約束進(jìn)行試驗，尤其要注意選擇對象的順序和約束方向是否正確。對于單斷點塑殼斷路器，盡管不同型號的斷路器機(jī)構(gòu)有一定差異，但約束關(guān)系大同小異，主要約束類型見表1。

表1 單斷點塑殼斷路器約束類型示例

在合理建模和正確施加約束后，就可以進(jìn)行仿真分析。在對一個新模型進(jìn)行仿真分析時，需要進(jìn)行多次不同迭代精度、不同仿真步長的分析，并比較前后兩次的仿真結(jié)果，直到分析結(jié)果基本相同時，才能認(rèn)為獲得了比較可靠的仿真結(jié)果[2]。

斷路器機(jī)構(gòu)具有分閘狀態(tài)、合閘狀態(tài)、合閘過程、分閘過程這四種狀態(tài)。通過仿真劇本的設(shè)置，能夠仿真斷路器不同的動作過程。本文仿真斷路器從分閘狀態(tài)進(jìn)行合閘，然后再分閘，最后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的全過程。

1.2 動力學(xué)仿真結(jié)果

通過仿真分析，可以得到各種仿真結(jié)果，包括測量曲線、動態(tài)視頻和分析報告等。

(1)主軸角位移曲線。操作機(jī)構(gòu)通過主軸及其連桿推動動觸頭轉(zhuǎn)動，其主軸角位移曲線可以很好的反應(yīng)操作機(jī)構(gòu)的運動特性，仿真曲線如圖3所示。由圖3可知，其最大轉(zhuǎn)角為31.8°；斷路器合閘時，從主軸開始轉(zhuǎn)動到合閘結(jié)束經(jīng)歷28 ms；斷路器分閘時，從主軸開始運動到分閘需要8 ms。分閘時間比合閘時間短很多，這是因為斷路器分閘速度越快，電弧熄滅越快。對于塑殼斷路器，分閘速度越快越好，而合閘速度有一個最優(yōu)值。

圖3 斷路器合閘、分閘過程主軸角位移曲線

(2)觸頭壓力曲線。斷路器觸頭壓力曲線如圖4所示，合閘狀態(tài)時穩(wěn)定壓力值為52 N，此曲線是指一相觸頭上的靜壓力，它影響斷路器的短時耐受電流值和額定電流值。

圖4 斷路器合閘、分閘過程觸頭壓力曲線

(3)觸頭超程曲線。觸頭超程是指在斷路器合閘狀態(tài)時，去除靜觸頭后，動觸頭繼續(xù)向前運動的距離，其作用是為了避免觸點燒蝕后動靜觸頭無法接觸，從而導(dǎo)致溫升過高。實際超程曲線不易測量，因此利用仿真模型來獲取超程數(shù)據(jù)是不錯的方法，圖5是仿真超程測量曲線，超程為4.1 mm。

圖5 觸頭超程曲線

1.3 仿真結(jié)果的實驗驗證

為驗證和修正空載條件下的仿真模型，得到與實際樣機(jī)運動特性一致的虛擬樣機(jī)模型，需要做試驗獲取樣機(jī)實際測量曲線并與仿真結(jié)果比較。

試驗利用角位移傳感器進(jìn)行測量，這種傳感器輸出的是一個與變化角度成線性關(guān)系的電壓值，360°轉(zhuǎn)角對應(yīng)9.3 V電壓，實驗線路見圖6。通過角位移傳感器獲取的電位曲線直接反應(yīng)主軸角度的變化過程。同時，為了測量觸頭壓力，利用一根細(xì)線掛住動觸頭的觸點中心，再利用彈簧秤向上緩緩拉動動觸頭直到蜂鳴器不響為此，然后讀取當(dāng)前彈簧秤的值，并根據(jù)細(xì)線掛接點到轉(zhuǎn)軸的距離和觸點中心到轉(zhuǎn)軸的距離關(guān)系換算得到觸點中心所受到的壓力，如圖7所示。此外，還通過拆除靜觸頭的方式測量了斷路器觸頭超程值。

圖6 主軸轉(zhuǎn)角測量原理圖

圖7 觸頭壓力測量原理圖

由于仿真中摩擦系數(shù)和碰撞系數(shù)不易測量，因此前期仿真中先依靠通用仿真參數(shù)和經(jīng)驗來確定，因此通過試驗測量來驗證和修正模型是仿真工作的必要組成部分。通過試驗比較，可以驗證仿真模型的正確性并修正模型。

(1)主軸角位移曲線仿真實驗對比。主軸角位移曲線合閘對比圖如圖8所示，仿真和實驗曲線相符；主軸角位移曲線分閘對比圖如圖9所示，仿真和實驗曲線吻合，在0.044 5 s時刻附近，動觸頭走完超程開始帶動動觸頭片移動，因此其轉(zhuǎn)動速度變慢；實驗測量最大轉(zhuǎn)角在31°～32°。

