魏明明，鄭雪欽，楊長(zhǎng)洲,易榮先

(1.廈門理工學(xué)院電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福建 廈門 361024；2.ABB(中國(guó))有限公司廈門分公司，福建 廈門 361006)

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基于ADAMS的新型PT保護(hù)裝置快速脫扣機(jī)構(gòu)

魏明明1，鄭雪欽1，楊長(zhǎng)洲2,易榮先1

(1.廈門理工學(xué)院電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福建 廈門 361024；2.ABB(中國(guó))有限公司廈門分公司，福建 廈門 361006)

基于SOLIDWORKS建立新型PT保護(hù)裝置快速電磁脫扣機(jī)構(gòu)模型，并在機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)自動(dòng)分析(automaticdynamicanalysisofmechanicalsystem，ADAMS)中建立快速脫扣機(jī)構(gòu)虛擬樣機(jī)，通過對(duì)虛擬樣機(jī)進(jìn)行理論力學(xué)分析、動(dòng)力學(xué)仿真，得到快速脫扣機(jī)構(gòu)在臨界脫扣時(shí)預(yù)壓緊彈簧力與分閘力的關(guān)系曲線，發(fā)現(xiàn)小的預(yù)壓彈簧力(20N)需要大分閘力(60N)才能脫扣.樣機(jī)脫扣實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了此種關(guān)系.此機(jī)構(gòu)有效節(jié)省了整體裝置因復(fù)雜連桿機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的成本.

快速脫扣機(jī)構(gòu)；預(yù)壓緊彈簧；PT保護(hù)；三維建模；ADAMS仿真

10kV配電網(wǎng)系統(tǒng)直接關(guān)系著電力用戶的切身安全，其安全性、可靠性、穩(wěn)定性至關(guān)重要.電壓互感器作為系統(tǒng)中重要的測(cè)量與監(jiān)控設(shè)備，為系統(tǒng)的安全與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供了保障[1].目前，系統(tǒng)中通常采取在電壓互感器一次側(cè)串聯(lián)熔絲的方式，以保護(hù)電壓互感器內(nèi)部故障或與系統(tǒng)連接線的故障.熔絲故障電流快速熔斷特性很好地保障了電壓互感器在故障電流時(shí)能夠快速切除，以保證電壓互感器自身和系統(tǒng)不受影響.然而，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，隨著系統(tǒng)容量不斷增大，用于保護(hù)電磁式電壓互感器的熔絲經(jīng)常發(fā)生不動(dòng)作或是熔絲出現(xiàn)異常熔斷現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致電壓互感器的燒毀，對(duì)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)可靠運(yùn)行帶來(lái)極大的威脅[2-4].

雖然熔絲結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但熔斷器的單次開斷特性帶來(lái)的頻繁更換將造成不同程度的停電事故，且熔斷器熔絲更換麻煩，價(jià)格昂貴.熔斷器開斷過程容易影響環(huán)境，嚴(yán)重時(shí)甚至發(fā)生爆炸事故.因此有必要研究設(shè)計(jì)一套新的保護(hù)裝置以實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓互感器的有效、多次、可靠開斷保護(hù).本文通過SOLIDWORKS建立了PT新型保護(hù)裝置快速脫扣機(jī)構(gòu)的3D模型，在ADAMS中建立了新型PT保護(hù)裝置虛擬樣機(jī)型，并對(duì)脫扣裝置進(jìn)行了力學(xué)分析和動(dòng)力學(xué)仿真，為PT新型保護(hù)裝置設(shè)計(jì)提供了一定的理論依據(jù).

1 新型保護(hù)裝置建模

所設(shè)計(jì)電壓互感器一次側(cè)新型保護(hù)裝置參考模型如圖1所示，它主要由真空滅弧室、快速電磁脫扣機(jī)構(gòu)和保護(hù)對(duì)象電壓互感器構(gòu)成.

所設(shè)計(jì)的快速電磁脫扣機(jī)構(gòu)如圖2所示，勵(lì)磁線圈串聯(lián)在電壓互感器一次回路中，當(dāng)PT一次高壓側(cè)出現(xiàn)電流過大時(shí)，電磁線圈在機(jī)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生磁通，電磁滑塊在此磁通作用下受到電磁吸力向下壓縮彈簧運(yùn)動(dòng)，脫扣小球因受到電磁滑塊預(yù)壓力減小而釋放分閘拉桿，完成分閘操作.

