（机械电子工程专业论文）vs1断路器在线监测与故障诊断系统的研究.pdf

摘要 断路器在线监测与故障诊断系统对电网安全运行具有重要意义。为确保断路器故障 诊断系统能得出准确、可靠的结论，分析了断路器常见故障，提出了监测项目及相应的 方法。分析了断路器各部件的工作状态，提出了各个部件的特征量。建立了断路器操动 机构动力学模型，模拟了分合闸电磁铁的常见故障，分析了储能电机的数学模型，以仿 真、实验等为手段确立了故障原因与特征量变化之间的对应关系。将分析结论作为故障 诊断知识，结合经验知识等建立故障诊断专家系统知识库，运用正向推理与反向推理相 结合的推理控制策略进行推理。提出一种双c p u 的硬件平台，设计电路实现数据采集、 信号调理，设计d s p 程序实现数字信号处理、特征量提取，运用q t e m b e d d e d 实现了断 路器故障诊断专家系统，并设计了人机交互界面。以实验验证为手段，对系统的功能进 行了评估。本文的研究工作对断路器实现状态检修具有重要意义。 关键词：断路器；操动机构；分闸电磁铁；故障诊断；专家系统 i i a b s t r a c t c i r c u i tb r e a k e r ( c b ) o n - l i n em o n i t o r i n ga n df a u l td i a g n o s i ss y s t e mp l a y sa ni m p o r t a n t r o l ei nt h es a f e t yo p e r a t i o no ft h eg r i d c o m m o nf a i l u r e so fc ba r ea n a l y z e da n dm o n i t o r i n g o b j e c t sa r ep r e s e n t e dt oe n s u r ec bf a u l td i a g n o s i ss y s t e mc a nc o m eu pw i t ha c c u r a t ea n d r e l i a b l ed i a g n o s i sc o n c l u s i o n s t h ew o r ks t a t u so ft h ec b sc o m p o n e n t si sa n a l y z e da n d c o r r e s p o n d i n gf e a t u r ee x t r a c t i o n s a r ec a r r i e do u t ac i r c u i t b r e a k e r s ( c b ) o p e r a t i n g m e c h a n i s md y n a m i cm o d e li se s t a b l i s h e d c o m m o nf a u l t so ft r i p p i n gs o l e n o i da r ei m i t a t e d m a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h ec h a r g i n gm o t o ri sa n a l y z e d t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ef a u l t s a n dt h ec h a n g e so ft h ef e a t u r ei se s t a b l i s h e db ym e a n so fa n a l y z i n gs i m u l a t i o n sa n d e x p e r i m e n t s t h ec o n c l u s i o n sa n dt h ee x p e r i e n c ek n o w l