高壓斷路器動(dòng)力學(xué)分析論文

1、高壓斷路器動(dòng)力學(xué)分析論文 摘要：創(chuàng)新地利用多體動(dòng)力學(xué)仿真軟件包ADAMS建立了VS1型真空斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)模型，并用試驗(yàn)對(duì)模型的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證。同時(shí)，還建立了真空斷路器電動(dòng)力計(jì)算模型，將開斷和關(guān)合r1過程中的電動(dòng)力分為洛侖茲力和霍爾姆力。以上述兩個(gè)模型為基礎(chǔ)，對(duì)斷路器短路開斷過程進(jìn)行了仿真，研究了不同的開斷條件下電動(dòng)力對(duì)斷路器機(jī)械特性的影響，從而為斷路器的優(yōu)化設(shè)計(jì)和狀態(tài)檢測(cè)提供了必要的理論依據(jù)。此后采用試驗(yàn)的方法對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了部分驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果表明仿真在一定程度上揭示了斷路器的運(yùn)行規(guī)律。 關(guān)鍵詞：電動(dòng)力效應(yīng)高壓斷路器動(dòng)力學(xué)特性仿真分析 1引言 對(duì)斷路器的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行仿真分析，有利于

2、實(shí)現(xiàn)斷路器的優(yōu)化設(shè)計(jì)；并且研究斷路器在故障狀態(tài)下的動(dòng)作特性，能夠?yàn)閿嗦菲鞯臓顟B(tài)檢測(cè)提供理論依據(jù)。對(duì)斷路器動(dòng)力學(xué)特性的研究，以往采用的方案是：列出斷路器運(yùn)動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程和動(dòng)力學(xué)方程組；采用適當(dāng)?shù)臄?shù)值求解方法求解方程組；采用可視化仿真方法給出運(yùn)動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)過程和有關(guān)運(yùn)動(dòng)參數(shù)1。這種研究方案對(duì)于簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)是比較有效的，尤其在低壓電器機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性的研究中得到了成功應(yīng)用2-3。但對(duì)于復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)，例如高壓斷路器的操動(dòng)機(jī)構(gòu)，由于部件眾多，各部件之間的約束關(guān)系也增多，動(dòng)力學(xué)方程組的復(fù)雜性迅速增加，這種方案顯得力不從心，為此需要尋求別的解決方案。 多體動(dòng)力學(xué)仿真軟件的出現(xiàn)為解決這個(gè)問題提供了一種很好

3、的手段。ADAMS軟件包是目前世界范圍內(nèi)使用最廣泛的機(jī)械系統(tǒng)仿真分析軟件之一4。它可以方便地建立參數(shù)化的實(shí)體模型，并采用多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)原理，通過建立多體系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程和動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)行求解計(jì)算5。跟傳統(tǒng)的仿真方法相比，采用ADAMS進(jìn)行仿真避免了繁瑣的建立方程組和求解方程組的工作，使得用戶能夠?qū)⒅饕Ψ旁谒P(guān)心的物理問題上，從而極大地提高了仿真效率。 本文基于多體動(dòng)力學(xué)原理，利用ADAMS軟件包建立了VS1型真空斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)模型，并用試驗(yàn)對(duì)模型的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證。同時(shí)，本文還建立了真空斷路器電動(dòng)力計(jì)算模型，將開斷r2過程中的電動(dòng)力分為洛侖茲力和霍爾姆力。以上述兩個(gè)模型為基礎(chǔ)，對(duì)斷路器

4、短路開斷過程進(jìn)行了仿真，研究了不同開斷條件下電動(dòng)力對(duì)斷路器機(jī)械特性的影響，此后采用試驗(yàn)的方法對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，從而為斷路器的優(yōu)化設(shè)計(jì)和狀態(tài)檢測(cè)提供了必要的理論依據(jù)。 2VS1型真空斷路器動(dòng)力學(xué)模型的建立和驗(yàn)證 利用ADAMS建立的VS1型真空斷路器動(dòng)力學(xué)模型如圖1所示。圖中所示模型隱含了大量的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程和動(dòng)力學(xué)方程。ADAMS軟件通過求解這些封裝在內(nèi)部的方程組實(shí)現(xiàn)動(dòng)力學(xué)仿真。 為了確定仿真模型是否符合實(shí)際情況，本文利用高精度導(dǎo)電塑料角位移和直線位移傳感器分別測(cè)試了斷路器分合閘過程中，主軸角位移曲線和絕緣拉桿底部的直線位移曲線。同時(shí)，在ADAMS軟件中測(cè)試仿真模型的相關(guān)參數(shù)。圖2給出了分閘過

