高壓斷路器動力學分析論文

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摘要：創新地利用多體動力學仿真軟件包ADAMS建立了VS1型真空斷路器操動機構的動力學模型，并用試驗對模型的有效性進行了驗證。同時，還建立了真空斷路器電動力計算模型，將開斷和關合[r1]過程中的電動力分為洛侖茲力和霍爾姆力。以上述兩個模型為基礎，對斷路器短路開斷過程進行了仿真，研究了不同的開斷條件下電動力對斷路器機械特性的影響，從而為斷路器的優化設計和狀態檢測提供了必要的理論依據。此后采用試驗的方法對仿真結果進行了部分驗證，驗證結果表明仿真在一定程度上揭示了斷路器的運行規律。

關鍵詞：電動力效應高壓斷路器動力學特性仿真分析

1引言

對斷路器的動力學特性進行仿真分析，有利于實現斷路器的優化設計；并且研究斷路器在故障狀態下的動作特性，能夠為斷路器的狀態檢測提供理論依據。對斷路器動力學特性的研究，以往采用的方案是：列出斷路器運動部件的運動學方程和動力學方程組；采用適當的數值求解方法求解方程組；采用可視化仿真方法給出運動部件的運動過程和有關運動參數[1]。這種研究方案對于簡單的運動系統是比較有效的，尤其在低壓電器機構運動特性的研究中得到了成功應用[2-3]。但對于復雜的機械系統，例如高壓斷路器的操動機構，由于部件眾多，各部件之間的約束關系也增多，動力學方程組的復雜性迅速增加，這種方案顯得力不從心，為此需要尋求別的解決方案。

多體動力學仿真軟件的出現為解決這個問題提供了一種很好的手段。ADAMS軟件包是目前世界范圍內使用最廣泛的機械系統仿真分析軟件之一[4]。它可以方便地建立參數化的實體模型，并采用多體系統動力學原理，通過建立多體系統的運動方程和動力學方程進行求解計算[5]。跟傳統的仿真方法相比，采用ADAMS進行仿真避免了繁瑣的建立方程組和求解方程組的工作，使得用戶能夠將主要精力放在所關心的物理問題上，從而極大地提高了仿真效率。

本文基于多體動力學原理，利用ADAMS軟件包建立了VS1型真空斷路器操動機構的動力學模型，并用試驗對模型的有效性進行了驗證。同時，本文還建立了真空斷路器電動力計算模型，將開斷[r2]過程中的電動力分為洛侖茲力和霍爾姆力。以上述兩個模型為基礎，對斷路器短路開斷過程進行了仿真，研究了不同開斷條件下電動力對斷路器機械特性的影響，此后采用試驗的方法對仿真結果進行了驗證，從而為斷路器的優化設計和狀態檢測提供了必要的理論依據。

2VS1型真空斷路器動力學模型的建立和驗證

利用ADAMS建立的VS1型真空斷路器動力學模型如圖1所示。圖中所示模型隱含了大量的運動學方程和動力學方程。ADAMS軟件通過求解這些封裝在內部的方程組實現動力學仿真。

為了確定仿真模型是否符合實際情況，本文利用高精度導電塑料角位移和直線位移傳感器分別測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，在ADAMS軟件中測試仿真模型的相關參數。圖2給出了分閘過程仿真與實測曲線對比結果。

從圖2可以看出，仿真模型的輸出曲線跟實際樣機的輸出曲線吻合得較好。此外，還對仿真模型的其它機械參量進行了測試，這些測試結果都證明了仿真模型的正確性和有效性。

3考慮電動力效應的斷路器動力學特性仿真

開關電器中的電動力直接影響著電器的工作性能。當發生短路故障時，斷路器要迅速開斷短路電流，在此過程中，動靜觸頭之間產生很大的電動力，這個力必然會影響斷路器的機械特性，尤其是分合閘速度。

考慮到各相導體之間的電動力對于分合閘速度的影響并不大，故本文僅分析動觸頭所受到的電動力。動觸頭所受到的電動力由兩部分組成[6]，一部分是由于電流在磁場作用下產生的洛侖茲力（Lorntz-force）FL，另一部分是由于觸頭接觸處電流線收縮產生的霍爾姆力（Holm-force）FH。

本文的仿真對象VS1型真空斷路器所用觸頭具有杯狀縱磁結構，如圖3(a)所示。為了計算洛侖茲力，需要建立計算模型，首先作如下假設：

（1）電流在導體表面中心位置沿無限細的路徑流動，即忽略導體截面對電動力的影響。

（2）動靜觸頭閉合時，其實際接觸位置僅為中心處一點。

（3）當動靜觸頭分離并產生電弧時，電弧形態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算模型，可推導得出動觸頭所受總的洛侖茲力（方向為豎直向下）的大小為

式中ξ為與接觸面狀況有關的系數，其范圍在0.3~1之間；H為材料的布氏硬度；F為接觸力。

需要指出的是，在式(2)中，由電流線收縮產生的電動力FH只存在于動靜觸頭保持金屬接觸狀態的時間里，即在分閘過程中，該力僅存在于超行程階段，一旦動靜觸頭分開，這個力就不存在了。

綜上所述，在開斷短路電流的過程中，所產生的總的電動力FT是洛侖茲力FL和霍爾姆力FH的疊加，設FL和FH的作用時間分別是[te1,te2]和[td1,td2]，并分別令

由文[9]可知，當電力系統發生三相對稱短路時，只有當電壓相角j等于0或p時，才獲得最大的短路電流峰值。本文研究短路電流對斷路器機械特性的最大影響，故令j等于0。考慮到在一般高壓電網中，各元件的電抗均比電阻大得多，如果忽略回路電阻對短路電流的影響，可以認為Ф=π/2，則短路電流可簡化為

