彈簧應力松弛對GIS故障關合接地開關關合特性的影響研究

朱 青1，劉 波，李萬民，曹亞釗

(1.思源電氣股份有限公司，上海 201108； 2．上海思源高壓開關有限公司，上海 201108)

0 引 言

應力松弛是指在恒應變條件下，金屬材料或元件的應力隨時間延續而減小的現象。1868年J.C.Maxwell對應力松弛的規律及其影響做出了解釋，但至今人們對應力松弛機制及發生的條件等還沒有統一的結論。故障關合接地開關通過電動機帶動彈簧儲能后再釋放，完成開關關合動作。所以研究彈簧的應力松弛規律對提高開關運行可靠性有一定的參考價值。

下面采用各國在彈簧研究上通常采用的計算、仿真與測試思路進行研究。

1 彈簧應力松弛試驗

圓柱螺旋壓縮彈簧的應力松弛程度常用負荷損失率(p-p0)/p0，即Δp/p0來表示，p0為彈簧的初始載荷，p為彈簧在任意時刻t時所承受的負荷。將設計改進的螺旋彈簧試驗裝置測試的負荷值換算成負荷損失率，得出負荷損失率與時間的關系曲線。

目前較為適用的壓縮螺旋彈簧的應力松弛方程[1]為

Δp/p0=a+blnt

(1)

表1 分析記錄

式中：p0為彈簧初始載荷，N；Δp為彈簧載荷損失量，N；t為松弛時間，h；a、b為與溫度有關的常數。

試驗彈簧：彈簧材料為60Si2CrVA，彈簧參數線徑11 mm，中徑56 mm，自由高度H0為223 mm，有效圈數n為10.5，取樣3件。

試驗條件：采用改進的應力松弛試驗構造，在常溫(25 ℃)下將彈簧壓縮到工作高度H1為156 mm保持不變，每間隔一定時間，重新測量應力值，總壓縮時間持續14個月。

試驗結果：1號至3號彈簧試驗數據走勢見圖1，對彈簧試驗數據處理得到的應力松弛回歸方程見表1。然后對應階段的方程加權平均后得到應力松弛回歸方程，應力松弛曲線見圖2。根據應力松弛回歸方程推算出該類彈簧30年后的載荷損失率。

圖1 彈簧試驗記錄數據

2 關合特性動力學仿真

2.1 仿真模型

對三維模型進行合理的簡化，去掉不必要的倒角、花鍵等特征，簡化后的動力學仿真模型見圖3。

圖2 彈簧應力松弛曲線

圖3 動力學仿真模型

2.2 約束副

約束副的設置根據機構運動關節處的運動副性質而定。并調整接觸剛度Kn、力指數n、阻尼系數d、穿透深度δ的設置。

2.3 運動輸入

2.4 彈簧設置

彈簧參數按如下兩種狀態進行設置：

狀態1：按彈簧設計理論參數設置，詳細設置見圖4。

狀態2：根據試驗得出30年后的彈簧載荷損失率為5.3%，則30年后彈簧的應力值應分別衰減為P1=1 420.5 N、P2=4 971.75 N。所以30年后的彈簧參數設置見圖5。

表2 仿真結果

圖4 彈簧理論參數

圖5 30年后彈簧理論參數

2.5 模型負載

計算故障關合接地開關的關合特性，需要獲得動觸頭的插入阻力的特性。為提高仿真效率，對觸頭座模型單獨建模，并將仿真數據導出到本體模型中作為輸入。

模型負載主要來源于機械阻力和電動力，為了準確獲得該模型負載大小，根據實測無電動力時阻力值大小，仿真得到合理動觸頭與彈簧觸指間的摩擦系數f。然后考慮電動力的影響，仿真得到合閘時三相本體負載大小見圖6所示。

2.6 仿真結果

開關在狀態1彈簧作用下合閘特性曲線見圖7所示；在狀態2彈簧作用下合閘特性曲線見圖8所示。仿真結果見表2。

根據仿真結果顯示，30年后，在彈簧載荷損失5.3%的情況下，開關依然能夠關合到位。

圖6 帶電動力時的插入阻力

圖7 狀態1彈簧作用下合閘特性曲線

圖8 狀態2彈簧作用下合閘特性曲線

圖7、圖8中的曲線含義如下：淺色實線為本體動觸頭瞬時速度；長虛線為本體合閘速度；短虛線為本體行程。

3 解析計算驗證

3.1 仿真模型

為了進一步驗證仿真結果，對合閘過程中的能量進行解析計算。圖9至圖12是開關關合過程的示意圖。從圖中可以看出，在整個關合過程中：彈簧力在做正功；動觸頭所受的關合阻力和緩沖器的阻力在做負功。

圖9 死點位置(彈簧開始作用)

圖10 電動力開始作用

圖11 緩沖器開始作用

圖12 關合到底

圖9至圖12中各字母代表的含義如下：F1……4為不同壓縮高度下彈簧力，N；L1……4為彈簧不同壓縮高度，mm；S1……4為不同時刻本體行程，mm；v1……3為不同時刻本體瞬時速度，m/s。

3.2 動觸頭受到的關合阻力功

1)關合阻力做功

W1=FdL1+FfdL2=21.8 J+55.3 J=77.1 J

(2)

式中:W1是關合阻力所做的功；FdL1、FfdL2分別為剛合點之前和之后的阻力所做的功。FdL1也即預擊穿導致的電動阻力所做的功。預擊穿位置Fd=0，從預擊穿點到剛合點之間，該力值線性增加到最大值[2-3]。經討論，該值應比實際值大，因此對關合能力的計算偏保守。FfdL2根據圖6的阻力曲線對位移積分得來。

2)緩沖器吸收能量

緩沖器吸收的能量為

(3)

s=5 mm估算出W2=13.1 J，保守起見取W2=14 J。

3)合閘所需能量

合閘所需的最小能量為關合阻力做的功和緩沖器吸收的能量之和：

WC=W1+W2=77.1 J+14 J=91.1 J

(4)

4)彈簧合閘功

考慮到傳動效率和保證可靠合閘的裕度，彈簧提供的能量應在合閘所需能量的基礎上除以一個系數：

(5)

式中，η為考慮機械效率和可靠合閘裕度的系數，通常取0.6～0.7[2]。

因此，按現模型計算，要使開關能夠關合到位，要求的彈簧操作功大于151.8 J。

狀態1的彈簧功為

162 J>151.8 J，因此能關合到位。

狀態2的彈簧功為

=153.4 J

153.4 J>151.8 J，因此也能夠關合到位。

4 結 論

1)通過試驗驗證，故障關合接地開關用壓縮彈簧30年后應力松弛率為5.3%。

2)通過動力學仿真和解析計算，均得出了30年后彈簧能量依然能夠滿足故障關合接地開關關合特性的要求，開關能夠關合到位。