孔凡良，徐 凱

（1.武漢長(zhǎng)海電氣科技開(kāi)發(fā)有限公司，武漢 430064；2.武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

0 引言

中壓直流空氣斷路器主要用于艦船綜合電力系統(tǒng)的系統(tǒng)保護(hù)，是中壓直流綜合電力系統(tǒng)運(yùn)行的重要設(shè)備。中壓直流空氣斷路器安裝于中壓直流配電板中，作為發(fā)電機(jī)保護(hù)開(kāi)關(guān)以及推進(jìn)變頻器、中壓變流器等配電保護(hù)開(kāi)關(guān)，根據(jù)運(yùn)行需要，投入或切除發(fā)電機(jī)或負(fù)載，在電網(wǎng)發(fā)生過(guò)載或短路等故障時(shí)，故障部分從電網(wǎng)中切除，保證電網(wǎng)非故障部分正常運(yùn)行。其中觸頭系統(tǒng)是中壓直流空氣斷路器的核心組件之一，關(guān)系到斷路器的多項(xiàng)性能指標(biāo)。

觸頭系統(tǒng)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)特性對(duì)于斷路器的開(kāi)斷性能具有重要影響：在進(jìn)行故障電流的分?jǐn)鄷r(shí)，觸頭系統(tǒng)的分閘速度會(huì)影響電弧的轉(zhuǎn)移過(guò)程，而幅度過(guò)大的觸頭彈跳則會(huì)增加電弧背后轉(zhuǎn)移和重?fù)舸┑目赡苄?。而斷路器中的?zhí)行元件觸頭的分合動(dòng)作是靠彈簧操作機(jī)構(gòu)來(lái)帶動(dòng)的，彈簧操作機(jī)構(gòu)性能的好壞直接關(guān)系到斷路器的使用性能。

ADAMS作為一種多體動(dòng)力學(xué)機(jī)械系統(tǒng)仿真軟件，支持運(yùn)動(dòng)-結(jié)構(gòu)耦合仿真，可以對(duì)復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，因而在斷路器機(jī)械系統(tǒng)的仿真分析中獲得了廣泛的應(yīng)用。本文將利用該軟件對(duì)中壓直流斷路器觸頭系統(tǒng)分閘運(yùn)動(dòng)進(jìn)行仿真分析，為斷路器的設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供必要的理論依據(jù)。

1 斷路器觸頭系統(tǒng)分閘過(guò)程分析

目前廣泛使用的中高壓斷路器主要以彈簧操作機(jī)構(gòu)為主，本文所涉及的中壓直流空氣斷路器操作機(jī)構(gòu)也為彈簧操作機(jī)構(gòu)。彈簧操作機(jī)構(gòu)是以彈簧作為動(dòng)力元件對(duì)斷路器進(jìn)行分閘及合閘操作的操作機(jī)構(gòu)。彈簧操作機(jī)構(gòu)主要由儲(chǔ)能彈簧、合分閘鎖扣及脫扣部分組成。

如圖1所示，在斷路器的分閘動(dòng)作時(shí)，鎖扣鉤(3)在分閘脫扣器的作用下繞轉(zhuǎn)軸O1(6)向上運(yùn)動(dòng)解鎖，動(dòng)觸頭(1)在分閘彈簧(5)的作用下開(kāi)始分閘動(dòng)作，動(dòng)觸頭桿繞轉(zhuǎn)軸O2(4)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)完成分閘動(dòng)作，分閘位是動(dòng)觸頭(1)運(yùn)動(dòng)到止位件(7)處，見(jiàn)圖1虛線處。

圖1 斷路器觸頭機(jī)構(gòu)示意圖

在分閘過(guò)程中，動(dòng)觸頭打開(kāi)到最大開(kāi)距時(shí)一般會(huì)出現(xiàn)反彈現(xiàn)象，如果反彈幅度過(guò)大，動(dòng)、靜觸頭分?jǐn)鄷r(shí)很容易發(fā)生電弧重?fù)舸?，引起電弧的背后轉(zhuǎn)移現(xiàn)象，不僅延長(zhǎng)全分?jǐn)鄷r(shí)間，并且增大了對(duì)觸頭的燒蝕，縮短了斷路器的電氣壽命。而在觸頭相同的條件下，觸頭分閘速度越快，觸頭分閘彈跳距離越小，電弧起燃后快速進(jìn)入滅弧室，使斷路器安全可靠分?jǐn)唷?/p>

2 斷路器觸頭系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的建立

首先采用UG三維造型軟件對(duì)直流斷路器的觸頭系統(tǒng)建立三維實(shí)體模型，為了減小計(jì)算復(fù)雜度，對(duì)與計(jì)算無(wú)關(guān)的零部件進(jìn)行簡(jiǎn)化或省略。然后根據(jù)各部件對(duì)觸頭系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)特性的影響，去掉不相關(guān)的部件；轉(zhuǎn)換成ADAMS識(shí)別的格式文件，然后導(dǎo)入到ADAMS中。