5、程仿真與實(shí)測(cè)曲線對(duì)比結(jié)果。 從圖2可以看出，仿真模型的輸出曲線跟實(shí)際樣機(jī)的輸出曲線吻合得較好。此外，還對(duì)仿真模型的其它機(jī)械參量進(jìn)行了測(cè)試，這些測(cè)試結(jié)果都證明了仿真模型的正確性和有效性。 3考慮電動(dòng)力效應(yīng)的斷路器動(dòng)力學(xué)特性仿真 開關(guān)電器中的電動(dòng)力直接影響著電器的工作性能。當(dāng)發(fā)生短路故障時(shí)，斷路器要迅速開斷短路電流，在此過程中，動(dòng)靜觸頭之間產(chǎn)生很大的電動(dòng)力，這個(gè)力必然會(huì)影響斷路器的機(jī)械特性，尤其是分合閘速度。 考慮到各相導(dǎo)體之間的電動(dòng)力對(duì)于分合閘速度的影響并不大，故本文僅分析動(dòng)觸頭所受到的電動(dòng)力。動(dòng)觸頭所受到的電動(dòng)力由兩部分組成6，一部分是由于電流在磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生的洛侖茲力（Lorntz-forc

6、e）FL，另一部分是由于觸頭接觸處電流線收縮產(chǎn)生的霍爾姆力（Holm-force）FH。 本文的仿真對(duì)象VS1型真空斷路器所用觸頭具有杯狀縱磁結(jié)構(gòu)，如圖3(a)所示。為了計(jì)算洛侖茲力，需要建立計(jì)算模型，首先作如下假設(shè)： （1）電流在導(dǎo)體表面中心位置沿?zé)o限細(xì)的路徑流動(dòng)，即忽略導(dǎo)體截面對(duì)電動(dòng)力的影響。 （2）動(dòng)靜觸頭閉合時(shí)，其實(shí)際接觸位置僅為中心處一點(diǎn)。 （3）當(dāng)動(dòng)靜觸頭分離并產(chǎn)生電弧時(shí)，電弧形態(tài)的變化不影響觸頭電流的分布，假定電弧僅有一支，且弧根在觸頭中心位置。 基于以上洛侖茲力計(jì)算模型，可推導(dǎo)得出動(dòng)觸頭所受總的洛侖茲力（方向?yàn)樨Q直向下）的大小為 式中為與接觸面狀況有關(guān)的系數(shù)，其范圍在0.31之

7、間；H為材料的布氏硬度；F為接觸力。 需要指出的是，在式(2)中，由電流線收縮產(chǎn)生的電動(dòng)力FH只存在于動(dòng)靜觸頭保持金屬接觸狀態(tài)的時(shí)間里，即在分閘過程中，該力僅存在于超行程階段，一旦動(dòng)靜觸頭分開，這個(gè)力就不存在了。 綜上所述，在開斷短路電流的過程中，所產(chǎn)生的總的電動(dòng)力FT是洛侖茲力FL和霍爾姆力FH的疊加，設(shè)FL和FH的作用時(shí)間分別是te1,te2和td1,td2，并分別令 由文9可知，當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生三相對(duì)稱短路時(shí)，只有當(dāng)電壓相角j等于0或p時(shí)，才獲得最大的短路電流峰值。本文研究短路電流對(duì)斷路器機(jī)械特性的最大影響，故令j等于0?？紤]到在一般高壓電網(wǎng)中，各元件的電抗均比電阻大得多，如果忽略回路電阻

