■ 趙鴻飛 吳軍輝／河南平高電氣股份有限公司

袁志兵／西安交通大學(xué)

隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，社會對電力系統(tǒng)運行的安全可靠性要求越來越高。有統(tǒng)計數(shù)字表明，每次真空斷路器事故平均損失電量達數(shù)百萬千瓦時，造成重大的經(jīng)濟損失，直接關(guān)系到電力系統(tǒng)的安全運行。因此，對真空斷路器進行優(yōu)化設(shè)計，提高其出廠質(zhì)量，具有提高設(shè)備運行可靠性和利用率，減少維護保養(yǎng)費用及節(jié)約電力系統(tǒng)運行成本等諸多的優(yōu)點。

真空斷路器的電氣性能與其操動機構(gòu)的機械特性之間關(guān)系密切。凸輪機構(gòu)是彈簧操動機構(gòu)的關(guān)鍵部件，因此，優(yōu)化凸輪機構(gòu)，使之與真空滅弧室達到最佳匹配，是發(fā)揮真空斷路器優(yōu)越性的關(guān)鍵之一。機構(gòu)能否達到合理的匹配，滿足通斷運動的要求，關(guān)鍵在于凸輪輪廓線的設(shè)計。

國內(nèi)很多斷路器生產(chǎn)廠家在進行斷路器的設(shè)計時，習(xí)慣于采用試驗一修改一試驗的方法。即對設(shè)計好的樣機進行測試，發(fā)現(xiàn)設(shè)計存在的問題，然后修改部分參數(shù)，加工零部件，裝配調(diào)試，再進行試驗看是否滿足設(shè)計要求，如此循環(huán)直到符合設(shè)計要求。這種方法對設(shè)計者的專業(yè)設(shè)計水平和經(jīng)驗要求較高，且所需的設(shè)計費用比較高，設(shè)計周期比較長。

本文針對已經(jīng)設(shè)計的12 kV真空斷路器樣機，采用S—BT開關(guān)設(shè)備測試系統(tǒng)對試驗樣機進行了通斷過程測試，并對測試結(jié)果進行了分析。采用多體動力學(xué)軟件ADAMS建立真空斷路器機構(gòu)動力學(xué)仿真模型，利用樣機測試結(jié)果對仿真模型進行驗證，然后對斷路器操動運動特性的分析。通過仿真分析，研究凸輪曲線與動觸頭運動關(guān)系，尋找對凸輪修改的方法以及分析各種修改對觸頭運動特性的影響規(guī)律，然后有針對性地對凸輪曲線進行優(yōu)化設(shè)計。將改進后的凸輪裝配到斷路器中，進行通斷試驗，驗證設(shè)計結(jié)果的正確性。

1 斷路器仿真模型的建立與試驗驗證

圖l所示為某型號真空斷路器操動機構(gòu)的原理，圖中斷路器處于分閘狀態(tài)。該操動機構(gòu)的通斷能量都由渦卷彈簧4提供，凸輪3和拐臂1與渦卷彈簧在同一根主軸2上安裝。斷路器的真空滅弧室通過拐臂連桿機構(gòu)與凸輪配合。

在滿足滅弧室要求的條件下，為了盡可能地增大開斷能力，觸頭的平均分閘速度(分閘前6 mm的平均速度)取1.1～13 m／s，剛分速度(觸頭分離后2 ms內(nèi)的平均速度)取0.9～1.1 m／s。平均合閘速度(合閘后期6 mnl的平均速度)取0.6～0.8 m／s，剛合速度(觸頭合閘前2 rnm內(nèi)的平均速度)取1.6～1.8 m／s。利用實際模型的參數(shù)，在ADAMS軟件中建立真空斷路器的分閘仿真模型。仿真中用到的真空斷路器主要技術(shù)參數(shù)如下：動觸頭的質(zhì)量：2.0 kg；觸頭彈簧與外殼的質(zhì)量：O.3 kgl觸頭拉桿質(zhì)量：l kg；連桿總質(zhì)量：1.44 kg，凸輪拐臂質(zhì)量：0.86kg；l凸輪的質(zhì)量：1.74kg。軸的質(zhì)量：1.8 lkg；拐臂質(zhì)量：O.62 kg；觸頭開距：9.5 mm;超行程：3.5 mm。自閉力：120 N，合閘時觸頭彈簧壓力：3 000N。分閘時觸頭彈簧壓力：2 000N。合閘位置時渦卷彈簧被壓縮4.5圈(渦卷彈簧出力是壓縮5圈時的力矩31.7 N.m，2.5圈時是21.8 N.m，在這段區(qū)間力矩和圈數(shù)都為線性關(guān)系)，分閘過程中渦卷彈簧釋放150°。

圖2所示為本文利用ADAMS軟件建立的真空斷路器分閘仿真模型。

在建模過程中，在添加約束和施加載荷時需要注意以下幾點:

1)由于斷路器分閘過程中存在著很多的作用力，因此要注意這些作用力的正確施加。這些作用力包括渦卷彈簧的彈簧力、重力、滅弧室自閉力及摩擦力等。

2)虛擬傳感器的添加。觀察斷路器是否滿足要求，需要速度、行程，時間及主軸轉(zhuǎn)角等曲線來反映，所以這些測量變量的合理添加，直接影響仿真結(jié)果的輸出。

