蔡筍，周展帆，孟凡剛，胡基才，賈俊峰，巫世晶

(1.廣東電網(wǎng)有限責任公司電力科學研究院，廣東 廣州 510080；2.武漢大學 動力與機械學院，湖北 武漢 430072)

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斷路器操動機構(gòu)虛擬樣機建模及其故障仿真

蔡筍1，周展帆2，孟凡剛2，胡基才2，賈俊峰2，巫世晶2

(1.廣東電網(wǎng)有限責任公司電力科學研究院，廣東 廣州 510080；2.武漢大學 動力與機械學院，湖北 武漢 430072)

為研究彈簧疲勞失效對操動機構(gòu)運動過程的影響，根據(jù)VS1型高壓斷路器彈簧操動機構(gòu)分合閘運動原理，對操動機構(gòu)進行結(jié)構(gòu)簡化并建立相應的虛擬樣機模型，對比分析仿真結(jié)果及斷路器主要機械技術(shù)參數(shù)要求以驗證模型的準確性。運用機械系統(tǒng)自動動力學分析軟件(AutomaticDynamicAnalysisofMechanicalSystem，ADAMS)仿真分析了合閘彈簧剛度不足時機構(gòu)的運動情況，仿真結(jié)果表明，彈簧剛度嚴重不足將導致機構(gòu)合閘困難甚至無法合閘。

斷路器；彈簧操動機構(gòu)；虛擬樣機建模；合閘彈簧；故障仿真

電力系統(tǒng)中，廣泛使用的3kV及以上斷路器統(tǒng)稱為高壓斷路器，它能直接控制線路的運行與退出，并可快速切斷故障線路，是保障電網(wǎng)系統(tǒng)正常可靠運行的控制與保護裝置[1]。高壓斷路器性能的優(yōu)劣程度、分合閘動作的可靠性直接決定了電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定。在斷路器本體以外的機械操動裝置稱為操動機構(gòu)[2]，斷路器操動機構(gòu)是高壓斷路器的核心元件，動靜觸頭的分合動作就是靠操動機構(gòu)來帶動的，操動機構(gòu)性能的好壞直接關系到斷路器的使用性能。據(jù)統(tǒng)計，高壓斷路器的事故中，操動機構(gòu)故障占全部故障的64.8%，其中操動機構(gòu)機械故障占全部故障的43.8%，操動機構(gòu)儲能元件彈簧疲勞失效是導致機構(gòu)故障的原因之一。彈簧是斷路器的動力源與儲能元件，并在機構(gòu)合閘時作為合閘緩沖器對絕緣拉桿進行運動緩沖，保證機構(gòu)運動的平穩(wěn)性與準確性，因此，研究彈簧疲勞導致的斷路器故障問題具有重要意義。

本文應用機械系統(tǒng)動力學自動分析(automaticdynamicanalysisofmechanicalsystem，ADAMS)軟件虛擬樣機試驗仿真技術(shù)，建立了VS1型固封式戶內(nèi)高壓真空斷路器彈簧操動機構(gòu)的虛擬樣機模型，對正常模型進行了運動學仿真，并仿真分析了彈簧疲勞導致儲能不足時斷路器分合閘動作的準確性。

1　真空斷路器彈簧操動機構(gòu)虛擬樣機模型的建立

1.1操動機構(gòu)的組成及模型簡化

彈簧操動機構(gòu)是用電動機或手動方式驅(qū)動儲能機構(gòu)使彈簧儲能，利用彈簧釋放的能量對斷路器進行分、合閘操作的機械式操動機構(gòu)。它的主要部分為儲能機構(gòu)、傳動調(diào)節(jié)機構(gòu)、緩沖部分與合分閘鎖扣脫扣部分。

電動機通過減速裝置和儲能機構(gòu)的動作使合閘彈簧儲存機械能，儲能完畢后通過合閘閉鎖裝置使彈簧保持在儲能狀態(tài)并切斷電動機電源[3]。當接收到合閘信號時，合閘閉鎖裝置被解脫以釋放彈簧儲存的能量。此能量一部分通過傳動機構(gòu)使斷路器的動觸頭動作，完成合閘操作；另一部分則通過傳動機構(gòu)使分閘彈簧與觸頭彈簧儲能，為分閘狀態(tài)做準備。當接受到分閘信號的時候，自由脫扣裝置被解脫以釋放分閘彈簧儲存的能量，并使觸頭進行分閘動作[4]。

