配永磁機(jī)構(gòu)真空斷路器動態(tài)仿真與實驗

　　為了研究斷路器分、合閘過程的動態(tài)特性，筆者針對一臺配永磁操動機(jī)構(gòu)的真空斷路器，基于虛擬樣機(jī)技術(shù)建立了斷路器的動力學(xué)模型，推導(dǎo)出模型動作過程所滿足的運(yùn)動方程及電磁方程，對真空斷路器的分閘、合閘動態(tài)過程進(jìn)行仿真分析與實驗對比。仿真和實驗結(jié)果表明，模型的動態(tài)特性滿足斷路器的技術(shù)參數(shù)及實驗數(shù)據(jù)的要求，為研究斷路器的優(yōu)化設(shè)計和故障診斷提供了依據(jù)。

　　引言

　　斷路器是電力系統(tǒng)中起控制和保護(hù)作用的重要設(shè)備，其工作性能對電網(wǎng)的可靠運(yùn)行具有重要的影響。目前在國內(nèi)，一種電磁操動、永保持的永磁機(jī)構(gòu)已廣泛應(yīng)用于真空斷路器領(lǐng)域。與傳統(tǒng)操動機(jī)構(gòu)相比，永磁機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單、節(jié)能和高可靠性等突出優(yōu)點。然而，永磁機(jī)構(gòu)的動態(tài)過程比較復(fù)雜，不僅要研究分、合閘過程中運(yùn)動部件的機(jī)械參量變化，還要考慮機(jī)構(gòu)中電磁吸力、線圈電流、系統(tǒng)磁鏈等參量之間的動態(tài)耦合關(guān)系。因此，分析永磁機(jī)構(gòu)的動態(tài)特性對于研究斷路器工作性能和提高電網(wǎng)穩(wěn)定性具有重要的意義。

　　虛擬樣機(jī)技術(shù)是基于多體系運(yùn)動學(xué)與動力學(xué)建模理論，可進(jìn)行多領(lǐng)域仿真的綜合應(yīng)用技術(shù)。通過在虛擬環(huán)境中建立完全參數(shù)化的斷路器模型，對模型進(jìn)行動態(tài)仿真，可以獲得斷路器運(yùn)動部件不同時刻的位置、速度等參量，從而直觀、準(zhǔn)確的分析斷路器的動態(tài)特性。文利用虛擬樣機(jī)動態(tài)仿真技術(shù)來預(yù)測斷路器操動機(jī)構(gòu)的故障。文闡述了虛擬樣機(jī)技術(shù)在斷路器的動態(tài)仿真以及設(shè)計領(lǐng)域中的應(yīng)用。

　　筆者以一臺配單穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)的真空斷路器為研究對象，采用虛擬樣機(jī)技術(shù)建立了斷路器模型，對斷路器的分、合閘動態(tài)過程進(jìn)行仿真分析，并對樣機(jī)進(jìn)行實驗以保證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性和可信性。

　　1、斷路器模型的建立與運(yùn)動過程分析

　　1.1、真空斷路器模型的建立

　　文中的仿真對象為ZW45-12 型戶外真空斷路器，斷路器總體采用三極支柱式結(jié)構(gòu)，開關(guān)本體采用的是配永磁機(jī)構(gòu)的真空斷路器，斷路器的主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 斷路器的主要技術(shù)參數(shù)

　　筆者采用多體動力學(xué)仿真軟件ADAMS 建立的斷路器模型見圖1。為了使建立的模型能準(zhǔn)確進(jìn)行動態(tài)仿真，必須在各個部件之間按照實際工作情況添加約束關(guān)系和載荷。斷路器動作時，長軸側(cè)作水平運(yùn)動，需要添加水平方向滑移副。動觸頭側(cè)做豎直運(yùn)動，需添加豎直方向滑移副。

圖1 ZW45-12 型真空斷路器的仿真模型

　　長軸與連接板、連接板與絕緣拉桿之間要添加旋轉(zhuǎn)副。在實際工作中斷路器運(yùn)動部件之間存在摩擦，需要在運(yùn)動副上定義摩擦力。此外，適當(dāng)添加觸頭彈簧的預(yù)壓力可以避免仿真開始時，因為機(jī)構(gòu)反力導(dǎo)致動觸頭壓縮觸頭彈簧回落的現(xiàn)象。斷路器模型建立成功后，還需要通過修改幾何模型參數(shù)、增加摩擦、定義柔性體、改進(jìn)載荷函數(shù)與定義控制等方法改進(jìn)樣機(jī)模型，多次進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，直至得到預(yù)期的斷路器模型。文中對斷路器樣機(jī)進(jìn)行建模和優(yōu)化的流程圖見圖2。

圖2 建模流程圖

　　1.2、斷路器模型的運(yùn)動過程分析

　　對于該模型而言，在永磁機(jī)構(gòu)中合閘線圈通電產(chǎn)生磁場與永久磁鐵磁場疊加產(chǎn)生的電磁吸力以及分閘彈簧拉力的共同作用下，動鐵心動作，直接驅(qū)動傳動機(jī)構(gòu)的長軸作水平運(yùn)動，連接板將長軸的水平運(yùn)動轉(zhuǎn)化為絕緣拉桿的豎直運(yùn)動，從而帶動動觸頭上下動作，實現(xiàn)斷路器的分、合閘操作。斷路器的合閘位置由永久磁鐵保持，分閘位置由分閘彈簧保持。因為動觸頭側(cè)的動作直接由長軸推動連接板來驅(qū)動，開關(guān)在工作時主要的運(yùn)動部件少，中間轉(zhuǎn)換和連接的機(jī)構(gòu)也很少，機(jī)構(gòu)的運(yùn)動過程簡單，具有很高的可靠性。文中建立真空斷路器模型的運(yùn)動簡圖見圖3。

圖3 模型的運(yùn)動簡圖

　　4、結(jié)語

　　筆者基于虛擬樣機(jī)技術(shù)建立一臺ZW45-12 型永磁機(jī)構(gòu)戶外真空斷路器的模型。推導(dǎo)出模型分、合閘過程的動態(tài)方程，仿真得到斷路器分、合閘過程的動態(tài)特性曲線。將仿真結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)對比分析，得出以下結(jié)論：

　　斷路器模型的分、合閘動態(tài)特性可以達(dá)到斷路器主要技術(shù)參數(shù)的要求; 仿真模型的合閘時間為54.6 ms，與實驗數(shù)據(jù)一致，動觸頭合閘彈跳時間為1.5 ms，拉桿的合閘彈跳幅值為0.36 mm，略小于實驗數(shù)據(jù);仿真模型的分閘時間為39.7 ms，拉桿的分閘過沖為1.45 mm，與實驗數(shù)據(jù)一致;通過實驗驗證了仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，為采用虛擬樣機(jī)技術(shù)研究斷路器的故障診斷和優(yōu)化設(shè)計提供了依據(jù)。