圖8 主軸轉(zhuǎn)角合閘對比圖

圖9 主軸轉(zhuǎn)角分閘對比圖

(2)其他實驗數(shù)據(jù)對比。觸頭壓力：仿真結(jié)果三相都為52 N，試驗測量3相結(jié)果分別為47 N， 49 N和 53 N，仿真與試驗結(jié)果基本吻合。

觸頭超程：仿真結(jié)果超程為4.1 mm，試驗只拆除了一相靜觸頭進(jìn)行了測量，結(jié)果為4.4 mm，仿真與試驗結(jié)果基本吻合。

2 框架斷路器機(jī)構(gòu)的仿真分析

2.1 仿真模型的建立

建立仿真模型先要熟悉機(jī)構(gòu)的運動過程。圖10為連桿機(jī)構(gòu)模型示意圖。圖10中，機(jī)構(gòu)處于分閘位置，連桿1、連桿2、連桿3、連桿4和地組成五連桿機(jī)構(gòu)。

當(dāng)機(jī)構(gòu)合閘時，連桿4被頂桿頂住不能運動，儲能彈簧(6)處于壓縮狀態(tài)，儲能彈簧向右推動儲能杠桿逆時針轉(zhuǎn)動，由于Ob不能動，因而推動連桿3和連桿2向左運動，然后推動連桿1順時針轉(zhuǎn)動，最終帶動動觸頭使動觸頭閉合，當(dāng)Oc點處于Od，Ob連線的下方時，機(jī)構(gòu)進(jìn)入死點，動觸頭處于穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)機(jī)構(gòu)分閘時，在觸頭壓力、分閘彈簧和電動斥力的作用下，動觸頭有逆時針轉(zhuǎn)動的趨勢，當(dāng)半軸(4)在脫扣器作用下脫開后，頂桿順時針運動，這樣連桿4脫開頂桿繞Oa順時針方向轉(zhuǎn)動，Ob點向下移動，當(dāng)Oc點處于Od、Ob連線的上方后，機(jī)構(gòu)加速向右運動，直到斷路器處于穩(wěn)定分閘狀態(tài)[3]。

根據(jù)分析逐步建立斷路器模型。首先在ADAMS/View環(huán)境中建立框架斷路器的操作機(jī)構(gòu)模型，主要由觸頭系統(tǒng)、操作機(jī)構(gòu)和脫扣系統(tǒng)組成。使用專業(yè)三維造型軟件UG來建立精確三維機(jī)構(gòu)模型，然后再將模型通過ADAMS提供的接口導(dǎo)入，再將導(dǎo)入的模型做適當(dāng)簡化刪減，只要不影響機(jī)構(gòu)運動過程的部件都可以刪除。

利用ADAMS軟件建立的額定電流為2 000 A的單斷點框架斷路器機(jī)構(gòu)動力學(xué)模型見圖11。

圖11 框架斷路器動力學(xué)模型

樣機(jī)約束的正確施加是非常重要的，通過機(jī)構(gòu)運動分析可知，機(jī)構(gòu)運動類型主要包含固定、轉(zhuǎn)動和碰撞。以斷路器中跳扣的軸為例，它與地(Ground)之間是固定約束，和跳扣之間是轉(zhuǎn)動約束，同時和半軸有接觸約束。

2.2 動力學(xué)仿真結(jié)果

在合理建模和正確施加約束后，就可以進(jìn)行仿真分析。一般程序默認(rèn)的求解器初始設(shè)置不需要修改。通過腳本仿真分析，得到了先合閘再分閘的動態(tài)仿真結(jié)果，包括測量曲線、動態(tài)視頻和分析報告等。以下以主軸角位移和觸頭開距為例。

(1)主軸角位移曲線。操作機(jī)構(gòu)通過主軸及其連桿推動動觸頭轉(zhuǎn)動，其主軸轉(zhuǎn)角曲線可以很好的反應(yīng)操作機(jī)構(gòu)的運動特性，如圖12所示。由圖可知，其最大轉(zhuǎn)角為48.7°；斷路器合閘時，從主軸開始轉(zhuǎn)動到合閘結(jié)束經(jīng)歷了24 ms；斷路器分閘時，從主軸開始運動到分閘需要22.4 ms。在0.047 5 s附近，動觸頭殼架走完超程開始帶動動觸頭片開始運動，觸頭開始分離，因此動觸頭殼架的轉(zhuǎn)動速度有一個下降。