3)操動機構(gòu)中的約束關(guān)系包括固定約束、轉(zhuǎn)動約束、平移約束以及碰撞等。約束關(guān)系的添加要充分考慮實際操動機構(gòu)中可能存在的約束，遺漏任何一個約束關(guān)系都會嚴(yán)重影響輸出結(jié)果。

4)操動機構(gòu)中的零部件的形變在模型中通過改變?nèi)枪毡鄣淖儽葋硇拚?，能量損失用摩擦力損耗來抵消。

對利用ADAMS軟件建立的仿真模型進行仿真分析，獲得觸頭拉桿分閘位移一時間特性如圖3所示。其中a點處是超行程結(jié)束，是觸頭拉桿和動觸頭保持同步運動的起始點，6點是動觸頭運動6mm后的時間點，c點是a點后2 ms的時間點。在ADAMS軟件中可以計算出平均速度是1.62 m／s，同樣的方法測量a點和c點就計算出剛分速度l.48 m／s。

利用S—BT開關(guān)設(shè)備測試系統(tǒng)對樣機的分閘特性進行了測試。圖4所示為樣機的試驗測試結(jié)果。圖4中，a點對應(yīng)的位移量是3 mm，是超行程結(jié)束點，此處觸頭拉桿與動觸頭碰撞，是觸頭運動的起始點；b點是動觸頭運動6 mm后的時間點，c點是a點后2 ms的時間點。測試軟件可自動計算出平均分閘速度是1.44 m／s，以及剛分速度1.66 m／s。兩個參數(shù)均已超過前述觸頭平均速度及剛分速度的范圍，因此，需要進行優(yōu)化設(shè)計以使觸頭的分閘速度能夠滿足設(shè)計要求。從圖3與圖4結(jié)果的對比中可看出，仿真模型得到的分閘速度數(shù)據(jù)與實際樣機測試數(shù)據(jù)比較吻合，說明了仿真模型的正確性。

2 凸輪機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計

通過對斷路器分閘模型的仿真結(jié)果分析，可知通過改變凸輪曲線，或者通過改變凸輪轉(zhuǎn)角可降低觸頭分閘速度。凸輪的曲線及其修改如圖5所示。

為了研究凸輪曲線的變化對凸輪槽中的滾子的運動產(chǎn)生的影響，相應(yīng)的掌握對機構(gòu)運動的影響。保持凸輪轉(zhuǎn)動起始點位置不變，僅改變凸輪曲線，通過將修改后的曲線2應(yīng)用到仿真模型中。仿真結(jié)果表明凸輪曲線從l變到2后，斷路器分閘速度變小?？梢灶A(yù)見，應(yīng)用凸輪曲線3，斷路器分閘速度將更小。 通過這些比較，就可以對下一半凸輪虛線修改提供有用的指導(dǎo)。同理，通過將凸輪運動的起始點向逆時針方向移動，即圖5中將凸輪運動起始點從a點移到c點，相應(yīng)的分閘運動終點移到d點，可以縮短主軸轉(zhuǎn)動為分閘加速的能量。同時也縮短了凸輪加速時間，使得觸頭拉桿在行程結(jié)束的瞬時速度降低，這樣可以降低觸頭拉桿對動觸頭的沖擊，對提高斷路器操動機構(gòu)的壽命有很大的好處。當(dāng)然這也同時要考慮到斷路器反應(yīng)時間、分閘速度等要求。圖6所示的是凸輪在改變轉(zhuǎn)角后對觸頭拉桿速度的影響。曲線l未改變凸輪運動起始點，曲線2、3、4分別是凸輪運動起始點推后l0°、20°、30°后觸頭拉桿運動速度曲線。

從圖6中可以看出，凸輪運動起始點每推后10°可以使得觸頭分閘速度降低0.1m/s左右，轉(zhuǎn)動的角度越多分閘速度曲線越平緩?？紤]到固有分閘時間的要求，凸輪運動起始點不能提高太多，通過仿真分析確定凸輪運動起始點推后20°，然后修改凸輪曲線。經(jīng)過多次凸輪曲線的修改，最后確定采用圖5凸輪曲線2。

仿真結(jié)果如圖7所示，求得分閘平均速度是1.11 m／s，剛分速度是0.97 m／s。

3 凸輪優(yōu)化結(jié)果的試驗驗證

根據(jù)仿真得到的凸輪參數(shù)加工新凸輪，并裝配到斷路器中進行分閘試驗，結(jié)果如圖8所示。利用S—BT開關(guān)設(shè)備測試系統(tǒng)測試出平均分閘速度為1.19 m／s，剛分速度為0.94 m／s，與仿真結(jié)果較吻合。通過樣機分閘試驗，表明修改后的凸輪滿足設(shè)計要求。

4 結(jié)論

論文采用多體動力學(xué)仿真軟件ADAMS，針對某一型號真空斷路器，建立了ADAMS分閘仿真模型，對該斷路器樣機分閘過程進行了仿真分析。并通過試驗測試驗證了仿真模型的正確性。針對原樣機分閘特性不能滿足設(shè)計要求的實際情況，通過理論分析，對操動機構(gòu)中的凸輪進行優(yōu)化設(shè)計。論文在仿真研究凸輪曲線和凸輪運動起始點對觸頭分閘速度影響規(guī)律的基礎(chǔ)上，優(yōu)化了凸輪曲線。通過加工制作了新凸輪并裝配后，經(jīng)過分閘試驗，新樣機滿足了設(shè)計要求。