e d g ef r o mt h ee x p e l si n t h i sf i e l d c o m p r i s ek n o w l e d g eb a s eo ft h ef a u l td i a g n o s i se x p e r ts y s t e m ( e s ) t h ec o n t r o ls t r a t e g yo ft h e i n f e r e n c ee n g i n ec o n s i s t so ff o r w a r dc h a i n i n ga n db a c k w a r dr e a s o n i n g ad u a l - c p uh a r d w a r e p l a t f o r m i s p r o p o s e da n dt h e c i r c u i ti s d e s i g n e dt or e a l i z ed a t aa c q u i s i t i o na n ds i g n a l c o n d i t i o n i n g d s pp r o g r a mi sp r o g r a m m e df o rd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n ga n df e a t u r ee x t r a c t i o n t h ef a u l t d i a g n o s i se x p e ns y s t e m a n dg r a p h i c a lu s e ri n t e r f a c e ( g u i ) a r er e a l i z e di n q t e m b e d d e d t h ee x p e r i m e n t a lv e r i f i c a t i o no ft h ef u n c t i o no ft h ee n t i r es y s t e mi sc a r r i e do u t i nt h el a s t t h er e s e a r c hw o r ko ft h i sp a p e rl a y sa ni m p o r t a n tf o u n d a t i o nf o rr e a l i z i n g c o n d i t i o nm a i n t e n a n c eo fc b k e yw o r d s ：c i r c u i tb r e a k e r ；o p e r a t i n gm e c h a n i s m ；t r i p p i n gs o l e n o i d ；f a u l t sd i a g n o s i s ； e x p e r ts y s t e m i i i 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得逝姿盘堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 ：凸 恧。 学位论文作者签名：签字日期： 厶，o 年易月j - 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解澎姿盘堂有权保留并向国家有关部门或机构送交本 论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝江盘堂可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印、缩印或扫描等复制 手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：导师签名： 签- 7 - - 日期：加，厶年弓月i 珀签字e t 期： 日 致谢 论文顺利完成首先要感谢我的导师王庆丰教授，从课题的选题到研究内容、研究方 法的确定，王老师都倾注了大量的心血。