在ADAMS的環(huán)境中正確定義零部件的密度、負(fù)載及約束關(guān)系。首先通過(guò)設(shè)置材料、密度等方式給定各部件的質(zhì)量，然后分析斷路器觸頭系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)原理，依照各部件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系添加相應(yīng)的約束。例如使用運(yùn)動(dòng)副約束來(lái)限制不同組件間的相互旋轉(zhuǎn)或相對(duì)移動(dòng)的自由度，使用接觸約束定義兩組件在運(yùn)動(dòng)中發(fā)生接觸、碰撞的相互關(guān)系，使用載荷約束描述組件所受到的力或扭矩的作用等等。最后根據(jù)不同組件的材料屬性和運(yùn)動(dòng)屬性，設(shè)置摩擦系數(shù)、阻尼等模型參數(shù)，使之形成一個(gè)完整的機(jī)械系統(tǒng)。

通過(guò)上述的主要精簡(jiǎn)過(guò)程以及施加驅(qū)動(dòng)、分閘條件，建立完成后的多剛體動(dòng)力學(xué)模型如圖2所示

圖2 斷路器的多剛體動(dòng)力學(xué)模型

3 斷路器觸頭系統(tǒng)分閘仿真計(jì)算與分析

3.1 彈簧預(yù)載荷性能分析

為獲得分閘過(guò)程中彈簧預(yù)載荷力對(duì)觸頭的彈跳影響情況，對(duì)觸頭系統(tǒng)的分閘過(guò)程進(jìn)行仿真計(jì)算。仿真過(guò)程中保持彈簧的剛度40 N/mm不變，改變彈簧預(yù)載荷分別為0、200 N、400 N、600 N、800 N、1000 N，得到動(dòng)、靜觸頭質(zhì)心間距曲線。分閘過(guò)程實(shí)際為合閘后，按實(shí)際脫扣力來(lái)源，在脫扣鉤端部模擬脫扣力使得機(jī)構(gòu)分閘，得到分閘曲線。

仿真得到分閘過(guò)程靜觸頭質(zhì)心間距位移變化如圖3所示。其中，動(dòng)靜觸頭分閘完成后動(dòng)靜觸頭質(zhì)心間距為51.5mm。

圖3 不同分閘彈簧預(yù)載荷與觸頭質(zhì)心間距變化曲線圖

由圖3可知，觸頭分閘時(shí)預(yù)載荷越大分閘時(shí)間越短，觸頭彈跳越小。這是由于相同彈簧操作機(jī)構(gòu)有著相同的觸頭開(kāi)距，且剛度相同，觸頭終拉力隨彈簧預(yù)載荷增大而增大，使得分閘過(guò)程中動(dòng)觸頭桿的加速度越大，觸頭分閘速度越快。

為具體分析不同預(yù)載荷下的分閘時(shí)間，分閘彈跳值。對(duì)圖3中相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。

表1 不同分閘彈簧預(yù)載荷分閘過(guò)程參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

由表1可知，觸頭機(jī)構(gòu)的分閘時(shí)間與最大彈跳值均隨著預(yù)載荷的增大而減小。當(dāng)預(yù)載荷從0提升至400 N時(shí)，觸頭的彈跳值從6.4減小至5.2 mm，觸頭彈跳變化明顯；繼續(xù)增大預(yù)載荷，從600 N至1000 N時(shí)，觸頭的彈跳值從5 mm減小至4.7 mm，觸頭彈跳變化影響變小。說(shuō)明當(dāng)預(yù)載荷達(dá)到600 N后，預(yù)載荷對(duì)分閘時(shí)間與最大彈跳值影響并不明顯。

綜上所述，當(dāng)預(yù)載荷較小時(shí)，增大預(yù)載荷力可以顯著減小分閘時(shí)間和觸頭系統(tǒng)彈跳；但當(dāng)預(yù)載荷較大時(shí)，繼續(xù)增大預(yù)載荷，分閘時(shí)間和觸頭系統(tǒng)彈跳減小不明顯。

3.2 彈簧剛度性能分析

為了獲得分閘過(guò)程中分閘彈簧剛度對(duì)觸頭的彈跳影響情況，對(duì)觸頭系統(tǒng)的分閘過(guò)程進(jìn)行了仿真計(jì)算。仿真過(guò)程中保持彈簧的預(yù)載荷力400 N不變，改變彈簧的彈簧剛度分別為20 N/mm、40 N/mm、60 N/mm、80 N/mm、100 N/mm，得到相同操作機(jī)構(gòu)的動(dòng)靜觸頭質(zhì)心間距曲線。

