黎小峰，巫世晶，李小勇,2，趙燈，李巧全，李星

(1.武漢大學(xué)水射流理論與新技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢，430072；2.武漢大學(xué)蘇州研究院，江蘇蘇州，215123；3.烽火通信科技股份有限公司，湖北武漢，430205)

高壓斷路器是高壓電力輸送體系中重要的控制和保護(hù)設(shè)備，其主要功能是在收到控制信號(hào)時(shí)及時(shí)可靠地分合閘動(dòng)作，完成電路的切斷和接通，其運(yùn)行狀態(tài)直接影響整個(gè)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性[1]。高壓斷路器在分合高壓線路時(shí)，動(dòng)靜觸頭間會(huì)產(chǎn)生高溫高壓電弧。如果分合閘時(shí)間長(zhǎng)于斷路器分合閘安全操作技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，或在規(guī)定時(shí)間內(nèi)動(dòng)、靜觸頭分合不徹底，會(huì)造成觸頭熔焊，線路燒毀等故障。高壓斷路器分合閘動(dòng)作由內(nèi)部的操動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)，按照動(dòng)力源的不同可分為電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)、彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)、氣動(dòng)操動(dòng)機(jī)構(gòu)及液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)等。其中彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)因其操作靈活，不存在漏油和漏氣等優(yōu)點(diǎn)，在10～35 kV 電壓等級(jí)的高壓斷路器中被廣泛采用[2]。作為彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)核心部件的分合閘彈簧為斷路器的分合閘運(yùn)動(dòng)提供驅(qū)動(dòng)力，其性能關(guān)系到斷路器分合閘動(dòng)作可靠性[3-4]。高壓斷路器一般只在線路故障以及檢修時(shí)才進(jìn)行分合閘動(dòng)作，其操動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)作不頻繁甚至常年不動(dòng)。分合閘彈簧長(zhǎng)期處于靜止的伸長(zhǎng)狀態(tài)，會(huì)發(fā)生過(guò)程緩慢且難以被直觀監(jiān)測(cè)的應(yīng)力松弛現(xiàn)象，致使彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)力不足，最終導(dǎo)致斷路器無(wú)法正常分合閘動(dòng)作，嚴(yán)重影響電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。高壓斷路器分合閘的滅弧過(guò)程對(duì)動(dòng)觸頭速度要求極高，而應(yīng)力松弛將導(dǎo)致彈簧彈性消退，降低分合閘操動(dòng)功，給分合閘運(yùn)動(dòng)帶來(lái)不利影響[5]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)對(duì)比合金試件在蠕變前后的微觀金相組織結(jié)構(gòu)以及金屬微觀組織在蠕變過(guò)程中的演變規(guī)律，對(duì)蠕變和應(yīng)力松弛的機(jī)理展開(kāi)了深入研究[6-9]。根據(jù)以往的研究，蠕變是材料內(nèi)部位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)及重新排列，使得組織趨向于均勻化、穩(wěn)定化的過(guò)程，且呈現(xiàn)三階段特征[10-12]。封先河[13]將蠕變過(guò)程中的可動(dòng)位錯(cuò)視為獲得足夠能量的活化粒子，從能量的角度推導(dǎo)了彈簧的蠕變動(dòng)力學(xué)方程，并對(duì)所研究彈簧壽命進(jìn)行了評(píng)估。所推導(dǎo)的彈簧蠕變動(dòng)力學(xué)方程中的未知參數(shù)較多，需要通過(guò)多組不同溫度下的彈簧蠕變?cè)囼?yàn)才能最終確定，限制了其使用。應(yīng)力松弛機(jī)理與蠕變微觀機(jī)理相同，但表現(xiàn)形式不同，應(yīng)力松弛是固定形變條件下應(yīng)力降低，蠕變是高應(yīng)力條件下部分彈性應(yīng)變轉(zhuǎn)變?yōu)椴豢苫謴?fù)變形的形變過(guò)程，二者數(shù)值可以相互轉(zhuǎn)換，亦有學(xué)者深入研究了應(yīng)力松弛和蠕變之間的數(shù)值轉(zhuǎn)換關(guān)系，指出了通過(guò)短期應(yīng)力松弛試驗(yàn)數(shù)據(jù)獲得彈簧蠕變本構(gòu)模型中未知參數(shù)的方法[14-17]。國(guó)外有學(xué)者建立了彈簧的應(yīng)力松弛有限元模型，并對(duì)影響應(yīng)力松弛速率的溫度、載荷、材料等因素展開(kāi)了進(jìn)一步研究[18-19]。以上研究者多采用試驗(yàn)研究手段，對(duì)應(yīng)力松弛與蠕變的發(fā)生機(jī)理、影響因素以及二者之間的數(shù)值轉(zhuǎn)換進(jìn)行了研究，而關(guān)于彈簧應(yīng)力松弛對(duì)高壓斷路器分合閘運(yùn)動(dòng)的影響研究較少。有研究者通過(guò)仿真研究指出，分合閘彈簧是高壓斷路器機(jī)械故障的敏感因素，彈簧應(yīng)力松弛對(duì)高壓斷路器分合閘運(yùn)動(dòng)特性的影響不可忽略[20]。本文作者選用Norton蠕變本構(gòu)模型研究ZN12型高壓斷路器分合閘彈簧的應(yīng)力松弛問(wèn)題。該本構(gòu)模型忽略溫度對(duì)蠕變速率的影響，未知參數(shù)較少，適合于戶內(nèi)高壓斷路器分合閘彈簧的研究。通過(guò)短期應(yīng)力松弛試驗(yàn)獲得本構(gòu)模型中的未知參數(shù)，并求解彈簧服役后期的應(yīng)力松弛結(jié)果。最后采用機(jī)械動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS研究分合閘彈簧應(yīng)力松弛對(duì)該型斷路器分合閘運(yùn)動(dòng)特性的影響。

