考慮電動力效應-高壓斷路器動力學特性仿真分析

1、考慮電動力效應-高壓斷路器動力學特性仿真分析            摘要：創(chuàng)新地利用多體動力學仿真軟件包ADAMS建立了VS1型真空斷路器操動機構的動力學模型，并用試驗對模型的有效性進行了驗證。同時，還建立了真空斷路器電動力計算模型，將開斷和關合r1過程中的電動力分為洛侖茲力和霍爾姆力。以上述兩個模型為基礎，對斷路器短路開斷過程進行了仿真，研究了不同的開斷條件下電動力對斷路器機械特性的影響，從而為斷路器的優(yōu)化設計和狀態(tài)檢測提供了必要的理論依據(jù)。此后采用試驗的方法對仿真結(jié)果進行

2、了部分驗證，驗證結(jié)果表明仿真在一定程度上揭示了斷路器的運行規(guī)律。 關鍵詞：電動力效應 高壓斷路器 動力學特性 仿真分析  1 引言 對斷路器的動力學特性進行仿真分析，有利于實現(xiàn)斷路器的優(yōu)化設計；并且研究斷路器在故障狀態(tài)下的動作特性，能夠為斷路器的狀態(tài)檢測提供理論依據(jù)。對斷路器動力學特性的研究，以往采用的方案是：列出斷路器運動部件的運動學方程和動力學方程組；采用適當?shù)臄?shù)值求解方法求解方程組；采用可視化仿真方法給出運動部件的運動過程和有關運動參數(shù)1。這種研究方案對于簡單的運動系統(tǒng)是比較有效的，尤其在低壓電器機構運動特性的研究中得到了成功應用2-3。但對于復雜的機械系統(tǒng)，例如高壓斷路器的操

3、動機構，由于部件眾多，各部件之間的約束關系也增多，動力學方程組的復雜性迅速增加，這種方案顯得力不從心，為此需要尋求別的解決方案。多體動力學仿真軟件的出現(xiàn)為解決這個問題提供了一種很好的手段。ADAMS軟件包是目前世界范圍內(nèi)使用最廣泛的機械系統(tǒng)仿真分析軟件之一4。它可以方便地建立參數(shù)化的實體模型，并采用多體系統(tǒng)動力學原理，通過建立多體系統(tǒng)的運動方程和動力學方程進行求解計算5。跟傳統(tǒng)的仿真方法相比，采用ADAMS進行仿真避免了繁瑣的建立方程組和求解方程組的工作，使得用戶能夠?qū)⒅饕Ψ旁谒P心的物理問題上，從而極大地提高了仿真效率。 本文基于多體動力學原理，利用ADAMS軟件包建立了VS1型真空斷路

4、器操動機構的動力學模型，并用試驗對模型的有效性進行了驗證。同時，本文還建立了真空斷路器電動力計算模型，將開斷r2過程中的電動力分為洛侖茲力和霍爾姆力。以上述兩個模型為基礎，對斷路器短路開斷過程進行了仿真，研究了不同開斷條件下電動力對斷路器機械特性的影響，此后采用試驗的方法對仿真結(jié)果進行了驗證，從而為斷路器的優(yōu)化設計和狀態(tài)檢測提供了必要的理論依據(jù)。2 VS1型真空斷路器動力學模型的建立和驗證 利用ADAMS建立的VS1型真空斷路器動力學模型如圖1所示。圖中所示模型隱含了大量的運動學方程和動力學方程。ADAMS軟件通過求解這些封裝在內(nèi)部的方程組實現(xiàn)動力學仿真。從圖2可以看出，仿真模型的輸出曲線跟實

5、際樣機的輸出曲線吻合得較好。此外，還對仿真模型的其它機械參量進行了測試，這些測試結(jié)果都證明了仿真模型的正確性和有效性。    3 考慮電動力效應的斷路器動力學特性仿真 開關電器中的電動力直接影響著電器的工作性能。當發(fā)生短路故障時，斷路器要迅速開斷短路電流，在此過程中，動靜觸頭之間產(chǎn)生很大的電動力，這個力必然會影響斷路器的機械特性，尤其是分合閘速度。 考慮到各相導體之間的電動力對于分合閘速度的影響并不大，故本文僅分析動觸頭所受到的電動力。動觸頭所受到的電動力由兩部分組成6，一部分是由于電流在磁場作用下產(chǎn)生的洛侖茲力（Lorntz-force）FL，另一部分

6、是由于觸頭接觸處電流線收縮產(chǎn)生的霍爾姆力（Holm-force）FH。 本文的仿真對象VS1型真空斷路器所用觸頭具有杯狀縱磁結(jié)構，如圖3(a)所示。為了計算洛侖茲力，需要建立計算模型，首先作如下假設：式中 為與接觸面狀況有關的系數(shù)，其范圍在0.3"1之間；H為材料的布氏硬度；F為接觸力。需要指出的是，在式(2)中，由電流線收縮產(chǎn)生的電動力FH只存在于動靜觸頭保持金屬接觸狀態(tài)的時間里，即在分閘過程中，該力僅存在于超行程階段，一旦動靜觸頭分開，這個力就不存在了。 綜上所述，在開斷短路電流的過程中，所產(chǎn)生的總的電動力FT是洛侖茲力FL和霍爾姆力FH的疊加，設FL和FH的作用時間分別是te1

7、,te2和td1,td2，并分別令開斷三相短路故障時各相電弧的熄滅也有先后。假定A相為首開相，則A相開斷后，三相短路轉(zhuǎn)化為兩相短路，B相和C相上的電流將不再按照式(5)變化，忽略回路電阻R的影響，即令 =/2；則A相開斷后，B、C兩相的短路電流可寫為10因已假定短路發(fā)生時刻為t=t0=0，故t1表示繼電保護時間。該時間跟繼電保護裝置有關，通常大于0.02s。t3-t1表示分閘時間，跟斷路器有關，t3-t2也跟斷路器有關。經(jīng)對本文仿真對象進行實測，可知t3-t1=0.027s，t3-t2=0.0035s，故有t2-t1=0.0235s。由于繼電保護時間存在不確定性，本文分別取不同的t2值對開斷過程進行仿真，考慮到短路故障的嚴重程度，取t2=0.043s、0.046s、0.049s、0.052s，研究不同情況下電動力的大小及其對斷路器機械特性的影響。實際上，由于t3-t2這段時間是確定的，故不同的t2值跟不同的觸頭分離時刻電流相角對應，上述4個t2值反映了在不同的電流相角開斷的情形。 在高壓輸電網(wǎng)中，三相短路時最大可能出現(xiàn)的時間常數(shù)為45ms，故本文取時間常數(shù)T=0.045s