断路器弹簧操动机构的仿真分析及试验研究

曹辰 孙晓宇 梁传涛 黄改焕 王超 贾丽丽 胡大政 程贵阳

摘 要：高压断路器是电力系统中的重要设备，具有控制和和保护线路和设备作用。操动机构是断路器的核心组成部分，其良好的运动机械特性，是断路器获得优良的开断性能的保证。以35kV真空断路器弹簧操动机构为例，本文利用Solidworks软件建立装配模型，联合Adams仿真分析软件，进行机构运动过程、机械特性的仿真分析。将Adams仿真分析结果，机构行程、动触头行程、动触头合闸速度、分闸速度与样机机械特性试验数据拟合分析，验证了仿真模型和参数设置的合理性，为后续产品设计和优化提供指导。

关键词：断路器;弹簧操动机构;仿真分析;机械特性试验

高压断路器是电力系统中的重要设备。高压断路器在电网中起着两方面的作用，一是控制作用，根据需要把一部分线路或设备投入或退出运行。二是保护作用，在线路或设备出现故障时将故障部分切除，以确保无故障部分的安全运行[1]。

操动机构是断路器的驱动部件，也是核心组成部分。只有保证断路器分、合闸速度等机械特性，才能使断路器获得优良的开斷性能，最终才能实现断路器的作用[2，3]。

Kun Wang等对CT26弹簧操动机构的模型进行Adams仿真，模拟分析弹簧刚度系数和摩擦系数对断路器动态特性的影响[4]。Ferhat Hamza等提出改进算法，对凸轮效率及阻力进行优化[5]。Kim等对弹簧动力学及摩擦力对凸轮影响进行研究，Tong等利用Adams软件对机构运动进行仿真并进行优化[6，7]。

王坤利用Pro/E、Adams软件建立操动机构模型，进行了动力学仿真分析，为运动特性和应力特性研究提供理论指导和参考依据[8]。苗红霞等利用UG软件建模，并对高压断路器特性进行研究;杨武等利用多体系统仿真软件包对VS1高压断路器进行运动仿真研究[9，10]。

本文利用Solidworks软件完成弹簧操动机构三维模型建立，并导入Adams仿真分析软件中，对操动机构的运动机械特性等进行了仿真分析[11，12]。通过与样机机械特性试验数据拟合，验证了仿真模型和参数设置的合理性，为产品设计和优化提供指导。

1 断路器结构简述

断路器的绝缘支柱瓷套安装在接地的支架上，灭弧室安装在支柱灭弧瓷套的上部，支柱瓷套底部的密封拉杆与底架中部安装的弹簧操动机构连接，通过操动机构的输出轴和绝缘拉杆带动动触头实现断路器的合分闸操作。如图1所示。

2 仿真建模

首先用Solidworks软件建立机构的三维模型，如图2所示。然后打开Adams软件，将三维模型文件导入。

2.1 编辑构件和添加约束

操动机构三维模型简化后，对导入模型构件元素属性进行质量属性编辑，对零件属性进行编辑。针对模型构件，依据实际的工作情况添加运动副，保证弹簧操动机构按照约束关系进行运动。其中主要零部件间约束关系的添加情况，储能轴和凸轮之间创建固定副，储能轴和大地之间创建旋转副，垂直拉杆和输出轴之间创建球铰副，如图3、表1所示。

2.2 施加载荷、驱动

为尽量减少仿真分析的计算量，也为了更加直接地分析弹簧操动机构的合闸、分闸过程，将模型调整至分闸未储能状态，同时将三相本体简化为中间一相，对应保留一件分闸弹簧，另外动触头运动时的摩擦力及电动力采用施加阻尼的方式替代。

根据以上分析内容，按照载荷施加要求，对弹簧操动机构施加合闸弹簧力2处，本体施加分闸弹簧力1处，动触头施加阻尼1处。合闸弹簧刚度系数按照41N/mm设定，经过计算，此时合闸弹簧拉力为-3500N;分闸弹簧的刚度系数也按照41N/mm，分闸弹簧拉力设为-2000N;动触头阻尼数值设为0.5N·s/mm。

根据弹簧操动机构的分闸过程添加驱动，机构进行分闸动作时，需要对分闸挚子施加驱动，模拟分闸电磁铁动铁芯对分闸脱扣板的脱扣动作。输入的STEP函数为：step（time，0.04，0，0.045，-80）+step（time，0.05，0，0.06，80）。

该函数的含义是在0.04～0.045s内对分闸半轴上的脱口板施加-80N的保持力，在0.05～0.045s内对分闸半轴上的脱口板施加80N的脱扣力。

综上，弹簧操动机构的动力学仿真模型载荷及驱动的施加结果，如图4所示。

2.3 仿真分析

本节模拟操动机构分别在合闸弹簧和分闸弹簧的作用下，带动断路器动触头合闸和分闸的过程，仿真分析获得机构行程，动触头行程，合、分闸时间和速度数据。

弹簧操动机构设计要求，机构输出行程37mm，动触头行程22±3mm，分闸时间不大于60ms，合闸时间小于75ms，平均合闸速度0.8±0.3m/s，分闸速度在1.7±0.3m/s。

