弹簧应力松弛对GIS故障关合接地开关关合特性的影响研究

朱 青1，刘 波，李万民，曹亚钊

(1.思源电气股份有限公司，上海 201108； 2．上海思源高压开关有限公司，上海 201108)

0 引 言

应力松弛是指在恒应变条件下，金属材料或元件的应力随时间延续而减小的现象。1868年J.C.Maxwell对应力松弛的规律及其影响做出了解释，但至今人们对应力松弛机制及发生的条件等还没有统一的结论。故障关合接地开关通过电动机带动弹簧储能后再释放，完成开关关合动作。所以研究弹簧的应力松弛规律对提高开关运行可靠性有一定的参考价值。

下面采用各国在弹簧研究上通常采用的计算、仿真与测试思路进行研究。

1 弹簧应力松弛试验

圆柱螺旋压缩弹簧的应力松弛程度常用负荷损失率(p-p0)/p0，即Δp/p0来表示，p0为弹簧的初始载荷，p为弹簧在任意时刻t时所承受的负荷。将设计改进的螺旋弹簧试验装置测试的负荷值换算成负荷损失率，得出负荷损失率与时间的关系曲线。

目前较为适用的压缩螺旋弹簧的应力松弛方程[1]为

Δp/p0=a+blnt

(1)

表1 分析记录

式中：p0为弹簧初始载荷，N；Δp为弹簧载荷损失量，N；t为松弛时间，h；a、b为与温度有关的常数。

试验弹簧：弹簧材料为60Si2CrVA，弹簧参数线径11 mm，中径56 mm，自由高度H0为223 mm，有效圈数n为10.5，取样3件。

试验条件：采用改进的应力松弛试验构造，在常温(25 ℃)下将弹簧压缩到工作高度H1为156 mm保持不变，每间隔一定时间，重新测量应力值，总压缩时间持续14个月。

试验结果：1号至3号弹簧试验数据走势见图1，对弹簧试验数据处理得到的应力松弛回归方程见表1。然后对应阶段的方程加权平均后得到应力松弛回归方程，应力松弛曲线见图2。根据应力松弛回归方程推算出该类弹簧30年后的载荷损失率。

图1 弹簧试验记录数据

2 关合特性动力学仿真

2.1 仿真模型

对三维模型进行合理的简化，去掉不必要的倒角、花键等特征，简化后的动力学仿真模型见图3。

图2 弹簧应力松弛曲线

图3 动力学仿真模型

2.2 约束副

约束副的设置根据机构运动关节处的运动副性质而定。并调整接触刚度Kn、力指数n、阻尼系数d、穿透深度δ的设置。

2.3 运动输入

2.4 弹簧设置

弹簧参数按如下两种状态进行设置：

状态1：按弹簧设计理论参数设置，详细设置见图4。

状态2：根据试验得出30年后的弹簧载荷损失率为5.3%，则30年后弹簧的应力值应分别衰减为P1=1 420.5 N、P2=4 971.75 N。所以30年后的弹簧参数设置见图5。

表2 仿真结果

图4 弹簧理论参数

图5 30年后弹簧理论参数

2.5 模型负载

计算故障关合接地开关的关合特性，需要获得动触头的插入阻力的特性。为提高仿真效率，对触头座模型单独建模，并将仿真数据导出到本体模型中作为输入。

模型负载主要来源于机械阻力和电动力，为了准确获得该模型负载大小，根据实测无电动力时阻力值大小，仿真得到合理动触头与弹簧触指间的摩擦系数f。然后考虑电动力的影响，仿真得到合闸时三相本体负载大小见图6所示。

2.6 仿真结果

开关在状态1弹簧作用下合闸特性曲线见图7所示；在状态2弹簧作用下合闸特性曲线见图8所示。仿真结果见表2。

根据仿真结果显示，30年后，在弹簧载荷损失5.3%的情况下，开关依然能够关合到位。

图6 带电动力时的插入阻力

图7 状态1弹簧作用下合闸特性曲线

图8 状态2弹簧作用下合闸特性曲线

图7、图8中的曲线含义如下：浅色实线为本体动触头瞬时速度；长虚线为本体合闸速度；短虚线为本体行程。

3 解析计算验证

3.1 仿真模型

为了进一步验证仿真结果，对合闸过程中的能量进行解析计算。图9至图12是开关关合过程的示意图。从图中可以看出，在整个关合过程中：弹簧力在做正功；动触头所受的关合阻力和缓冲器的阻力在做负功。

图9 死点位置(弹簧开始作用)

图10 电动力开始作用

图11 缓冲器开始作用

图12 关合到底

图9至图12中各字母代表的含义如下：F1……4为不同压缩高度下弹簧力，N；L1……4为弹簧不同压缩高度，mm；S1……4为不同时刻本体行程，mm；v1……3为不同时刻本体瞬时速度，m/s。

3.2 动触头受到的关合阻力功

1)关合阻力做功

W1=FdL1+FfdL2=21.8 J+55.3 J=77.1 J

(2)

式中:W1是关合阻力所做的功；FdL1、FfdL2分别为刚合点之前和之后的阻力所做的功。FdL1也即预击穿导致的电动阻力所做的功。预击穿位置Fd=0，从预击穿点到刚合点之间，该力值线性增加到最大值[2-3]。经讨论，该值应比实际值大，因此对关合能力的计算偏保守。FfdL2根据图6的阻力曲线对位移积分得来。

2)缓冲器吸收能量

缓冲器吸收的能量为

(3)

s=5 mm估算出W2=13.1 J，保守起见取W2=14 J。

3)合闸所需能量

合闸所需的最小能量为关合阻力做的功和缓冲器吸收的能量之和：

WC=W1+W2=77.1 J+14 J=91.1 J

(4)

4)弹簧合闸功

考虑到传动效率和保证可靠合闸的裕度，弹簧提供的能量应在合闸所需能量的基础上除以一个系数：

(5)

式中，η为考虑机械效率和可靠合闸裕度的系数，通常取0.6～0.7[2]。

因此，按现模型计算，要使开关能够关合到位，要求的弹簧操作功大于151.8 J。

状态1的弹簧功为

162 J>151.8 J，因此能关合到位。

状态2的弹簧功为

=153.4 J

153.4 J>151.8 J，因此也能够关合到位。

4 结 论

1)通过试验验证，故障关合接地开关用压缩弹簧30年后应力松弛率为5.3%。

2)通过动力学仿真和解析计算，均得出了30年后弹簧能量依然能够满足故障关合接地开关关合特性的要求，开关能够关合到位。