王老师治学严谨，无论是对待科研论文还是硕 士学位论文，王老师总是耐心的字字斟酌、反复修改，提出了大量宝贵的建议。在指导 我的科研工作上，王老师身体力行、谆谆教导，端正了我的治学态度；王老师扎实勤勉、 雷厉风行的工作作风，深深的影响了我。 论文是在唐建中老师的直接指导下完成的，唐老师为我创造了良好的科研条件，使 我接触到了课题的第一手资料；在学习过程中，唐老师精心的传授学习方法，使我迅速 的掌握了一系列开发工具，为课题的深入打下了良好的基础；在上海做课题期间，唐老 师提供了良好的科研环境和舒适的住所，在生活上，唐老师的关心无微不至，待我亲如 兄弟、情同手足，使我在求学过程感受到家庭般的温暖，在此论文完成之际，谨向唐老 师表达深深的敬意和由衷的感谢。 上海南华兰陵电气有限公司提供了课题经费，课题得到了罗国华总经理、金家明总 工程师、刘宏副总经理的关心，研发中心的蒋亚峰、陈连灿、陈波波、高海燕、王振华、 冯云辉工程师在课题上给予了很多帮助，在此一并感谢。 在论文研究过程中，课题组的聂勇博士生提出很多宝贵的建议，传授过许多学习经 验，林添良博士生给予了很多的关心，王海波博士后、胡楚雄博士在科研论文写作上给 予了很多指导，此外，肖清博士、胡宝赞博士生、陈正博士生、冯强博士生、王滔博士 生、王红梅博士生、姚洪博士生、张超硕士生、龚文硕士生、邢丽华硕士生、杨杰硕士 生、吴永建硕士生都曾给予过很多帮助，在此对他们表达由衷的谢意。 感谢我的母亲，她总是任劳任怨默默承担一切重任，使我全身心投入到学业中，感 谢我的父亲、兄妹、亲人，女友，没有你们的支持和帮助，我的求学过程不可能如此顺 利。 最后衷心感谢为评审本文而付出辛勤劳动的评审专家。 安涛 2 0 1 0 年1 月于求是园 浙江大学硕士学位论文 l 绪论 【摘要】本章简要介绍了断路器在线监剥与故障诊断系统产生的背景、组成部分及 发展趋势，对断路器常见的故障进行归纳，分析了故障性质及对应的监测项日，总结了 断路器在线监测与故障诊断系统的研究现状，最后介绍了断路器在线监测与故障诊断系 统的研究意义及本文的主要研究内容 1 1 断路器在线监测与故障诊断的研究背景 1ll 断路器在线监测与故障诊断系统简介 断路器是能够关台、承载、开断正常回路的电流，并能在规定的时间内关合承载 和开断异常回路条件( 如短路条件) 下电流的机械开关装置它是高压电网中重要的 设备，主要起控制和保护设备作用口l ： 1 ) 控制作用：根据电网运行的需要，用断路器把一部分电力设备或线路投入或退出 运行 2 ) 保护作用：在电力线路发生故障时将故障从电网中快速切除，以保证电网中无故 障部分正常运行。 断路器的结构一般包括：操蚁机构、电路通断元件、绝缘支撑元件、基座，二次回 路和中间传动机构等。本文的研究对象- - v s i 真空断路器的操纵机构的外形及原理图、 电路通断元件如图1 - 1 ： 氯筐耋涮蔷羼 型 操纵机构、通断元件示意图 浙江大学硕士学位论文 绪论 断路器根据控制保护的对象、灭弧方式、操纵机构、负载等级等不同可分为多种类 型，在此不一一阐述。 断路器的寿命通常在2 0 4 0 年，通常情况下断路器保持合闸的状态，在电路故障等 情况下需要断路器可靠的工作。随着使用时间的增加，断路器某些部件会不断的老化、 损坏，如机械机构的磨损、触头的磨损等。因此对断路器进行维修显得十分必要。 电力设备的检修方式有事后维修、定期检修、状态检修三种，目前在电力设备维修 中大多采取事后维修和定期检修相结合的方式。 事后维修方式是在电力设备发生故障、无法继续运行时进行的维修，此时相关电力 设备己经发生故障并可能造成了损失，因此这种检修方式没有有效的降低故障带来的损 失。 定期检修是间隔一定时间的预防性检修方式。