8、對(duì)短路電流的影響，可以認(rèn)為=/2，則短路電流可簡(jiǎn)化為 開斷三相短路故障時(shí)各相電弧的熄滅也有先后。假定A相為首開相，則A相開斷后，三相短路轉(zhuǎn)化為兩相短路，B相和C相上的電流將不再按照式(5)變化，忽略回路電阻R的影響，即令=/2；則A相開斷后，B、C兩相的短路電流可寫為10 式中Ir為短路電流周期分量有效值；i0為A相開斷瞬間B相電流值。 用式(5)中的iA替換式(4)中的I，并將有關(guān)數(shù)值代入即可得到斷路器A相動(dòng)觸頭分閘過程中受到的電動(dòng)力的表達(dá)式。同理，用式(5)和式(6)中的iB、iC替換式(4)中的I，并注意到電流作用時(shí)間上的不同，容易得到B相和C相動(dòng)觸頭所受電動(dòng)力FTB、FTC的表達(dá)式。

9、因已假定短路發(fā)生時(shí)刻為t=t0=0，故t1表示繼電保護(hù)時(shí)間。該時(shí)間跟繼電保護(hù)裝置有關(guān)，通常大于0.02s。t3-t1表示分閘時(shí)間，跟斷路器有關(guān)，t3-t2也跟斷路器有關(guān)。經(jīng)對(duì)本文仿真對(duì)象進(jìn)行實(shí)測(cè)，可知t3-t1=0.027s，t3-t2=0.0035s，故有t2-t1=0.0235s。由于繼電保護(hù)時(shí)間存在不確定性，本文分別取不同的t2值對(duì)開斷過程進(jìn)行仿真，考慮到短路故障的嚴(yán)重程度，取t2=0.043s、0.046s、0.049s、0.052s，研究不同情況下電動(dòng)力的大小及其對(duì)斷路器機(jī)械特性的影響。實(shí)際上，由于t3-t2這段時(shí)間是確定的，故不同的t2值跟不同的觸頭分離時(shí)刻電流相角對(duì)應(yīng)，上述4個(gè)t

10、2值反映了在不同的電流相角開斷的情形。 在高壓輸電網(wǎng)中，三相短路時(shí)最大可能出現(xiàn)的時(shí)間常數(shù)為45ms，故本文取時(shí)間常數(shù)T=0.045s進(jìn)行仿真。由于本文所仿真的斷路器從脫扣時(shí)刻到動(dòng)觸頭至滿行程的時(shí)間約22ms（無電動(dòng)力的情況），取一定裕量，將仿真時(shí)間定為30ms，即t6-t2=0.03s。 對(duì)斷路器開斷短路電流的運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行仿真，得到的電動(dòng)力以及相應(yīng)的機(jī)械特性如表1所示。 注：表中平均分閘速度定義為動(dòng)觸頭位移曲線上從觸頭分離時(shí)刻起到動(dòng)觸頭位移6mm這段位移除以對(duì)應(yīng)的時(shí)間。剛分速度定義為動(dòng)觸頭位移曲線上從觸頭分離時(shí)刻起到運(yùn)動(dòng)至0.2mm這段位移除以對(duì)應(yīng)的時(shí)間。未加電動(dòng)力時(shí)，平均分閘速度為1.22m

11、/s，剛分速度為1.52m/s，從仿真時(shí)刻起到動(dòng)觸頭至滿開距所需時(shí)間為22ms。 下面給出了典型情況下的一些仿真結(jié)果。 當(dāng)t2=0.043s時(shí)，電動(dòng)力如圖5所示（規(guī)定豎直向下方向?yàn)檎较?，以下同；由于電流作用時(shí)間不超過0.02s，為清楚起見，僅給出前0.02s內(nèi)電動(dòng)力的圖形），其中圖5(a)示出了三相動(dòng)觸頭上總的電動(dòng)力FT的波形，圖5(b)示出了A相動(dòng)觸頭上所受電動(dòng)力和分閘力。分閘力指動(dòng)觸頭所受的除電動(dòng)力以外的所有力，其中包括了分閘彈簧、觸頭彈簧、油緩沖器等間接作用到動(dòng)觸頭上的力以及動(dòng)觸頭重力等。 圖6給出了有電流和無電流時(shí)的動(dòng)觸頭位移以及在電動(dòng)力作用下三相動(dòng)觸頭的位移情況。 從仿真分析結(jié)果中