開斷三相短路故障時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Ф=π/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，并將有關數值代入即可得到斷路器A相動觸頭分閘過程中受到的電動力的表達式。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間上的不同，容易得到B相和C相動觸頭所受電動力FTB、FTC的表達式。

因已假定短路發生時刻為t=t0=0，故t1表示繼電保護時間。該時間跟繼電保護裝置有關，通常大于0.02s。t3-t1表示分閘時間，跟斷路器有關，t3-t2也跟斷路器有關。經對本文仿真對象進行實測，可知t3-t1=0.027s，t3-t2=0.0035s，故有t2-t1=0.0235s。由于繼電保護時間存在不確定性，本文分別取不同的t2值對開斷過程進行仿真，考慮到短路故障的嚴重程度，取t2=0.043s、0.046s、0.049s、0.052s，研究不同情況下電動力的大小及其對斷路器機械特性的影響。實際上，由于t3-t2這段時間是確定的，故不同的t2值跟不同的觸頭分離時刻電流相角對應，上述4個t2值反映了在不同的電流相角開斷的情形。

在高壓輸電網中，三相短路時最大可能出現的時間常數為45ms，故本文取時間常數T=0.045s進行仿真。由于本文所仿真的斷路器從脫扣時刻到動觸頭至滿行程的時間約22ms（無電動力的情況），取一定裕量，將仿真時間定為30ms，即t6-t2=0.03s。

對斷路器開斷短路電流的運動過程進行仿真，得到的電動力以及相應的機械特性如表1所示。

注：表中平均分閘速度定義為動觸頭位移曲線上從觸頭分離時刻起到動觸頭位移6mm這段位移除以對應的時間。剛分速度定義為動觸頭位移曲線上從觸頭分離時刻起到運動至0.2mm這段位移除以對應的時間。未加電動力時，平均分閘速度為1.22m/s，剛分速度為1.52m/s，從仿真時刻起到動觸頭至滿開距所需時間為22ms。

下面給出了典型情況下的一些仿真結果。

當t2=0.043s時，電動力如圖5所示（規定豎直向下方向為正方向，以下同；由于電流作用時間不超過0.02s，為清楚起見，僅給出前0.02s內電動力的圖形），其中圖5(a)示出了三相動觸頭上總的電動力FT的波形，圖5(b)示出了A相動觸頭上所受電動力和分閘力。分閘力指動觸頭所受的除電動力以外的所有力，其中包括了分閘彈簧、觸頭彈簧、油緩沖器等間接作用到動觸頭上的力以及動觸頭重力等。

圖6給出了有電流和無電流時的動觸頭位移以及在電動力作用下三相動觸頭的位移情況。

從仿真分析結果中可以歸納出如下結論：

（1）雖然加在三相動觸頭上的電動力有較大差異，但由于觸頭彈簧的緩沖作用和斷路器結構上的原因，三相動觸頭的位移幾乎沒有差別（參見圖6(b)）。

（2）電動力會影響分閘速度，開斷短路電流比空載分閘時的平均分閘速度和剛分速度都有所提高，這顯然與電動力有關。但電動力對分閘速度的影響程度則與多種因素有關，在短路相角j一定的情況下，分閘相角（即動靜觸頭分離時刻對應的相位角）對分閘速度的影響很大，在本文的仿真條件下，t2=0.043s時比t2=0.052s時對分閘速度的影響要明顯一些。

（3）本文針對電力系統中可能發生的嚴重短路事故所進行的仿真分析表明，在斷路器機械部分正常運行的情況下，由短路電流所產生的電動力對分閘速度的影響程度不等，但總體上，電動力加速了動觸頭的運動，使分閘速度有所提高，就平均分閘速度而言，偏差可達0.2m/s，若取空載時的平均分閘速度1.22m/s為基準，則電動力導致的平均分閘速度的相對偏差可達16%。所以在斷路器機械特性的狀態檢測中，應該綜合考慮短路電流的影響。

4電動力效應仿真分析的試驗驗證

為了考察斷路器開斷短路電流過程中的電動力效應，對電動力的影響做出定量分析并驗證仿真分析的有效性和準確性，本文設計了一個試驗，對VS1型真空斷路器進行短路開斷試驗。試驗電流分別為8.9kA，11.1kA，20kA，22.2kA，31.1kA（均為峰值），其中22.2kA做了兩次，但開斷時刻的相位角不同。試驗過程中利用傳感器對斷路器機械特性進行了監測，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力學模型，針對試驗條件進行了仿真。圖7給出了試驗和仿真結果的對比。

從圖7可知，仿真結果跟試驗結果吻合得較好，其中平均分閘速度最大相對誤差不超過5%，剛分速度最大相對誤差不超過10%。這表明本文考慮電動力效應的斷路器動力學特性仿真是有效的。

5結論

（1）本文創新地將多體動力學仿真軟件包ADAMS應用于真空斷路器動力學特性研究之中。證明利用多體動力學軟件對高壓斷路器的動力學特性進行研究是一種可行、高效的辦法。

（2）本文建立了VS1型真空斷路器的動力學模型，并建立了真空斷路器電動力分析模型，將這兩個模型有機地結合在一起，對斷路器開斷短路電流的過程進行了仿真分析，結果表明，在嚴重短路開斷條件下，電動力可使平均分閘速度提高約16%。

（3）采用試驗的辦法對仿真進行了部分驗證，結果表明：仿真較好地反映了真實情況，本文所進行的仿真是有效的。

參考文獻

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