断路器合闸特性仿真与优化

2011-06-27华北电力大学机械工程系崔彦彬车磊

电气技术与经济 2011年1期

■ 华北电力大学机械工程系崔彦彬车磊

0 前言

真空断路器触头闭合时，为了缩短关合过程中的燃弧时间以及保证合闸的可靠性，通常其冲击速度和冲击力都是比较大的。这必然就容易引起触头碰撞后发生弹跳。弹跳将会使触头之间产生拉弧，导致触头熔焊，从而影响断路器的使用。在触头上加装缓冲弹簧可以有效地缓解触头之间的冲击和弹跳，缓冲弹簧的作用主要体现在刚度上，因此弹簧刚度的选择就显得极为重要。由于触头之间的碰撞会产生塑性变形，导致能量损失，影响触头速度，使断路器合闸特性变差。通过对碰撞阻尼的优化，得到最佳阻尼值，从而实现触头材质、结构的最优选取。[1]

虚拟样机技术的显著特点使其受到了企业、高校及科研部门等的关注，其中尤其以美国MDI公司开发的ADAMS软件使用最为广泛。可以在ADAMS软件中，虚拟创建机构的三维模型，仿真其运动、分析受力、优化参数。我们应用ADAMS软件，创建开关触头三维模型，对其合闸过程进行动力学分析，优化缓冲弹簧刚度和碰撞阻尼，从而得到比较理想的合闸特性。

1 机构简介

真空断路器灭弧室主要由动、静触头及其他辅助零件装配而成。

文献[2]提出了预振动理论，并分析了预振动产生的原因，指出预振动不但使开距不按其预定规律减小，而且对合闸弹跳有直接的影响，对重燃也有一定的影响。为了消除预振动，设计出一种新型结构，即将缓冲弹簧安装在静端，动端不加缓冲弹簧，这样就减少了运动质量，自然消除了触头弹簧引起的预振动。此结构如图1所示。

断路器进行合闸时，操动机构驱动动导电杆运动，动导电杆带动动触头运动，动触头与静触头发生碰撞并贴合在一起。碰撞发生时，静触头上的缓冲弹簧会吸收碰撞能量，减轻碰撞弹跳。

由于运动机构零件较多，且各零件运动规律不同，直接对其进行动力学分析求解起来非常困难，为了能对复杂的运动系统进行动力学分析，需要将系统进行等效转化。断路器动静触头发生碰撞时，其动力学简化模型可用下图表示：

图1 静端安装弹簧的结构

图2 碰撞模型示意图

碰撞过程可描述为：在外来机械功的作用下，质量为m的物体以速度V0碰撞到静止的且质量为M的物体上。两物体碰撞后以共同速度V1一起运动。

根据动量守恒和能量守恒原理，我们可得到如下方程：

式中：A系统初始动能

Af碰撞过程中的能量损失

由公式（1），（2），（3）可得到下面关系式：

公式（4）可以看出，碰撞后的共同速度V1与能量损耗Af有关。Af主要包括触头塑性变形能、接触表面摩擦力做功、以及触头表面接触反弹时抗粘合的能量等。而我们知道，影响能量损耗Af最主要的参数便是碰撞阻尼系数。因此，我们可以通过优化碰撞阻尼系数，选择合理系数值，使触头达到最佳的速度特性。

2 建立机构三维模型

对机构进行仿真分析首先要建立机械系统各零部件的三维实体模型，市面上的三维绘图软件种类很多，功能也很强大，如PRO/E、UG、Solidworks等。我们可以通过此类的绘图软件建立模型，然后利用这些软件和ADAMS软件之间的接口程序，导入ADAMS中。但接口程序与ADAMS分别来自不同公司，两者之间属于“有缝连接”，两者之间不同的图形格式会导致图形转换时一些图形元素的丢失，如圆变成了多面体，旋转体轴线丢失等。如果在样机即将定义完毕时，发现结构尺寸有误，则必须返回到绘图软件环境下修改，而后再进行重新定义[3]，所以导入工作非常繁琐。由于断路器触头的结构不十分复杂，利用ADAMS软件本身的三维建模功能也可实现，因此本文采用在ADAMS中直接建模。模型如图 3所示：

图3 ADAMS中触头的三维模型

3 仿真分析及优化[4][5]

3.1 参数设置

为了得到良好的合闸特性，一般要求触头弹簧具有一定的预紧力。但是如果预紧力过小，将会增加触头合闸时的弹跳时间，影响断路器长期工作温升；如果预紧力过大，就要增加触头弹簧力，造成合闸功增加，从而增大了冲击和振动。弹簧预紧量的多少会影响预紧力的大小，本文通过设置缓冲弹簧预紧量的长度，来确定预紧力的大小。

结合断路器实际结构，对静触头缓冲弹簧做如下设置：弹簧放置长度为75mm,弹簧自然长度为95mm，则弹簧压缩量为20mm。

设置静触头缓冲弹簧初始刚度为20N/mm.；对于碰撞阻尼我们去系统默认设置值10；测量的目标曲线为动静触头标记点间的相对位移。在此设置下对模型进行仿真分析，得到如图 4 所示曲线：

图4 动、静触头相对位移曲线

从图4 中的曲线我们可以看出，触头合闸过程中发生了两次较为明显的弹跳，且第一次弹跳尤为严重。如果此时开关带载，必然会产生高压拉弧，损坏触头。说明此系数值的设置不太合理，需要对其进行调整。

3.2 设计分析

(1)创建设计变量在ADAMS软件中，将触头缓冲弹簧的刚度值设置为变量（DV_1）。以20N/mm为初始值，以绝对值方式变化，变化范围为20～100N/mm.

(2)设置目标函数由于我们测量的是动静触头之间的相对位移，弹跳越小，曲线越平滑，平均位移就越小，因此我们将位移曲线平均值最小为优化目标。即，目标曲线平均值为最小时所对应的弹簧刚度为最佳刚度。

（3）设计分析结果

使用ADAMS软件的设计研究功能（Design Study），使设计变量按照一定的规则在一定范围内进行取值。根据设计变量的不同，进行一系列仿真，并输出各次仿真分析的结果。通过分析报告我们可以观察到以下内容：设计变量的变化对样机性能的影响；设计变量的最佳取值；设计变量对样机性能的敏感程度。本次设计研究报告如图5所示。

从设计报告中我们可以看出，当弹簧刚度在87.143时，动、静触头平均位移最小，即弹簧刚度在此时比较接近最佳刚度值。

同理，我们对碰撞阻尼进行设置。将碰撞阻尼系数设置为变量（DV_2）。以0为初始值，绝对值变化方式，变化范围为0～100。在此设置下对变量DV_2进行设计研究，结果如图5 所示。