12、可以歸納出如下結(jié)論： （1）雖然加在三相動(dòng)觸頭上的電動(dòng)力有較大差異，但由于觸頭彈簧的緩沖作用和斷路器結(jié)構(gòu)上的原因，三相動(dòng)觸頭的位移幾乎沒有差別（參見圖6(b)）。 （2）電動(dòng)力會(huì)影響分閘速度，開斷短路電流比空載分閘時(shí)的平均分閘速度和剛分速度都有所提高，這顯然與電動(dòng)力有關(guān)。但電動(dòng)力對(duì)分閘速度的影響程度則與多種因素有關(guān)，在短路相角j一定的情況下，分閘相角（即動(dòng)靜觸頭分離時(shí)刻對(duì)應(yīng)的相位角）對(duì)分閘速度的影響很大，在本文的仿真條件下，t2=0.043s時(shí)比t2=0.052s時(shí)對(duì)分閘速度的影響要明顯一些。 （3）本文針對(duì)電力系統(tǒng)中可能發(fā)生的嚴(yán)重短路事故所進(jìn)行的仿真分析表明，在斷路器機(jī)械部分正常運(yùn)行的情況下

13、，由短路電流所產(chǎn)生的電動(dòng)力對(duì)分閘速度的影響程度不等，但總體上，電動(dòng)力加速了動(dòng)觸頭的運(yùn)動(dòng)，使分閘速度有所提高，就平均分閘速度而言，偏差可達(dá)0.2m/s，若取空載時(shí)的平均分閘速度1.22m/s為基準(zhǔn)，則電動(dòng)力導(dǎo)致的平均分閘速度的相對(duì)偏差可達(dá)16%。所以在斷路器機(jī)械特性的狀態(tài)檢測(cè)中，應(yīng)該綜合考慮短路電流的影響。 4電動(dòng)力效應(yīng)仿真分析的試驗(yàn)驗(yàn)證 為了考察斷路器開斷短路電流過程中的電動(dòng)力效應(yīng)，對(duì)電動(dòng)力的影響做出定量分析并驗(yàn)證仿真分析的有效性和準(zhǔn)確性，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)試驗(yàn)，對(duì)VS1型真空斷路器進(jìn)行短路開斷試驗(yàn)。試驗(yàn)電流分別為8.9kA，11.1kA，20kA，22.2kA，31.1kA（均為峰值），其中22

14、.2kA做了兩次，但開斷時(shí)刻的相位角不同。試驗(yàn)過程中利用傳感器對(duì)斷路器機(jī)械特性進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，通過分析得到了不同開斷情況下的剛分速度和平均分閘速度。此后，利用前文所建立的斷路器動(dòng)力學(xué)模型，針對(duì)試驗(yàn)條件進(jìn)行了仿真。圖7給出了試驗(yàn)和仿真結(jié)果的對(duì)比。 從圖7可知，仿真結(jié)果跟試驗(yàn)結(jié)果吻合得較好，其中平均分閘速度最大相對(duì)誤差不超過5%，剛分速度最大相對(duì)誤差不超過10%。這表明本文考慮電動(dòng)力效應(yīng)的斷路器動(dòng)力學(xué)特性仿真是有效的。 5結(jié)論 （1）本文創(chuàng)新地將多體動(dòng)力學(xué)仿真軟件包ADAMS應(yīng)用于真空斷路器動(dòng)力學(xué)特性研究之中。證明利用多體動(dòng)力學(xué)軟件對(duì)高壓斷路器的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行研究是一種可行、高效的辦法。 （2）本文建

15、立了VS1型真空斷路器的動(dòng)力學(xué)模型，并建立了真空斷路器電動(dòng)力分析模型，將這兩個(gè)模型有機(jī)地結(jié)合在一起，對(duì)斷路器開斷短路電流的過程進(jìn)行了仿真分析，結(jié)果表明，在嚴(yán)重短路開斷條件下，電動(dòng)力可使平均分閘速度提高約16%。 （3）采用試驗(yàn)的辦法對(duì)仿真進(jìn)行了部分驗(yàn)證，結(jié)果表明：仿真較好地反映了真實(shí)情況，本文所進(jìn)行的仿真是有效的。 參考文獻(xiàn) 1吳偉光，馬履中（WuWeiguang，MaLuzhong）真空斷路器用彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)（Optimizationdesignofoperatingdeviceofvacuumcircuitbreaker）J高壓電器（HighVoltageApparatus），20

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