用以指导检修安排的依据是时间量， 这种检修方式有以下不足： 1 ) 不可避免的会出现检修过剩或检修不足； 2 ) 不同的设备时间量难以确定； 3 ) 人力物力支出较大，影响企业的经济效益。 设备状态检修根据先进的状态监测和故障诊断技术提供的设备状态信息，判断设备 异常情况，在故障发生前进行预防性的检修方式。设备状态监测与故障诊断为状态检修 提供科学的依据，可形成一套融设备状态监测及评估、故障诊断、故障检修为一体的检 修方式，提高设备运行时的可靠性。设备状态检修能够及时地、有针对性地对设备进行 跟踪检修，真正能做到应修必修，降低设备的检修维护费用，提高电力设备运行的可靠 性。状态检修对电力设备的检修是主动的、对设备的故障是带有预见性的，也是经济实 用的设备检修维护方式。 状态检修的基础是设备状态的监测和故障诊断，原理是对设备关键部件做实时监测， 对设备的状态进行实时评估，对故障部位、故障程度和发展趋势做出诊断，依据设备的 故障部位及重要程度而采用不同的检修策略，其特点是： 1 ) 能判断被监测的电力设备健康状况； 2 ) 能诊断出故障的位置和故障的程度； 3 ) 状态检修可以减少设备的损坏程度，减少维修费用，可以缩短大、小修时间【3 1 。 断路器对电网的安全可靠运行非常重要。断路器发生故障时会引起电网事故或者将 电网事故扩大，将造成巨大的经济损失，甚至造成人员伤亡。随着电网自动化水平的进 2 浙江大学硕士学位论文 绪论 一步提高，开展电力设备在线监测与故障诊断将成为一个必然趋势。 断路器在线监测与故障诊断系统一般包括以下几个部分： 1 ) 信号采集：断路器在运行过程中必然会有相关零部件位移、力、电流、振动和能 量等各种量的变化，由此会产生各种信息。信号的变化反映了断路器正常、故障状态。 因此采集设备相关信号是评估断路器当前的状态以及判断故障的基础。 2 ) 信号处理：将采集到的信号进行硬件调理、硬件滤波、软件滤波等操作，目的是 消除噪声，以提取精确的信号。对信号进行频域变换、小波变换等，从不同的域提取能 准确明显表征设备状态的特征量，这个过程也是特征量提取过程。 3 ) 状态识别：将特征量组与样本特征量组进行比对、推理得出断路器设备各个部件 及总体的当前状态。 4 ) 故障诊断：当得出断路器处于故障状态时，系统给出断路器具体故障部位、故障 原因及相应的维修措施。状态识别及故障诊断是断路器设备进行状态维修的基础。 1 1 2v s l 断路器常见故障及故障原因分析 根据国内外断路器运行时的故障统计，断路器严重故障主要表现形式为拒动、误动、 绝缘事故。具体阐述如下： 拒分：在规定的分闸时间内没有完成分闸操作。 拒合：在规定的合闸时间内没有完成合闸操作。 误分：若无分闸指令，断路器自行分闸则为误分。 误合：若无合闸指令，断路器自行合闸则为误合。 这些故障会造成断路器功能的丧失，给电力系统带来巨大的损失，甚至危害人身安 全。实现断路器的状态维修就必须分析造成这些故障的部位及具体原因。据统计，机械 部分( 包括操动机构和二次回路) 占总故障的7 0 左右，电气故障次之，两者占据故障 原因的绝大多数 4 1 。 本文对v s 1 2 断路器常见故障及可监测对象、监测时段进行了总结和分析【5 1 1 6 】【7 】【8 】【9 】， 如表1 1 ，故障诊断就是利用监测量( 如电流、位移等信号) 的变化与引起变化的故障 原因之间的对应关系进行推理的过程。 表中的某些故障如操作电压过低等是容易判断的，有些故障如机构卡死、铁芯卡涩 等故障可能是缓慢变化的结果，如果不能对故障及时的进行预测和排除，很可能就造成 断路器的拒分、拒合等严重故障。 