由以上分析可知，儲能機構(gòu)僅提供裝置合閘時的能量，不參與分合閘運動，故在實體建模時將其簡化；合閘閉鎖裝置在仿真模型中僅用以確定儲能軸與凸輪的初始位置，不參與運動，在實體建模中通過裝配確定其相互位置關系后，可將之刪除；緩沖裝置包括觸頭彈簧與油緩沖器，油緩沖器僅作用于分閘階段，在仿真建模時，直接按照幾何尺寸和油的性質(zhì)對油緩沖器建模，是很復雜也是很困難的，為此采用簡化的方法，即通過等效阻力系數(shù)與油緩沖器撞桿運動速度的乘積建立等效模型，因此無需建立緩沖器實體模型；對操動機構(gòu)建模時，分合閘彈簧與觸頭彈簧可直接在虛擬樣機模型中添加，而無需在實體建模中再表示出來[5]。彈簧操動機構(gòu)簡化后的實體建模如圖1所示。

圖1　操動機構(gòu)簡化模型

斷路器彈簧操動機構(gòu)運動簡圖如圖2所示。

圖2　彈簧操動機構(gòu)運動簡圖

簡化后的模型主要由凸輪連桿機構(gòu)與彈簧組成，其中連桿機構(gòu)可分為2個四連桿機構(gòu)Ⅰ和Ⅱ，它們在O3處的夾角固定不變。通過電機或手動對真空斷路器合閘彈簧OA進行儲能，合閘時合閘彈簧通過拐臂O1A帶動凸輪經(jīng)四連桿機構(gòu)O2BCO3、O3DEO4推動絕緣拉桿向上運動，使斷路器合閘，同時連桿機構(gòu)的運動實現(xiàn)了對分閘彈簧與合閘緩沖器觸頭彈簧的儲能；分閘時分閘彈簧與觸頭彈簧儲存的能量被釋放，迫使連桿EF順時針轉(zhuǎn)動，拉動絕緣拉桿向下運動以實現(xiàn)分閘操作。

1.2ADAMS虛擬樣機建模

ADAMS軟件是目前世界范圍內(nèi)使用最廣泛的多體系統(tǒng)分析軟件，其建模仿真的精度和可靠性在目前所有的動力學分析軟件中名列前茅[6]。操動機構(gòu)機械系統(tǒng)復雜，構(gòu)件眾多，相互之間的約束也多，因而按傳統(tǒng)方法建立其動力學方程組，再用數(shù)值求解的方法求解較困難。可應用虛擬樣機建模技術(shù)建立操動機構(gòu)的分閘模型和合閘模型，建模時不考慮構(gòu)件鉸鏈之間的間隙和構(gòu)件之間的摩擦力，各個運動副均視為剛性連接。彈簧操動機構(gòu)建模流程仿真如圖3所示。

圖3　彈簧操動機構(gòu)建模仿真流程

其具體過程為：

a)在實體建模中建立彈簧操動機構(gòu)的三維簡化實體模型，將其調(diào)整到運動初始狀態(tài)并另存為x_t格式文件導入ADAMS中，并設置ADAMS的工作環(huán)境。

b)在ADAMS中對導入的模型進行實體編輯，把相互之間沒有相對運動的構(gòu)件布爾并在一起，減少樣機最后的構(gòu)件數(shù)目，并對簡化后的模型構(gòu)件重命名，定義材料屬性。

c)對模型中的構(gòu)件添加約束，以限制和定義各零件的位置和運動，模擬機械的實際運行狀況。在虛擬樣機傳動機構(gòu)建模中，主要施加固定副、旋轉(zhuǎn)副、移動副3種約束。在底座上施加固定副使之與大地固結(jié)起來、在各鉸接處施加旋轉(zhuǎn)副、同時需在動觸頭上施加移動副。對于虛約束，主要在模型的絕緣拉桿上添加了3個虛約束，使拉桿沿豎直方向運動。

d)在模型中定義接觸并施加載荷。傳動機構(gòu)為凸輪連桿機構(gòu)，凸輪和滾子之間存在接觸；在動靜觸頭分合閘過程中，需在動靜觸頭之間、動觸頭與絕緣拉桿之間定義接觸；在脫扣機構(gòu)掣子軸與底座、掣子與掣子軸、拐臂與掣子之間，也需添加接觸使機構(gòu)能夠保持合閘。在模型中施加的力主要為彈簧力，包括壓縮、拉伸彈簧與扭簧，其中分合閘彈簧為拉簧，觸頭彈簧為壓簧。為了在分合閘過程中脫扣機構(gòu)能夠盡快復位，在掣子軸與底座、掣子與掣子銷上添加了2個扭簧[7]，各彈簧尺寸和參數(shù)見表1。

