為了研究斷路器分、合閘過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性，筆者針對(duì)一臺(tái)配永磁操動(dòng)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(dòng)力學(xué)模型，推導(dǎo)出模型動(dòng)作過(guò)程所滿足的運(yùn)動(dòng)方程及電磁方程，對(duì)真空斷路器的分閘、合閘動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行仿真分析與實(shí)驗(yàn)對(duì)比。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，模型的動(dòng)態(tài)特性滿足斷路器的技術(shù)參數(shù)及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的要求，為研究斷路器的優(yōu)化設(shè)計(jì)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(duì)電網(wǎng)的可靠運(yùn)行具有重要的影響。目前在國(guó)內(nèi)，一種電磁操動(dòng)、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(dòng)機(jī)構(gòu)相比，永磁機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、節(jié)能和高可靠性等突出優(yōu)點(diǎn)。然而，永磁機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)過(guò)程比較復(fù)雜，不僅要研究分、合閘過(guò)程中運(yùn)動(dòng)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(dòng)態(tài)耦合關(guān)系。因此，分析永磁機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性對(duì)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(dòng)學(xué)與動(dòng)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(guò)在虛擬環(huán)境中建立完全參數(shù)化的斷路器模型，對(duì)模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，可以獲得斷路器運(yùn)動(dòng)部件不同時(shí)刻的位置、速度等參量，從而直觀、準(zhǔn)確的分析斷路器的動(dòng)態(tài)特性。文利用虛擬樣機(jī)動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)來(lái)預(yù)測(cè)斷路器操動(dòng)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(dòng)態(tài)仿真以及設(shè)計(jì)領(lǐng)域中的應(yīng)用。

　　筆者以一臺(tái)配單穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)的真空斷路器為研究對(duì)象，采用虛擬樣機(jī)技術(shù)建立了斷路器模型，對(duì)斷路器的分、合閘動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行仿真分析，并對(duì)樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)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(dòng)過(guò)程分析

　　1.1、真空斷路器模型的建立

　　文中的仿真對(duì)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(kāi)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(jiàn)表1。

表1 斷路器的主要技術(shù)參數(shù)

　　筆者采用多體動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS 建立的斷路器模型見(jiàn)圖1。為了使建立的模型能準(zhǔn)確進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，必須在各個(gè)部件之間按照實(shí)際工作情況添加約束關(guān)系和載荷。斷路器動(dòng)作時(shí)，長(zhǎng)軸側(cè)作水平運(yùn)動(dòng)，需要添加水平方向滑移副。動(dòng)觸頭側(cè)做豎直運(yùn)動(dòng)，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(zhǎng)軸與連接板、連接板與絕緣拉桿之間要添加旋轉(zhuǎn)副。在實(shí)際工作中斷路器運(yùn)動(dòng)部件之間存在摩擦，需要在運(yùn)動(dòng)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(kāi)始時(shí)，因?yàn)闄C(jī)構(gòu)反力導(dǎo)致動(dòng)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(guò)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(jì)，直至得到預(yù)期的斷路器模型。文中對(duì)斷路器樣機(jī)進(jìn)行建模和優(yōu)化的流程圖見(jiàn)圖2。

圖2 建模流程圖

　　1.2、斷路器模型的運(yùn)動(dòng)過(guò)程分析

　　對(duì)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(chǎng)與永久磁鐵磁場(chǎng)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(dòng)鐵心動(dòng)作，直接驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的長(zhǎng)軸作水平運(yùn)動(dòng)，連接板將長(zhǎng)軸的水平運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為絕緣拉桿的豎直運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)動(dòng)觸頭上下動(dòng)作，實(shí)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?yàn)閯?dòng)觸頭側(cè)的動(dòng)作直接由長(zhǎng)軸推動(dòng)連接板來(lái)驅(qū)動(dòng)，開(kāi)關(guān)在工作時(shí)主要的運(yùn)動(dòng)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(dòng)過(guò)程簡(jiǎn)單，具有很高的可靠性。文中建立真空斷路器模型的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖3。

圖3 模型的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖

　　4、結(jié)語(yǔ)

　　筆者基于虛擬樣機(jī)技術(shù)建立一臺(tái)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(guò)程的動(dòng)態(tài)方程，仿真得到斷路器分、合閘過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性曲線。將仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析，得出以下結(jié)論：

　　斷路器模型的分、合閘動(dòng)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(shí)間為54.6 ms，與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)一致，動(dòng)觸頭合閘彈跳時(shí)間為1.5 ms，拉桿的合閘彈跳幅值為0.36 mm，略小于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù);仿真模型的分閘時(shí)間為39.7 ms，拉桿的分閘過(guò)沖為1.45 mm，與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)一致;通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(jì)提供了依據(jù)。