1 斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)介

ZN12 型高壓真空斷路器為三相交流50 Hz 的戶內(nèi)高壓開(kāi)關(guān)，具有開(kāi)斷能力強(qiáng)和操作功能齊全等優(yōu)點(diǎn)，在電力系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。圖1所示為該型高壓斷路器的某一相彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖，該彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)由一組多連桿機(jī)構(gòu)和分合閘彈簧組成，連桿之間通過(guò)鉸接副連接(圖1中A，B，C，D，E，F(xiàn)和G處)。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)內(nèi)安裝有3種不同尺寸圓柱螺旋彈簧，分別為合閘彈簧、分閘彈簧和觸頭彈簧，彈簧材料均為60Si2Mn。其中觸頭彈簧為壓縮彈簧，僅起到緩沖作用，不作為本文的研究重點(diǎn)。本文所研究的分合閘彈簧均為拉伸彈簧，彈簧參數(shù)如表1所示。

表1 ZN12高壓斷路器彈簧基本參數(shù)Table 1 Basic parameters of spring for ZN12 high voltage circuit breaker

高壓斷路器在收到合閘信號(hào)時(shí)，處于伸長(zhǎng)狀態(tài)的合閘彈簧10釋放并帶動(dòng)凸輪1順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。凸輪撞擊連桿2；連桿2 在受拉凸輪1 的作用下，通過(guò)連桿機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)，驅(qū)動(dòng)動(dòng)觸頭向上運(yùn)動(dòng)，最終與靜觸頭9抱合完成合閘動(dòng)作。同理，高壓斷路器在收到分閘信號(hào)時(shí)，伸長(zhǎng)狀態(tài)的分閘彈簧11 釋放，驅(qū)動(dòng)下拐臂順時(shí)針旋轉(zhuǎn)；動(dòng)觸頭8 向下運(yùn)動(dòng)促使動(dòng)觸頭8 和靜觸頭9分離完成分閘動(dòng)作。

圖1 ZN12型高壓斷路器彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)原理圖Fig.1 Schematic diagram of spring operating mechanism ofhigh voltage circuit breaker