e)為了方便觀測結(jié)果，還需要對模型定義“測量”，以便在仿真運行后，進入后處理模塊查看仿真和測量的結(jié)果。

表1　彈簧的尺寸與參數(shù)設置

利用ADAMS建立的VS1型固封式戶內(nèi)高壓真空斷路器彈簧操動機構(gòu)虛擬樣機分合閘仿真模型如圖4所示，其主要機械技術(shù)參數(shù)見表2。

(a)合閘裝配正視圖

(b)分閘裝配正視圖圖4　彈簧操動機構(gòu)分合閘仿真模型

表2斷路器主要機械技術(shù)參數(shù)

項目名稱參數(shù)值觸頭開距/mm9±1超行程/mm3.5±0.5平均分閘速度(剛分后75%開距)/(m·s-1)1.2±0.2平均合閘速度(剛合前30%開距)/(m·s-1)0.6±0.2合閘時間(額定操作電壓)/ms38±3.8分閘時間(額定操作電壓)/ms25±2.5

注：額定操作順序為O-0.3s-CO-180s-CO，其中C代表一次合閘，O代表一次分閘，CO代表一次合閘后立即執(zhí)行分閘，0.3s和180s為自動分合閘的無電流時間。

2　模型仿真及結(jié)果輸出

2.1正常分合閘模型仿真分析

建模仿真時，為了提高仿真結(jié)果的準確性，除了需要建立準確的虛擬樣機模型模擬機構(gòu)的實際運動外，對求解器參數(shù)的設置也是至關重要的。在仿真過程中，如果出現(xiàn)雅可比矩陣奇異或矩陣的結(jié)構(gòu)奇異，則數(shù)值發(fā)散，ADAMS軟件顯示為仿真失敗，這時需檢查系統(tǒng)模型(特別是運動機構(gòu)的位置鎖死點以及約束的類型)，或重新設置時間步長、系統(tǒng)阻尼、數(shù)值積分程序中的控制參數(shù)等[8]。彈簧操動機構(gòu)虛擬樣機模型仿真參數(shù)的設置包括求解器類型、收斂誤差及分析類型、仿真時間、載荷步數(shù)的設置。

分別通過仿真計算得到操動機構(gòu)在合閘、分閘過程中絕緣拉桿位移速度和時間之間的關系，如圖5、圖6所示。

圖5　絕緣拉桿合閘速度位移曲線

圖6　絕緣拉桿分閘速度位移曲線

圖5中，凸輪運動了4ms后才與滾子碰撞，碰撞瞬間將絕緣拉桿從靜止加速到速度0.3m/s，之后凸輪推動滾子與連桿運動，運行24ms后脫扣機構(gòu)作用使斷路器保持合閘，之后絕緣拉桿位移不變。圖6中，最初超行程階段觸頭彈簧起主要作用，在斷路器解脫脫扣裝置后使絕緣拉桿與動觸頭有較大的剛分速度；之后分閘彈簧起主要作用，使絕緣拉桿保持一定速度運動至油緩沖器動作，這時速度曲線呈下降趨勢，分閘運動進入緩沖階段，位移曲線變?yōu)槠椒€(wěn)。2條位移曲線反映了機構(gòu)分合閘時的運動過程，其中絕緣拉桿行程為12.2mm，合閘最大速度為1m/s，分閘最大速度為1.5m/s，滿足斷路器機械技術(shù)參數(shù)要求，虛擬樣機模型具有一定的準確性。

2.2斷路器故障模型仿真分析

本文所研究的斷路器故障，是指由于彈簧疲勞失效導致的斷路器分合閘運動故障。合閘彈簧疲勞的一種典型情況是彈簧剛度減小[9]，模型仿真分析時，將合閘彈簧剛度定義為設計變量，采用ADAMS的“設計研究”(designstudy)仿真模擬彈簧疲勞時的合閘運動過程，研究合閘彈簧剛度不足對機構(gòu)合閘運動的影響[10]。合閘彈簧不同剛度系數(shù)k下的機構(gòu)合閘位移與速度曲線如圖7、圖8所示。

