斷路器合閘過程中自力型觸頭變形行為研究

劉猛 馬騰迪

（西安西電開關電氣有限公司）

0 引言

GIS是電力系統中的重要設備，由于其具有體積小、占地面積少、維護方便等優良條件在電力系統中得到廣泛應用。隨著當今社會經濟和生活水平不斷提高，對電能的需求日益增大，對電能質量的要求也越來越高。提高高壓開關設備的可靠性、穩定性顯得越來越迫切[1]。

高壓斷路器在分合閘過程中，動靜觸頭發生接觸、碰撞、滑動摩擦，極易導致觸頭表面劃傷，產生金屬微粒和微小的毛刺[2]。而異物放電則是高壓開關主要故障類型之一[2-3]。

長期以來，人們解決觸頭掉屑主要關注動靜側對中、觸頭材料、觸頭結構和表面狀態等幾個方面[4]，但是對于合閘過程中的觸頭變形行為對磨合掉屑的影響則較少研究。

接觸問題是一種高度的非線性行為，在計算過程中需要耗費大量的資源。GIS斷路器動靜觸頭結構大多具有圓周對稱性，其中靜觸頭采用自力型觸頭。在仿真計算中，通常采取簡化模型的辦法來降低計算規模，節省計算時間。在以往的文獻中，王之軍等采用沖擊動力學的分析方法，來模擬合閘過程中觸頭的應力和變形規律，并分析動觸頭塑性變形對斷路器開斷的影響[5]。張沛文等在考慮觸頭塑性和摩擦的情況下，對觸頭施加實測運動速度，模擬了合閘過程中動靜觸頭的力學響應[6]。

但是，采用簡化模型對觸頭合閘過程進行仿真，并不能最大限度地真實反映合閘過程中的變形行為。本文通過對全尺寸動靜觸頭合閘過程進行仿真，對靜側自力型觸頭的變形行為進行了研究，以期對改善合閘過程中的觸頭磨合提供理論指導。

1 仿真模型建立

1.1 幾何模型建立

本文選用了一種常見的自力型觸頭作為計算對象，并對其進行三維建模，如圖1所示。

圖1 動靜觸頭幾何模型

1.2 仿真條件設定

將模型導入Ansys workbench，選取Explicit Dynamics顯示動力學模塊進行計算。動靜觸頭均選取Explict Materials 材料庫中的COPPER為零件材料。為減少運算量，采用系統中等網格尺寸對模型劃分網格，如圖2所示。將靜主觸頭螺紋面設為固定面。

圖2 網格劃分效果

本文首先研究了自力型觸頭在滅弧室設計合閘速度7m/s下的動態變形行為。然后，研究分析了合閘速度對自力型觸頭變形行為的影響，速度分別選取為1m/s、4m/s和7m/s。最后，又根據自力型觸頭的變形特點，研究分析了觸頭結構對自力型觸頭變形行為的影響，將合閘速度設置為7m/s。

2 計算結果

2.1 自力型觸頭動態變形行為研究

首先對自力型觸頭在7m/s速度下的動態變形行為進行了仿真計算，計算結果如圖3、圖4所示。

通過圖3可以看出，觸頭在合閘過程中隨時間變化，觸指并非均勻向四面張開，而是存在明顯的不均勻變形現象。將形變效果放大3.2倍，顯示大量觸指與動觸頭脫離。這種不均勻變形可能對觸頭磨合造成不利影響。

從圖4可以看出，脫離側應變量大于接觸側，且在翹起最大的觸指根部應變最為集中。此外，觸指根部應變分布并非沿觸指中線呈對稱分布。

結合圖3、圖4所示結果可以得出，在動觸頭插入過程中，每個觸指形變量并不相同，并最終在某一觸指處達到最大，而應變的不均勻分布致使部分觸指與動觸頭脫離接觸。觸指與動觸頭不均勻接觸會導致觸頭磨損狀態不一致。合閘過程中觸指應變的不均勻分布可能是導致觸指與動觸頭不均勻接觸的原因之一。

圖3 觸頭隨時間動態變形過程3.2倍正向形變云圖

圖4 側向應變分布圖

根據波動力學原理，任何材料都具有可變形性和慣性，當其受外部載荷的擾動時，其變形并不是一蹴而就的，而是應力波傳播、反射和相互作用的結果。當所研究的或所觀察的時間尺度相對于應力波傳播持續時間已足夠大時，即介質中的應力可視為瞬間平衡或均勻，因而，可以忽略應力波傳播所帶來的影響，而著眼于應力平衡后的力學問題，即將問題視為靜力學問題進行分析。但是，對于一些高速沖擊或載荷問題，其在毫秒、微秒甚至納秒時間尺度上擾動信號極大，且總持續時間極短，此時應力波的傳播所帶來的影響不可忽視，反而起到關鍵作用。此時，材料內部應力遠沒有均勻，因此就造成了應變不均勻分布等現象[7]。

2.2 合閘速度對自力型觸頭變形行為的影響

為了進一步分析造成觸頭發生上述不均勻變形的原因和影響因素，對自力型觸頭在1m/s、4m/s和7m/s三種不同的合閘速度下的變形行為進行了仿真計算，計算結果如圖5所示。

通過圖5可以看出，合閘速度對觸頭變形量有顯著影響，速度越大，變形量越大。通過分析得出，合閘速度越大，自力型觸頭承受的沖量越大，觸頭內部承受的應力隨之增大。當觸指根部剛度不足時，一部分觸指就會發生與動觸頭脫離的現象。

圖5 不同速度下自力型觸頭3.2倍正向形變云圖

2.3 觸頭結構對自力型觸頭變形行為的影響

為了驗證設想，對觸頭結構進行一定修改，通過在觸指根部增加一圈加強筋，以便提高觸指根部剛度，如圖6所示。

圖6 加強筋增加示意圖

在此結構上，分析了觸頭在7m/s合閘速度時的變形行為，計算結果如圖7、圖8所示。

圖7 結構強化后觸頭正向形變云圖

圖8 結構強化后觸頭側向應變云圖

從圖7可以看出，在觸指根部增加加強筋后，觸指形變比圖3更加均勻，觸指變形云圖呈軸對稱狀。而從圖8中的側向應變云圖也發現觸指根部應變比圖4更加均勻。以上現象說明，加強筋增加觸指根部剛度對改善自力型觸頭內應力分布可以發揮顯著作用。

3 結束語

通過以上分析研究，可以得出以下結論：

1）觸頭在合閘過程中觸指并非均勻向四面張開，而是存在明顯的不均勻變形的現象，一側觸指與動觸頭接觸而另一側則有大量觸指與動觸頭脫離。這種不均勻變形會對觸頭磨合造成不利影響。

2）合閘速度對觸頭變形量有顯著影響，速度越大，不均勻變形量越大。

3）加強筋增加觸指根部剛度對改善自力型觸頭內應力分布可以發揮顯著作用。

4）合適的合閘速度與觸頭剛度對控制觸頭不均勻變形是必要的，這對今后自力型觸頭的設計提供了理論參考。