2 斷路器仿真模型建立與驗(yàn)證

2.1 仿真模型建立

對(duì)于簡(jiǎn)單機(jī)構(gòu)如四連桿機(jī)構(gòu)和曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，基于牛頓定理和拉格朗日方程，通過(guò)建立機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)微分方程組進(jìn)行求解，能夠得到機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)輸出特性[21-22]。然而，高壓斷路器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，直接建立動(dòng)力學(xué)方程組并進(jìn)行數(shù)值求解其動(dòng)觸頭的時(shí)間-位移曲線較困難，且難以同時(shí)考慮運(yùn)動(dòng)副的接觸，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果誤差較大[23]。機(jī)械動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS基于拉格朗日方程和虛功原理，能夠準(zhǔn)確建立斷路器的實(shí)體模型并分析斷路器動(dòng)力學(xué)狀態(tài)。本文以ZN12型高壓斷路器為研究對(duì)象，在ADAMS下建立該型高壓斷路器的動(dòng)力學(xué)仿真模型，研究彈簧應(yīng)力松弛對(duì)高壓斷路器分合閘運(yùn)動(dòng)特性的影響，建模過(guò)程如圖2所示。

主要建模過(guò)程如下。

1) 設(shè)置工作環(huán)境和材料屬性。在ADAMS/View中導(dǎo)入操動(dòng)機(jī)構(gòu)三維模型后，調(diào)整工作網(wǎng)格、重力加速度方向以及坐標(biāo)軸等工作環(huán)境，同時(shí)把相互之間沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件耦合固定聯(lián)接，以減少模型構(gòu)件數(shù)目，并對(duì)簡(jiǎn)化后模型的構(gòu)件重命名及定義其材料屬性。

2) 添加約束副。為構(gòu)件定義材料屬性后，再定義各構(gòu)件之間的相對(duì)位置和相對(duì)運(yùn)動(dòng)方式，即對(duì)模型添加約束，將各構(gòu)件聯(lián)接，使其組成一個(gè)機(jī)械系統(tǒng)，模擬機(jī)械的實(shí)際運(yùn)行狀況。將高壓斷路器存在碰撞的構(gòu)件之間采用接觸進(jìn)行聯(lián)接，其余構(gòu)件均采用ADAMS提供的約束副聯(lián)接。

3) 施加力與載荷。根據(jù)前述機(jī)構(gòu)的工作原理可知，操動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)力元件為彈簧，因此，在模型中施加的力主要為彈簧力，包括壓縮彈簧、拉伸彈簧，其中，分合閘彈簧為拉簧，觸頭彈簧為壓簧。通過(guò)以上步驟即完成操動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真模型的前處理工作，所建立的彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)分合閘仿真模型如圖3所示。

4) 設(shè)置求解器。高壓斷路器仿真模型中包含力與碰撞等動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，因此，選擇動(dòng)力學(xué)求解器，其積分器為常用的GSTIFF積分器、積分格式選擇求解精度較高的SI2積分格式、積分誤差降低至系統(tǒng)默認(rèn)誤差的下一數(shù)量級(jí)即10-4。取合閘仿真時(shí)間為0.04 s，步數(shù)為600 步；分閘仿真時(shí)間為0.03 s，步數(shù)為500步。

2.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

高壓斷路器分合閘過(guò)程中，動(dòng)觸頭時(shí)間、位移是最重要的參數(shù)，是彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)作用下的最終輸出性能指標(biāo)，是決定動(dòng)觸頭和靜觸頭能否可靠開(kāi)斷、關(guān)合的關(guān)鍵。只有在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成充分的分合閘運(yùn)動(dòng)，才能實(shí)現(xiàn)可靠的滅弧，實(shí)現(xiàn)高壓輸電線路的開(kāi)斷與關(guān)合。本試驗(yàn)測(cè)量該型斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)的輸出端動(dòng)觸頭時(shí)間、位移，并與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，所搭建的試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)如圖4所示。仿真模型對(duì)高壓斷路器本體進(jìn)行了一定簡(jiǎn)化，且設(shè)置的仿真參數(shù)與真實(shí)斷路器工況存在一定誤差，所建立的仿真模型需要通過(guò)分合閘試驗(yàn)進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證。