圖12 主軸角位移曲線

(2)觸頭開距曲線。觸頭開距曲線是直接反應(yīng)操作機(jī)構(gòu)運動特征的物理量，通過觸頭開距曲線可以了解動觸頭從何時開始運動，何時停止運動，如圖13所示。從圖可知，動靜觸頭最大開距為34.2 mm，動靜觸頭合閘時間為21.4 ms，動靜觸頭分閘時間為18.7 ms。

圖13 觸頭開距曲線

(3)仿真結(jié)果的實驗驗證。試驗利用角位移傳感器和高速攝影儀進(jìn)行測量和拍攝，實驗線路如圖14所示。高速攝影儀透過透明的有機(jī)玻璃側(cè)板拍攝動觸頭的運動過程，輔助驗證和分析機(jī)構(gòu)運動。通過角位移傳感器獲取的電壓曲線直接反應(yīng)主軸角度的變化過程。

圖14 框架斷路器實驗原理圖

通過仿真和試驗結(jié)果的比較剖析，驗證了模型的正確性并修正了模型。

圖15是主軸角位移曲線合閘對比圖，由圖可知仿真實驗曲線吻合；圖16是主軸角位移曲線分閘對比圖，由圖可知仿真實驗曲線吻合，在0.013 s時刻附近，動觸頭走完超程開始并帶動動觸頭片移動，因此其轉(zhuǎn)動速度變慢；試驗測量最大轉(zhuǎn)角約為48°，比仿真數(shù)值小約0.7°。

圖15 框架斷路器主軸轉(zhuǎn)角合閘對比圖

圖16 框架斷路器主軸轉(zhuǎn)角分閘對比圖

3 結(jié)語

(1)對某型單斷點塑殼斷路器和框架斷路器機(jī)構(gòu)進(jìn)行了建模和動力學(xué)仿真；為了驗證和修正仿真模型，分別進(jìn)行了實驗測量，驗證并修正了仿真模型，仿真與試驗測量結(jié)果吻合良好，為分析斷路器機(jī)構(gòu)性能提供了依據(jù)。

(2)應(yīng)按順序?qū)Σ考┘痈鞣N約束，并不時對施加的約束進(jìn)行試驗，尤其要注意選擇對象的約束方向和順序。對于低壓斷路器，動力學(xué)仿真主要用到固定約束、轉(zhuǎn)動約束和碰撞約束。

(3)塑殼斷路器機(jī)構(gòu)主軸角位移合閘時間仿真數(shù)據(jù)為28 ms，試驗數(shù)據(jù)約為29 ms；分閘時間仿真數(shù)據(jù)為8 ms，試驗數(shù)據(jù)為8.2 ms；試驗與仿真數(shù)據(jù)吻合，仿真模型正確。

(4)框架斷路器主軸角位移合閘時間仿真數(shù)據(jù)為24 ms，試驗數(shù)據(jù)為23.9 ms；分閘時間仿真數(shù)據(jù)為22.4 ms，試驗數(shù)據(jù)為22.6 ms；試驗與仿真數(shù)據(jù)吻合，仿真模型正確。

[1] 馬志瀛．電器的理論基礎(chǔ)與工作原理[M]．西安：西安交通大學(xué)電器教研室，2004．

[2]鄭建容．ADAMS虛擬樣機(jī)技術(shù)入門與提高[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002．

[3]吳翊，胡正勇，黃蓉蓉，等．萬能式斷路器操作機(jī)構(gòu)運動特性仿真分析[J]．低壓電器，2011(2)：4-8．

WU Yi, HU Zhengyong, HUANG Rongrong, et al. Simulation and analysis of dynamic characteristics for operation mechanisms of conventional circuit breaker[J]. Low Voltage Apparatus,2011(12):4-7,28.

DynamicSimulationofLow-VoltageCircuitBreakerMechanism

ZHAO Ying1，HU Zhengyong2，LENG Beixue1

(1. Sichuan Electric Vocational and Technical College, Chengdu 611133, China; 2. State Grid Electric Power Research Institute, SMEPC, Shanghai 200437, China)

Dynamic simulation model of a single-breakpoint molded case circuit breaker and frame breaker is established by using multi-body dynamics software ADAMS. In order to verify and correct the simulation model, experiments were carried out and the simulation results are in good agreement with the experiment results. The correctness and effectiveness of the simulation model is verified, which provides the basis for analyzing the performance of circuit breaker mechanism.

low-voltage circuit breaker; circuit breaker mechanism; ADAMS; dynamic simulation

10.11973/dlyny201705008

趙瑩(1985—)，女，碩士，講師，主要研究方向為高壓輸配電線路運行與維護(hù)。

TM561

B

2095-1256(2017)05-0523-06

2017-08-13

(本文編輯：楊林青)