浙江大学硕士学位论文 绪论 表1 1 ：断路器常见故障及对应监测方法总结 故障 故障详细分析故障具体实施方案 类型故障情况性质 在线监测量 信号征兆监测时段 端子松动缓慢 线圈电流回路能量全工况 二次 线圈短路突变线圈电流线圈电流特征量合闸时 线圈断路突变线圈电流线圈电流特征量合闸时 回路 操作电压 突变 线圈电流线圈电流特征量合闸时 辅助开关缓慢线圈电流回路能量 全工况 拒合 铁芯卡涩缓慢线圈电流线圈电流特征量合闸时 机构 掣子轴断裂突变线圈电流、行程信号线圈电流、位移 合闸时 机构卡死缓慢 线圈电流、行程信号线圈电流、位移分合时 故障 拉杆断裂 突变 线圈电流、行程信号线圈电流、位移分合时 四连杆变形缓慢 线圈电流、行程信号线圈电流、位移分合时 端子松动缓慢 线圈电流回路能量全工况 二次 线圈短路突变线圈电流线圈电流特征量分闸时 线圈断路突变线圈电流线圈电流特征量分闸时 回路 操作电压突变线圈电流线圈电流特征量分闸时 拒分辅助开关缓慢线圈电流线圈电流特征量分合时 弹簧刚度缓慢线圈电流、行程信号机械特性分闸时 机构铁芯卡涩 缓慢线圈电流线圈电流特征量分闸时 故障机构卡死 缓慢 线圈电流、行程信号线圈电流、位移分合时 四连杆变形缓慢 线圈电流、行程信号线圈电流、位移分合时 储能掣子磨损缓慢 线圈电流、行程信号线圈电流、位移储能后 即合 连杆结构缓慢 线圈电流、行程信号线圈电流、位移储能后 自分操作电压、干扰突变 线圈电流线圈电流特征量全工况 误动 合 二次回路短路突变 线圈电流、行程信号线圈电流特征量全工况 合分闸保持轴突变 线圈电流、行程信号线圈电流、位移全工况 即分 二次回路短路突变线圈电流、行程信号 线圈电流特征量全工况 储能到位开关突变电机电流电机电流特征量 储能后 储能电机本身缓慢电机电流电机电流特征量 储能时 回路 回路故障缓慢电机电流电机电流特征量储能时 4 浙江大学硕士学位论文 绪论 1 2 断路器在线监测与故障诊断系统的研究现状 目前，国外在这一领域的研究开展较早，比较有代表性的成果有： 美国t e x a sa & m 大学近几年利用专家系统实现了断路器在线监测- 9 故障诊断1 0 】， 其主要特点是： 1 ) 一个系统对多个生产商及多种型号的断路器进行监测； 2 ) 主要监测分、合闸线圈电流、相电流、触头接触信号等电信号； 3 ) 用小波分析等手段对信号进行特征量提取，采用专家系统进行状态分析； 其余类似的产品还有：美国德克萨斯电力公司采用便携式断路器分析仪，可以监测 中压断路器操动机构并能推理出断路器 - 3 前状态；香港中华电力公司开发了断路器监测 在线分布式信息系统，可对局部电网各个断路器进行实时监测；美国h a t h w a y 公司开发 的b c m 2 0 0 断路器监测系统能根据分、合闸线圈电流波形、一次回路故障电流累计燃弧 时间等来判断断路器的状态，具有通讯、报警功能；印度s c o p e 公司r t m o nc b2 0 断 路器在线监测系统也具有类似的功能；瑞典e l c o n 公司o l m 断路器在线监测系统把 每台断路器特征量传输到监视器上以分析判断断路器的工作状态；此外还有，a b b 开发 的s f 6 断路器监测系统；日本东京电力公司和东芝公司联合开发的g i s 在线监测和诊断 系统。 国内自上世纪9 0 年代以后在此领域有长足进展。根据文献检索，西安交通大学杨武 博士针对v s l 1 2 断路器建立了操动机构仿真模型，联合断路器的振动信号、载流部件 的温度信号利用神经网络对断路器状态进行评估1 1 】。清华大学、华中科技大学、哈尔滨 工业大学等国内科研单位在断路器在线监测- 9 故障诊断上有长期的研究【1 2 】【1 3 】【1 4 】【15 1 。 通过对以上研究成果的分析，对断路器在线监测与故障诊断的关键问题进行总结， 可以归纳为以下几方面： 1 ) 断路器故障诊断依据： m i c h a e ls t a n e k 等提出一种基于模型的方法提供断路器在线监测与故障诊断的依据， 这种方法的思想可以用图1 2 说明。整个诊断过程可分为离线准备和在线监测两个阶段 1 6 1 。首先通过对分合闸触发机构、主控回路、二次回路、操作机构的振动进行建模，然 后将各个模块合成，以对断路器进行仿真。通过改变模型的参数仿真断路器的故障。在 线运行时，将采集的信号- 9 数据库保存的特征量进行比较，提取对应的参数，便得出断 路器的故障部位以及故障原因。 