圖2 高壓斷路器仿真建模流程圖Fig.2 Flow chart of simulation modeling for high voltage circuit breaker

圖3 ZN12高壓斷路器仿真模型Fig.3 Simulation models of ZN12 high voltage circuit breaker

在該分合閘試驗(yàn)中，首先通過(guò)固定支架將高壓斷路器支起在斷路器底部，將位移、速度傳感器固定安裝于輔助支撐上，該輔助支撐與支架固定。在斷路器機(jī)架底部上開(kāi)孔并通過(guò)連接套筒，將傳感器的測(cè)量頭與高壓斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)觸頭相連，實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)觸頭的位移測(cè)量。所得輸出端的分合閘位移曲線如圖5所示。

從圖5可以看出：高壓斷路器仿真位移曲線與試驗(yàn)測(cè)試位移曲線趨勢(shì)基本一致，但因仿真模型存在一定簡(jiǎn)化，所以，無(wú)法完全準(zhǔn)確模擬機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的摩擦力等阻力，導(dǎo)致合閘運(yùn)動(dòng)后期的仿真曲線的上升趨勢(shì)略快于試驗(yàn)曲線的上升趨勢(shì)。從圖5還可以看出：試驗(yàn)所得位移曲線波動(dòng)較大，這是試驗(yàn)誤差和機(jī)構(gòu)本身性能退化所導(dǎo)致。合閘位移曲線在t=0.023 s發(fā)生最大偏離，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的相對(duì)誤差為5.7%，分閘位移曲線在t=0.009 s 發(fā)生最大偏離，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的相對(duì)誤差為6.4%，仿真和試驗(yàn)所得位移曲線的相對(duì)誤差均控制在10%以內(nèi)。當(dāng)分合閘運(yùn)動(dòng)完成時(shí)，合閘仿真與試驗(yàn)位移終點(diǎn)分別為12.1 mm 和12.0 mm，完成時(shí)間均為23.5 ms；分閘仿真與試驗(yàn)位移終點(diǎn)分別為12 mm，完成時(shí)間均為21 ms，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果總體吻合程度較高，且運(yùn)動(dòng)行程和時(shí)間均符合該型高壓斷路器的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。由此可知：在ADAMS中所建立的高壓斷路器仿真模型具有較高的準(zhǔn)確度，能夠真實(shí)模擬實(shí)際機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。

圖4 斷路器分合閘試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.4 Operation experiments for circuit breaker

圖5 動(dòng)觸頭位移曲線Fig.5 Displacement curves of moving contact

通常高壓斷路器產(chǎn)品在設(shè)計(jì)、制造、裝配完成后，彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)觸頭時(shí)間、位移也是確定的。然而，在斷路器服役過(guò)程中，分合閘彈簧不可避免地會(huì)發(fā)生應(yīng)力松弛，使得分合閘過(guò)程中的動(dòng)觸頭的時(shí)間-位移曲線受到影響。當(dāng)合閘完成時(shí)間超過(guò)規(guī)定的臨界閾值的下限時(shí)，合閘運(yùn)動(dòng)會(huì)出現(xiàn)慢合故障，即在要求合閘時(shí)間閾值區(qū)間范圍不能實(shí)現(xiàn)電路電流的接通，從而增加合閘過(guò)程的預(yù)擊穿時(shí)間，有可能導(dǎo)致觸頭熔焊現(xiàn)象。而當(dāng)分閘速度超過(guò)臨界閾值的下限時(shí)，分閘運(yùn)動(dòng)會(huì)出現(xiàn)慢分故障，短路電流導(dǎo)致燃弧時(shí)間的增加造成觸頭燒毀。為此，深入研究高壓斷路器分合閘應(yīng)力松弛問(wèn)題可以提高斷路器產(chǎn)品可靠性，以便對(duì)斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和產(chǎn)品檢修提供理論指導(dǎo)。