2 新型保護(hù)裝置的電磁脫扣機(jī)構(gòu)理論力學(xué)分析

在電磁脫扣裝置處于閉合狀態(tài)時(shí)，機(jī)構(gòu)內(nèi)各元件應(yīng)處于靜態(tài)平衡位置，因此可對(duì)各機(jī)構(gòu)原件進(jìn)行靜態(tài)受力分析.初始條件及各參數(shù)設(shè)定：分閘拉桿分閘力F分，預(yù)壓彈簧預(yù)壓力F預(yù)，觸頭自閉力F自閉，動(dòng)觸頭重力G動(dòng)，分閘拉桿重力G分，小球、電磁滑塊重力G球、G滑，小球?qū)瓧U的作用力F1～F6，小球?qū)涨坏淖饔昧7，小球?qū)﹄姶呕瑝K的作用力F8，規(guī)定作用力與反作用力均取F′.

2.1 分閘拉桿受力分析

電磁脫扣機(jī)構(gòu)在合閘位置時(shí)靜態(tài)受力分析如圖3所示.

由拉桿處于靜態(tài)平衡位置分析可知，其在X、Y軸方向上受力處于平衡，且由對(duì)稱性可知，6個(gè)小球在X軸分力相互抵消，合力為零，所以在Y軸方向上有：

(1)

式中，θ1為小球?qū)瓧U作用力與Y軸方向夾角.因此由式(1)可得：

(2)

2.2 電磁滑塊受力分析

在Y軸方向上有：

(3)

即：

(4)

2.3 小球受力分析

X軸方向：

(5)

Y軸方向上：

(6)

式中，θ3為空腔作用點(diǎn)與小球球心連線與Y軸的夾角，可通過實(shí)際機(jī)構(gòu)模型測(cè)量得到.將式(5)代入式(6)消去F7可得：

(7)

再將式(4)代入式(7)可得：

(8)

聯(lián)立式(6)、式(8)可得：

(9)

代入脫扣小球和電磁滑塊重力G球=0.05 N、G滑=0.4N、F保持=150 N、F分=300N，可得裝置保證合閘所需預(yù)壓緊力為：

(10)

因此可以由式(10)計(jì)算得到不同分閘力情況下脫扣裝置保證合閘所需預(yù)壓緊力值，如表1所示.

表1 不同分閘力下裝置合閘所需預(yù)壓緊力

3 電磁脫扣裝置ADAMS仿真分析

為了仿真得到電磁脫扣裝置在合閘狀態(tài)預(yù)壓彈簧力和分閘彈簧力的關(guān)系，將SOLIDWORKS模型導(dǎo)入到ADAMS中，并設(shè)置相關(guān)材料及約束關(guān)系，建立起電磁脫扣裝置的虛擬樣機(jī)[5-7]，其模型如圖4所示.

為了保證PT新型保護(hù)裝置在正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)能夠可靠地閉合，對(duì)所設(shè)計(jì)的初始分閘彈簧預(yù)壓力，需匹配相應(yīng)的初始預(yù)壓緊彈簧預(yù)壓力，彈簧勁度設(shè)置為10N/mm，初始預(yù)壓力設(shè)置為150N.通過仿真求解脫扣裝置能夠保持鎖扣狀態(tài)下預(yù)壓彈簧預(yù)壓值.通過參考預(yù)壓彈簧力理論計(jì)算值，仿真得到脫扣機(jī)構(gòu)臨界動(dòng)作所需預(yù)壓力.當(dāng)設(shè)置預(yù)壓緊彈簧預(yù)壓力為75N時(shí)，勁度系數(shù)設(shè)置為5N/mm，仿真得到動(dòng)觸頭速度和位移曲線如圖5所示.

圖5中，當(dāng)分閘彈簧力設(shè)置為150N，預(yù)壓緊力設(shè)置為75N時(shí)，動(dòng)觸頭在5ms時(shí)速度明顯增大，且在15ms左右時(shí)速度達(dá)到最大值1.8m/s.同時(shí)，動(dòng)觸頭位移不斷增大，在大約25ms時(shí)保持不變，說(shuō)明完成脫扣動(dòng)作.當(dāng)繼續(xù)增大預(yù)壓緊彈簧力至80N時(shí)，仿真結(jié)果如圖6所示，從圖6中可以看出，在仿真剛開始時(shí)，動(dòng)觸頭速度和位移出現(xiàn)微小變化，說(shuō)明此時(shí)動(dòng)觸頭在分閘力作用下出現(xiàn)輕微震動(dòng)，但后面觸頭速度幾乎為零，位移幾乎不變，說(shuō)明在80N預(yù)壓力下，分閘力為150N時(shí)無(wú)法完成脫扣動(dòng)作.