浙江大学硕士学位论文 绪论 建立系统的仿真模型 给定输入值，运行仿真模型卜 对应的输入参数一并存储 ( 准备完成) 图1 2 ：仿真模型离线准备及在线监测图 这种方法的优点是，能仿真断路器的故障趋势，在线监测时能利用仿真结果预测断 路器健康状态趋势。然而，这种方法正如文【1 7 总结，断路器结构复杂，模型参数难 以估计，建立断路器整个系统的模型有一定的难度。整个诊断系统的可靠性对模型的准 确程度依赖很高，有文章指出断路器模型正常状态下的波形与实测的分合闸电流、断路 器振动波形相比，无论在相位还是在幅值上都有不小的差距。本文只对断路器操动机构 进行建模，减小了建模的复杂程度，也在一定程度上提高了模型的准确性。 2 ) 信号特征量提取方法： 对断路器关键部件的信号进行处理，提取能明显表征断路器健康状况的特征量。是 断路器故障诊断系统的基础。假如断路器正常状态的特征量与故障状态的特征量差别甚 微，将给后续的故障诊断带来巨大的困难。信号处理的目的就是提取一些信号量能将正 常状态与故障状态明显的区别开来。目前采用的方法有：对分合闸线圈电流信号的小波 分解【1 8 】、对断路器振动信号进行希尔伯特变换【1 9 】。 3 ) 断路器故障诊断推理方法： 通过在线监测断路器的触头位移、振动信号、二次回路电信号并提取特征量的基础 上，将特征量输入故障诊断的推理系统，通过建立表征断路器状态的特征量与故障原因 的对应关系，输出故障原因。故障原因的推理方法目前采用的有：基于模糊理论的诊断 方法 2 0 1 、基于神经网络的诊断方法【2 1 1 、基于证据理论的诊断方法【2 2 1 、基于专家系统的诊 断方法【2 3 1 。 对上述已公开的研究成果进行分析，断路器在线监测与故障诊断系统在以下问题还 6 浙江大学硕士学位论文 绪论 有待提高： 1 ) 断路器故障原因及变化趋势深入分析。对于监测信号的变化，要求断路器在线监 测与故障诊断系统给出具体的变化原因以及故障发展趋势，并给出当前的维修建议。比 如：断路器动触头速度发生了波动，有可能机构润滑不足，也有可能机构的疲劳所致。 找出具体原因，给出断路器的维修策略，并根据特征量变化预测断路器的故障趋势；对 断路器健康状况进行预测，以及判断断路器是否可用，防患于未然。 2 ) 高效可靠的故障诊断推理方法。要求断路器故障诊断系统能准确、快速的识别待 识别信号，并给出具体的推理依据使得推理过程更透明。高效的故障诊断系统是发展要 求，随着电力设备自动化程度不断提高，逐步要求断路器故障诊断系统嵌入断路器( 开 关柜) 本身，所以在追求准确的断路器故障诊断系统的同时必须考虑所消耗的硬件资源。 1 3 断路器在线监测与故障诊断系统的研究意义 今后一段时间内，我国将迎来电网建设的高潮。电力工业的高速发展，对断路器的 需求将持续增加【2 4 1 。随着电力设备的自动化进程，具有实时状态监测、故障诊断、故障 趋势预测、保护、通讯功能的断路器在线监测与故障诊断系统，必将有良好的前景。断 路器在线监测与故障诊断系统的研制将具有如下意义： 将加快电力设备实现状态维修的进程：使电力设备摆脱定期维修与事后维修相结合 的维修方式。断路器在线监测系统能实时监测断路器的状态，并能预报故障和故障原因。 能使因为断路器故障造成的损失大大降低，使得维修有的放矢，必将促使以状态维修为 主的维修方式成为电力设备维修的主流，节约人力、物力、财力，降低电力设备运行成 本，提高电力设备的运行效率，加快电力系统自动化进程。 1 4 课题的研究内容 课题在以下几个方面开展了研究工作： 1 ) 断路器操动机构动力学建模及其实验验证 首先对v s l 断路器的操动机构进行了分析，运用a d a m s 对其进行动力学建模。搭 建了试验台测试物理实体的位移，以验证操动机构动力学模型的准确性。利用这一模型， 对断路器不易模拟的缓慢渐变故障进行了仿真。在对仿真结果进行分析的基础上，建立 了信号变化与故障原因的对应关系。 