3 分合閘彈簧應(yīng)力松弛參數(shù)研究

3.1 彈簧蠕變本構(gòu)模型

彈簧蠕變過(guò)程中，溫度是影響彈簧蠕變的重要因素，蠕應(yīng)變速率與彈簧所處溫度及應(yīng)力正相關(guān)[24]?？紤]本文研究的ZN12高壓斷路器為變電站戶內(nèi)高壓斷路器，其分合閘彈簧服役環(huán)境溫度為室溫，溫度變化較小，故本文將溫度看作常數(shù)，采用下式所示Norton蠕變本構(gòu)模型研究彈簧應(yīng)力松弛現(xiàn)象：

式中：為蠕應(yīng)變速率；A為與材料和微結(jié)構(gòu)相關(guān)的常量；σ(t)為材料當(dāng)前應(yīng)力；N為蠕變應(yīng)力指數(shù)。該蠕變本構(gòu)模型中的未知參數(shù)A和N可以通過(guò)應(yīng)力松弛試驗(yàn)確定。蠕變過(guò)程緩慢，可以根據(jù)靜力狀態(tài)下彈簧拉力計(jì)算簧絲軸截面上的當(dāng)前應(yīng)力σ(t)：

式中：σ(t)為彈簧軸截面當(dāng)前應(yīng)力；F(t)為試驗(yàn)所得當(dāng)前彈簧拉力；d為彈簧簧絲直徑；C為彈簧旋繞比。

在確定彈簧的蠕變本構(gòu)模型參數(shù)后，根據(jù)胡克定理得

式中：σ(t)′為應(yīng)力對(duì)時(shí)間的變化率：E為彈性模量；ε′為總應(yīng)變對(duì)時(shí)間的變化率；εc′為蠕應(yīng)變對(duì)于時(shí)間的變化率。應(yīng)力松弛過(guò)程中，彈簧保持總應(yīng)變不變，構(gòu)件內(nèi)應(yīng)力隨時(shí)間的推移而下降，因此，Eε′=0。將式(1)代入式(3)得

進(jìn)一步對(duì)式(4)進(jìn)行積分可以得到彈簧內(nèi)應(yīng)力與時(shí)間的關(guān)系表達(dá)式：

關(guān)于蠕變過(guò)程的應(yīng)變數(shù)據(jù)與應(yīng)力松弛過(guò)程的應(yīng)力數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換已經(jīng)得到充分研究，閆五柱等[17]提出通過(guò)應(yīng)力松弛試驗(yàn)獲得材料的蠕變參數(shù)，該方法中應(yīng)力松弛比定義如下：

式中：σ(t0)為初始應(yīng)力。彈簧當(dāng)前蠕變量與當(dāng)前應(yīng)力之間的關(guān)系可以表示為

式中：εc(t,σ)為彈簧當(dāng)前蠕變變形量。

3.2 應(yīng)力松弛試驗(yàn)

ZN12 型高壓斷路器彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊，分合閘彈簧安裝空間狹小，難以直接在斷路器上開(kāi)展相關(guān)實(shí)驗(yàn)。因此，本文將分合閘彈簧從高壓斷路器本體拆離，然后進(jìn)行應(yīng)力松弛試驗(yàn)。搭建的試驗(yàn)臺(tái)如圖6所示?？紤]到該型高壓斷路器分合閘彈簧長(zhǎng)期處于靜置的儲(chǔ)能狀態(tài)，本文設(shè)計(jì)的試驗(yàn)臺(tái)將分合閘彈簧拉長(zhǎng)至實(shí)際工況下的伸長(zhǎng)位移后保持彈簧的伸長(zhǎng)量不變，研究該型高壓斷路器分合閘彈簧在實(shí)際工況位移載荷作用下的應(yīng)力松弛規(guī)律。本文設(shè)計(jì)的試驗(yàn)臺(tái)在待測(cè)彈簧上布置了多個(gè)拉力傳感器用于檢測(cè)彈簧拉力，彈簧移動(dòng)端是一套絲桿螺母機(jī)構(gòu)，整個(gè)移動(dòng)端組件通過(guò)聯(lián)軸器與減速器連接。減速器側(cè)輸入軸轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)絲桿螺母機(jī)構(gòu)傳動(dòng)將彈簧拉長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)加載，同時(shí)可以微調(diào)單根彈簧的拉伸長(zhǎng)度，保證多根試驗(yàn)彈簧所受的拉力一致。該試驗(yàn)臺(tái)可以同時(shí)對(duì)多根彈簧進(jìn)行應(yīng)力松弛試驗(yàn)，且在試驗(yàn)過(guò)程中不需要重復(fù)取下試驗(yàn)彈簧進(jìn)行測(cè)量，避免彈簧重復(fù)裝夾與加載產(chǎn)生較大試驗(yàn)誤差。