為了能夠得到分閘彈簧預(yù)壓力和預(yù)壓彈簧預(yù)壓力的關(guān)系，通過在仿真過程中設(shè)置不同預(yù)壓彈簧力的值，得到裝置臨界脫扣狀態(tài)時(shí)所需分閘彈簧預(yù)壓力值.同時(shí)為了能夠更加清楚了解不同預(yù)壓彈簧勁度系數(shù)對(duì)脫扣特性的影響，分別進(jìn)行了兩組不同預(yù)壓彈簧勁度仿真，所得結(jié)果如圖7所示.

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了得到PT新型保護(hù)裝置在正常工作作態(tài)時(shí)預(yù)壓緊彈簧力與分閘彈簧力的關(guān)系，需對(duì)電磁脫扣裝置[8-9]進(jìn)行臨界脫扣驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，裝配好的脫扣裝置如圖8所示.圖8(a)為預(yù)壓裝置實(shí)物圖，圖8(b)為將預(yù)壓裝置裝入后實(shí)物圖.

利用DTL-彈簧抗壓強(qiáng)度測(cè)試儀對(duì)所購(gòu)兩種不同規(guī)格預(yù)壓緊彈簧勁度系數(shù)K1、K2和分閘彈簧勁度系數(shù)K3進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量方法為利用彈簧拉力在垂直方向拉預(yù)壓緊彈簧，并記錄不同壓縮量下彈簧拉力計(jì)的值，結(jié)果如表2所示.由表2中所測(cè)數(shù)據(jù)可以得到：K1=1.86 N/mm，K2=2.32N/mm，K3=7.56 N/mm.

表2 彈簧勁度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

表3 預(yù)壓開斷實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

通過對(duì)電磁脫扣裝置理論分析、動(dòng)力學(xué)仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果繪制曲線(如圖8所示).可以看到，相同預(yù)壓緊力下，實(shí)驗(yàn)所得脫扣所需分閘力相對(duì)較大，與仿真和理論分析結(jié)果之間存在較大差值.造成這一原因可能是因?yàn)榱悴考叽巛^小，尤其是電磁空腔內(nèi)小球接觸處尺寸較為精細(xì)，在進(jìn)行加工過程中可能存在小瑕疵，造成脫扣更困難，即增大脫扣所需分閘力.同時(shí)通過觀察兩組仿真曲線結(jié)果，可以看到預(yù)壓緊彈簧勁度對(duì)于裝置的脫扣性能影響不大.

5 結(jié)論

本文通過SOLIDWORKS建立了PT新型保護(hù)裝置快速脫扣機(jī)構(gòu)3D模型，并在ADAMS中建立了新型PT保護(hù)裝置虛擬樣機(jī)型，通過對(duì)脫扣裝置理論力學(xué)分析，實(shí)現(xiàn)了脫扣裝置的動(dòng)力學(xué)仿真，得到了脫扣裝置在不同預(yù)壓彈簧力作用下所需分閘彈簧力，并通過對(duì)樣機(jī)進(jìn)行脫扣實(shí)驗(yàn)得到相關(guān)數(shù)據(jù).最后，通過對(duì)比理論分析、仿真和實(shí)驗(yàn)所得結(jié)果，確定滿足要求的分閘彈簧力和保證裝置不脫扣所需的預(yù)壓緊力，為PT新型保護(hù)裝置設(shè)計(jì)提供了依據(jù).

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(責(zé)任編輯 雨 松)

A Fast Trip Actuator for a New PT Protector Based on ADAMS

WEI Mingming1，ZHENG Xueqin1，YANG Changzhou2，YI Rongxian1

(1.SchoolofElectricalEngineeringandAutomation，XiamenUniversityofTechnology,Xiamen361024，China;2.ABBChina，XiamenBranch，Xiamen361006，China)

AfastelectromagnetictrippingmechanismofnewPTprotectiondevicewasmodeledbasedonSOLIDWORKS，andavirtualprototypeofitestablishedinADAMS(automaticdynamicanalysisofmechanicalsystem).Byanalyzingthetheoreticalmechanicsanddynamicsimulationofthevirtualprototype，therelationshipcurvebetweenthepreloadspringforceandtheopeningforcewasacquired.Itwasconcludedthatasmallpreloadspringforce(20N)needsalargebrakeforce(60N)torelease.AreleaseexperimentVerifiesthatthenewmechanismcancouldreducethecostforcomplexlinkagefortheentiredevice.

fastactuator；preloadspring;PTprotection;3Dmodelling;ADAMSsimulation

2016-05-26

2016-08-24

魏明明(1990-)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)楦唠妷杭夹g(shù)與絕緣.通訊作者：鄭雪欽(1975-)，女，副教授，博士，研究方向?yàn)殡姍C(jī)控制及電力電子技術(shù)應(yīng)用.E-mail:zhengxq219@163.com

TM451;TP

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1673-4432(2016)05-0030-06