在不同分閘彈簧剛度情況下，仿真得到靜觸頭分閘過(guò)程中質(zhì)心間距變化曲線如圖4所示。

圖4 不同分閘彈簧剛度荷與觸頭質(zhì)心間距變化曲線圖

由圖4可知，在同一彈簧操作機(jī)構(gòu)下，觸頭機(jī)構(gòu)分閘力隨彈簧剛度的增大而增大，觸頭機(jī)構(gòu)分閘動(dòng)作明顯變快，分閘時(shí)間明顯減??；說(shuō)明增大分閘彈簧剛度系數(shù)可以減小合閘時(shí)間，提高分閘速度。

為具體分析不同剛度下的分閘時(shí)間和分閘彈跳。對(duì)圖4中相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。

表2 不同分閘彈簧剛度荷分閘過(guò)程參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

由表2可知，觸頭機(jī)構(gòu)分閘時(shí)間隨著彈簧剛度的增大而減小。當(dāng)彈簧剛度從20 N/mm提升至40 N/mm時(shí)，分閘時(shí)間從15.9 ms減小至13.1 ms，分閘時(shí)間顯著減小，觸頭分閘彈跳從5.5 mm減小至5.2 mm，變化不明顯；當(dāng)彈簧剛度達(dá)到60 N/mm后，分閘時(shí)間減小至11.8 ms，觸頭分閘彈跳增至6 mm；繼續(xù)增大彈簧剛度至100N/mm，分閘時(shí)間繼續(xù)減小且變化不明顯，而觸頭分閘彈跳隨著剛度變大而增大。

綜上所述，增大分閘彈簧剛度能有效減小觸頭分閘時(shí)間；但當(dāng)彈簧剛度達(dá)到一定值后，觸頭分閘彈跳為上升趨勢(shì)。

4 試驗(yàn)對(duì)比分析

為了驗(yàn)證仿真模型的正確性，結(jié)合上述仿真結(jié)果，對(duì)觸頭彈簧性能綜合分析，最終確定觸頭分閘彈簧剛度為40 N/mm，施加預(yù)載荷400 N進(jìn)行樣機(jī)試驗(yàn)。

如圖5所示，搭建了斷路器機(jī)械特性測(cè)試回路，通過(guò)采集示波器中電壓波形來(lái)測(cè)量斷路器的分閘時(shí)間，即動(dòng)觸頭與靜觸頭分離起至動(dòng)觸頭首次到達(dá)分閘止檔位置為止的時(shí)間間隔。

圖5 斷路器機(jī)械特性測(cè)試回路

樣機(jī)試驗(yàn)得到觸頭分閘時(shí)間實(shí)測(cè)值與仿真計(jì)算值對(duì)比如圖6所示，實(shí)測(cè)值與仿真值誤差如表3所示。

圖6 觸頭分閘時(shí)間實(shí)測(cè)值與仿真值對(duì)比圖

表3 分閘時(shí)間的仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表

從圖6和表3中可以得到觸頭分閘時(shí)間與仿真結(jié)果13.1 ms基本吻合且平均分閘時(shí)間的試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果誤差均小于5%。該測(cè)試結(jié)果證明了仿真模型的有效性和正確性。

為進(jìn)一步檢驗(yàn)觸頭分閘彈跳值，采用高速攝影儀對(duì)斷路器觸頭分閘過(guò)程與緩沖塊碰撞進(jìn)行驗(yàn)證。樣機(jī)試驗(yàn)得到觸頭分閘彈跳實(shí)測(cè)值與仿真計(jì)算值對(duì)比如圖7所示，實(shí)測(cè)值與仿真值誤差如表4所示。

圖7 觸頭分閘彈跳實(shí)測(cè)值與仿真值對(duì)比圖

表4 觸頭分閘彈跳實(shí)測(cè)值與仿真值誤差對(duì)比表

從圖6和表4可以看出，觸頭分閘彈跳值集中在4.8～5.4 mm，與仿真結(jié)果5.2 mm高度吻合，且最大誤差小于8%。進(jìn)一步驗(yàn)證了仿真數(shù)據(jù)的正確性及多體動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS在斷路器的設(shè)計(jì)可靠性。

5 結(jié)論

本文建立了中壓直流斷路器的動(dòng)力學(xué)模型，運(yùn)用多體動(dòng)力學(xué)機(jī)械系統(tǒng)仿真軟件ADAMS對(duì)斷路器分閘過(guò)程進(jìn)行了仿真分析，給出斷路器在分閘過(guò)程中的完整信息，并為改進(jìn)、優(yōu)化參數(shù)提供了引導(dǎo)。最后樣機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證表明這種設(shè)計(jì)中壓直流斷路器運(yùn)動(dòng)特性的方法有效的提高產(chǎn)品的性能和縮短設(shè)計(jì)周期。對(duì)今后設(shè)計(jì)及優(yōu)化類似產(chǎn)品具有指導(dǎo)意義。