試驗(yàn)臺(tái)信號(hào)采集系統(tǒng)包括高精度拉壓力傳感器、電壓信號(hào)放大器、多線路采集板卡和功能主機(jī)等。力傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)彈簧拉力的變化，并將各組彈簧力的變化轉(zhuǎn)換成可測(cè)量的電壓信號(hào)，通過(guò)放大器將傳感器檢測(cè)到的信號(hào)放大后，采集板卡對(duì)多路信號(hào)進(jìn)行采樣并將信號(hào)傳輸至功能主機(jī)中進(jìn)行分析處理。

圖6 彈簧應(yīng)力松弛試驗(yàn)臺(tái)Fig.6 Spring stress relaxation experiment

3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

該信號(hào)采集系統(tǒng)每間隔1 h 自動(dòng)采集左端拉力傳感器測(cè)得的彈簧載荷數(shù)據(jù)，將1 d所取得的24個(gè)拉力數(shù)據(jù)取平均值作為該彈簧當(dāng)天應(yīng)力松弛后的拉力，獲得ZN12高壓斷路器分合閘彈簧在實(shí)際工況位移載荷作用下的1月的拉力結(jié)果如圖7所示。

從應(yīng)力松弛試驗(yàn)結(jié)果可知：雖然彈簧伸長(zhǎng)量保持不變，在應(yīng)力松弛作用下分合閘彈簧拉力均呈現(xiàn)緩慢減小趨勢(shì)，且在初期下降速率比后期要快，變化規(guī)律符合應(yīng)力松弛的階段性特征[9]。將應(yīng)力松弛試驗(yàn)過(guò)程中采集到的拉力結(jié)果代入式(2)得到彈簧的當(dāng)前應(yīng)力，進(jìn)一步通過(guò)式(6)和(7)得到彈簧的應(yīng)力和蠕變量，將蠕變量對(duì)時(shí)間求導(dǎo)得到短期蠕變速率與當(dāng)前應(yīng)力曲線并繪制在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)中。由式(1)可知：雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)下的線性擬合斜率即為材料的蠕變應(yīng)力指數(shù)N，所得截距表示常數(shù)A。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，合閘彈簧材料的常數(shù)A為1.65×10-20，應(yīng)力指數(shù)N為3.1，分閘彈簧材料的常數(shù)A為2.45×10-20，應(yīng)力指數(shù)N為3.1。根據(jù)式(5)計(jì)算得到分合閘彈簧服役12，24和48月后應(yīng)力松弛量，如表2所示。

圖7 分合閘彈簧短期應(yīng)力松弛結(jié)果Fig.7 Results of short-term stress relaxation of switching springs

表2 彈簧后期應(yīng)力松弛結(jié)果Table 2 Later stress relaxation result of spring %

4 分合閘彈簧應(yīng)力松弛對(duì)操動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性影響

將分合閘彈簧未發(fā)生應(yīng)力松弛時(shí)以及表2中12，24 和48月的應(yīng)力松弛結(jié)果加載至所建立的高壓斷路器分合閘仿真模型上，利用ADAMS軟件輸出操動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)觸頭的時(shí)間-位移曲線，研究分合閘彈簧應(yīng)力松弛對(duì)斷路器分合閘運(yùn)動(dòng)的影響結(jié)果如圖8所示。