根据图5得出：机构合闸行程39mm，动触头合闸行程约30mm，合闸时间45ms，平均合闸速度约0.6m/s。前两项均略大于设计要求，后两项满足设计要求。

根据图6得出：机构分闸行程39mm，动触头分闸行程约30mm，分闸时间约20ms，平均分闸速度1.5m/s。前两项均略大于设计要求，后两项满足设计要求。

3 机械特性试验

利用武汉大洋机械特性仪对真空断路器样机进行合闸、分闸速度等特性的测试。生成合闸、分闸特性曲线图。如图7所示。图中横、纵坐标分别对应时间、行程，单位分别是ms、mm，图中特性曲线包括行程曲线、断口线、线圈电流曲线，且后两个曲线的单位不显示[13]。

选中“速度分析”选项，可将标线A移动至合闸行程起始点，将标线B移至合闸行程终点，特性仪会自动在“分析速度”显示区内显示合闸速度为0.9m/s;标线B移至电压变化处，可以获得横坐标即为合闸时间47ms。同样可得分闸速度为1.6m/s;分闸时间为20ms。根据机械特性试验结果分析可得，分、合闸时间以及分、合闸速度均满足弹簧操动机构设计要求。

4 仿真结果与试验数据拟合分析

仿真模型与实际样机测试数据是否吻合，需要通过将两类数据进行拟合分析。主要包括四组数据：合闸过程中动触头行程、合闸过程中动触头合闸速度、分闸过程中动触头行程、分闸过程中动触头分闸速度。动触头合闸行程拟合分析、动触头合闸速度拟合分析，分别如图8所示。动触头合闸行程仿真分析数据略高于样机试验数据，合闸时间仿真分析数据也大于样机试验数据，但行程变化趋势吻合。

尽管动触头合闸速度在合闸启动时及合闸结束时，样机数据波动更加明显（考虑到建模环境与实际工况还是有区别，受力情况更加复杂，特别是因零件表面粗糙度造成摩擦力不同，会影响曲线的变化），但是两者中间过程均比较平稳，变化规律相似。总体来看，动触头合闸速度数据变化趋势比较吻合。

动触头分闸行程拟合分析、动触头分闸速度拟合分析分别如图9所示。动触头分闸行程仿真分析数据略高于样机试验数据，分闸时间比较接近，误差在允许范围内，综合来看两者分闸行程曲线变化趋势相吻合。

动触头分闸速度曲线前半部分，仿真分析数据与样机数据变化规律类似，但仿真数据曲线更加光滑自然;后半部分因为仿真缓冲效果不如与样机的缓冲效果好，所以样机速度变化更为舒缓。综合来看两者动触头分闸速度曲线变化趋势相吻合。

根据弹簧操动机构仿真分析结果与样机特性试验数据拟合分析结果，可以验证仿真建模及参数设置的合理性，结果较准确。因此，可以通过调整不同参数数值，来检验产品设计的合理性，为后续产品的设计及优化提供指导。

5 结语

本文利用Solidworks软件完成35kV真空断路器弹簧操动机构三维模型并联合Adams动力学仿真分析软件，对操动机构的运动机械特性等进行了仿真分析，将机构行程、动触头行程、动触头合闸速度、分闸速度与样机机械特性试验数据拟合分析，验证了仿真模型和参数设置的合理性，为后续产品设计和优化提供指导。

参考文献：

[1]伍中宇.超高压断路器液压操动机构特性研究[D].杭州：浙江大学，2008.

[2]徐国政，张节容，钱家骊，等.高压断路器原理和应用[M].北京：清华大学出版社，2000.

[3]Li W，Fang C E， Zhou L L，etal. Simulation and Testing of Operating Characteristic of 27.5kV Vacuum Circuit Breaker with Permanent Magnetic Actuator[J].Proceedings-International Symposium on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum，ISDEIV，2008，1：125-128.

[4]Kun Wang， Guoqing Chen， Shuting Wan， Pei Tian. Dynamic simulation analysis of CT26 operating mechanism of high-voltage circuit breaker based on ADAMS[P].Proceedings of the 2016 International Conference on Advanced Electronic Science and Technology （AEST 2016），2016：12.

[5]Ferhat Hamza， Hammoudi Abderazek， Smata Lakhdar， Djeddou Ferhat， Ali Riza Yildiz. Optimum design of cam-roller follower mechanism using a new evolutionary algorithm[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2018，99（5-8）：1267-1282.

[6]Kim，K.Y.A.A.Influence of Spring Dynamics and Friction on a Spring-Actuated Cam System[J].Archive of Applied Mechanics.2006.71（8）：497-508.

[7]Tong，Chen，Wenchao， Hu.A study of improving the design of low voltage circuit breaker operating mechanism based on the virtual prototype technology[P].Computer Science and Automation Engineering （CSAE），2012 IEEE International Conference on，2012：808-811.

[8]王坤.高壓断路器弹簧操动机构动力学仿真及应力分析[D].保定：华北电力大学，2017.

[9]苗红霞，王宏华，齐本胜.高压断路器操动机构的动力学建模与仿真研究[J].计算机工程与应用，2010，46（17）：212-215.

[10]杨武，荣命哲，陈德桂，等.基于机构动力学特性仿真的高压断路器优化设计[J].西安交通大学学报，2002，36（12）：1211-1214.

[11]丁源.Solidworks 2016从入门到精通[M].北京：清华大学出版社.2017.

[12]李增刚.ADAMS入门讲解与实例[M].北京：国防工业出版社.2001：1-293.

[13]梁传涛.超高压断路器液压弹簧操动机构设计研究[D].青岛：山东科技大学，2014.