圖7　不同彈簧剛度下合閘位移曲線

圖8　不同彈簧剛度下合閘速度曲線

合閘彈簧剛度不足，會導致彈簧儲能減少，合閘操作功隨之減少。由圖7、圖8的仿真計算結(jié)果可知，合閘彈簧k為8時，合閘時間需33.6ms，合閘速度峰值為0.99m/s；k為7時，合閘時間需37ms，合閘速度峰值為0.91m/s；k為6時，合閘時間需45ms，合閘速度峰值為0.82m/s；k為5時，合閘速度峰值為0.71m/s，操動機構(gòu)已無法合閘。隨著剛度的減小，合閘所需時間將大大增加，k為7或8時仍能滿足要求，但當其降低為5或6時，其合閘時間已超出表2所規(guī)定的技術(shù)參數(shù)范圍，致使機構(gòu)出現(xiàn)故障。同時根據(jù)速度的變化趨勢可以看出：隨著彈簧剛度的減小，合閘速度的峰值慢慢減小，尤其是k由6降低為5時，合閘的速度大為降低，合閘時間大幅度延長。由以上分析可知：操動機構(gòu)對合閘彈簧的剛度變化具有一定的容錯性，但隨著其剛度值的減小，操動機構(gòu)運動特性對剛度的變化更為敏感。

3　結(jié)束語

本文針對真空斷路器彈簧操動機構(gòu)做了如下建模與仿真研究：

a)基于ADAMS軟件平臺，對VS1型固封式戶內(nèi)高壓真空斷路器彈簧操動機構(gòu)進行了動力學仿真分析，通過對比仿真分析結(jié)果與該型斷路器技術(shù)參數(shù)，表明仿真模型能夠有效地反映實際機構(gòu)的動力學響應，所采用的研究方法可為操動機構(gòu)的優(yōu)化設計與可靠運行提供參考。

b)仿真分析研究了彈簧疲勞失效時機構(gòu)的運動學性能，當彈簧剛度系數(shù)由8減小到5時，合閘速度峰值由0.99m/s降低為0.71m/s，合閘時間由33.6ms變?yōu)闊o法合閘，通過其變化趨勢可知，雖然操動機構(gòu)對彈簧剛度變化具有一定的容錯性，但隨著剛度值減小，機構(gòu)運動參數(shù)對剛度變化的敏感度提高。

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(編輯霍鵬)

ModelingforVirtualPrototypeofBreakerOperatingMechanismandItsFaultSimulation

CAISun1,ZHOUZhanfan2,MENGFangang2,HUJicai2,JIAJunfeng2,WUShijing2

(1.ElectricPowerResearchInstituteofGuangdongPowerGridCo.,Ltd.,Guangzhou,Guangdong510080,China; 2.SchoolofPowerandMechanicalEngineering,WuhanUniversity,Wuhan,Hubei430072,China)

Inordertostudyinfluenceonmovementcourseofoperatingmechanismbyfatiguefailureofspring,thispaperintroducesstructuresimplificationoftheoperatingmechanismandestablishmentofrelevantvirtualprototypemodelaccordingtoopening/closingoperationsmovementprinciples.Italsocomparesandanalyzessimulationresultsandmainmechanicaltechnicalparametersofthebreakertoverifyveracityofthemodel.ItappliesAutomaticDynamicAnalysisofMechanicalSystem(ADAMS)softwaretoanalyzemovementofthemechanismduetolackofstiffnessofclosingspring.Simulationresultsindicatethatseriouslackofstiffnessofthespringwillcausedifficultyinmechanismclosingorfailureinswitch-off.

breaker;springoperatingmechanism;virtualprototypemodeling;closingspring;faultsimulation

2016-04-11

10.3969/j.issn.1007-290X.2016.07.015

TM56

A

1007-290X(2016)07-0078-05

蔡筍(1984)，女，江西廬山人。工程師，工學碩士，主要從事故障診斷、運行優(yōu)化與機網(wǎng)協(xié)調(diào)方向的研究工作。

周展帆(1993)，女，湖南長沙人。在讀碩士研究生，主要研究方向為機械設計及理論。

孟凡剛(1988)，男，河北清苑人。在讀博士研究生，主要研究方向為機械動力學。

科研項目：中國南方電網(wǎng)有限責任公司科技項目(GDKJ00000031)