圖8 不同應(yīng)力松弛量下動(dòng)觸頭位移特性Fig.8 Dynamic contact displacement characteristics under different stress relaxations

由圖8可知：合閘彈簧應(yīng)力松弛前后，高壓斷路器分合閘過(guò)程中的動(dòng)觸頭最終位移均為12 mm，這一現(xiàn)象說(shuō)明應(yīng)力松弛對(duì)斷路器分合閘過(guò)程中動(dòng)觸頭的最終行程影響較小，但彈簧應(yīng)力松弛以后的高壓斷路器分合閘完成時(shí)間將出現(xiàn)明顯延遲。初始狀態(tài)的分閘完成時(shí)間為21 ms，在應(yīng)力松弛12，24 和48月后，分閘完成時(shí)間依次為23.4，25.7 和30.1 ms，呈現(xiàn)逐步遞增的趨勢(shì)。對(duì)于合閘運(yùn)動(dòng)，在應(yīng)力松弛12，24 和48月后，合閘完成時(shí)間依次為24.8，26.4和30.8 ms。

以上研究表明：分合閘彈簧應(yīng)力松弛對(duì)斷路器動(dòng)觸頭的行程影響較小，但會(huì)使機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生延時(shí)效應(yīng)。延時(shí)雖然只有幾毫秒，但考慮到斷路器分合閘動(dòng)作過(guò)程是瞬時(shí)動(dòng)作，本身動(dòng)作時(shí)間很短，其可靠的分合閘動(dòng)作對(duì)時(shí)間要求嚴(yán)格。不同應(yīng)力松弛量所導(dǎo)致的合閘延遲占總合閘時(shí)間的比例依次為5.5%，12.3%和26.8%，分閘延遲占總分閘時(shí)間的比例依次為11.4%，22.3%和42.4%。由仿真結(jié)果可知：應(yīng)力松弛對(duì)分閘過(guò)程的影響比合閘的大，這是因?yàn)樵诤祥l運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，分閘彈簧被拉長(zhǎng)，儲(chǔ)存部分合閘彈簧的彈性勢(shì)能阻礙合閘過(guò)程。彈簧應(yīng)力松弛以后，分閘彈簧消耗的合閘操動(dòng)功減少；相比于未發(fā)生應(yīng)力松弛的情況，合閘完成時(shí)間將縮短，抵消了部分合閘彈簧應(yīng)力松弛產(chǎn)生的延時(shí)效應(yīng)?？傮w而言，應(yīng)力松弛導(dǎo)致延時(shí)效應(yīng)會(huì)影響斷路器的正常分合閘運(yùn)動(dòng)，給線路的可靠運(yùn)行帶來(lái)不利影響。

5 結(jié)論

1)介紹了ZN12型高壓斷路器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，建立了該斷路器的動(dòng)力學(xué)仿真模型，并通過(guò)分合閘試驗(yàn)驗(yàn)證了仿真模型的準(zhǔn)確性。

2) 通過(guò)彈簧短期應(yīng)力松弛試驗(yàn)研究，得到該斷路器分合閘彈簧在實(shí)際位移載荷工況下的Norton 蠕變本構(gòu)模型中未知參數(shù)，進(jìn)一步對(duì)所得蠕變本構(gòu)模型進(jìn)行求解分析，得到了分合閘彈簧后期的應(yīng)力松弛情況。

3) 利用所建立的斷路器仿真模型和應(yīng)力松弛求解結(jié)果，得到不同應(yīng)力松弛量對(duì)分合閘運(yùn)動(dòng)的影響。分合閘彈簧應(yīng)力松弛對(duì)斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)的分合閘動(dòng)作產(chǎn)生延時(shí)效應(yīng)，且應(yīng)力松弛對(duì)分閘過(guò)程影響更大。所導(dǎo)致的延時(shí)占總動(dòng)作時(shí)間比例大，給高壓斷路器的分合閘動(dòng)作帶來(lái)不利影響。