2 ) 断路器关键部件特征量的提取 除对断路器操动机构进行故障仿真外，以模拟故障实验的方式，对卡涩故障对分合 浙江人学硕士学位论文 绪论 闸线圈电流信号的影响进行深入分析，建立了故障原因与电流信号特征量之间的对应关 系。此外，对储能回路电机的数学模型进行分析，以储能电机电枢电流信号深入分析电 机的工作状态，提取了电机的特征量。 3 ) 基于专家系统的故障诊断 选用专家系统作为故障诊断的推理机制。在仿真及实验得出故障原因与信号变化之 间对应关系的基础上，建立了v s l 在线监测及故障诊断系统的知识库，设计了专家系统 的推理机制，文章最后对专家系统进行了验证。 4 ) 断路器在线监测与故障诊断系统的实现 选择断路器在线监测与故障诊断系统的软硬件平台，文中详细阐述了断路器在线监 测及故障诊断系统的软硬件实现方式。 祈江大学硕士学位论文 v s i 断路器i 作原理及操动目【构动力学建棋 2 v s l 断路器工作原理及操动机构动力学建模 【摘要】本章简要介绍了v s i 断路器的基本组成工作原理，分析了断路器操动机 构，介绍了多体动力学及a d a m s 建横的数学原理，为仿真不易模拟的缓慢渐变故障，运 用a d a m s 建立了操动机构机械部分的动力学模型，毗断路器动触头位移和动触头运动速 度为考察对象，对模型进行了实验验证。 2 1v s i 断路器及其操动机构 v s l 断路器主要有操动机构、二次回路、电路通断元件、绝缘元件等部件组成，原 理图如下： 。、翟 磐 辚篱 2 凸轮4 储能保持轴6 储能电机1 0 储能轴1 3 合闸弹簧1 5 合闸电磁铁1 7 电机传动链轮2 0 舟闸 电磁铁2 3 主轴传动拐臂“连扳2 5 分闸弹簧2 6 拐臂2 7 绝缘拉杆2 8 碟簧2 9 绝缘筒3 0 灭弧室 田2 - 1 ：断路器操纵机构示意囝 操动机构提供开断、关合所需的能量。执行电路通断动作操动机构主要由机械传 动机构、储能机构、脱扣机构，合闸触发机构组成，其中分闸电磁铁是触发断路器分闸 的元件，合闸电磁铣是触发断路器合闸的元件，储能电机负责存储断路器开断、关台所 需的能量，这些元件对于保证断路器的性能至关重要。断路器操动机构直接执行断路器 分、合命夸，由于断路器的寿命较长，统计表明在使用的过程中断路器“的故障是由 操动机构引起的【煳，现有的研究成果都把操动机构作为重点监剥对象。 二次回路提供合闸、分闸电磁铁、阔锁保护电磁铁及储能电机的电挥，传递动作命 令。据统计，在长期运行中由二次回路引起的故障占总故障的2 4 5 ，因此本文也将二 次回路作为重点监测项目 9 浙江大学硕士学位论文v s l 断路器工作原理及操动机构动力学建模 电路通断元件负责接通、开断一次回路的大电流，内有灭弧结构，v s l 断路器采用 真空灭弧机构。 断路器操动机构主要有储能、分闸、合闸等动作，分别介绍如下： 1 ) 储能：目的是使合闸弹簧储能，提供合闸所需能力。储能电机带动链轮传动系统。 链轮转动时，促使销推动储能传动轮的滑块使储能轴转动，拉伸弹簧储能。达到储能位 时，限位杆压下滑块使储能轴与链轮传动系统脱开，储能保持掣子顶住滚轮保持储能位 置。 2 ) 合闸：合闸电磁铁动作后，储能保持轴转动，掣子对滚轮的约束消失，合闸弹簧 收缩使储能轴转动，凸轮迫使连杆机构带动绝缘拉杆进入合闸位置，并压缩触头弹簧， 保持触头接触压力。断路器在合闸保持掣子与半轴作用下保持合闸位置。 3 ) 分闸：合闸保持掣子与半轴解锁实现分闸。碟簧和分闸弹簧拉动灭弧室内动、静 触头分离，由液压缓冲器吸收分闸过程剩余能量并限定分闸位置。 分闸、合闸的能量都来自储存于弹簧的能量；储能部分和动触头的四连杆部分通过 凸轮与滚轮间的高副、合闸保持掣子与滚轮间的高副、合闸保持掣子与半轴的高副传递 运动，中间伴随着冲击、连续接触等力学现象。 可以看出，断路器操动机构是多个零件通过多个运动副连接的复杂的多体系统，为 定量分析系统参数如摩擦力、弹簧刚度等对系统性能的影响，本文对断路器操动机构多 体系统进行了动力学分析。 2 2 断路器操动机构动力学建模 2 2 1多体系统动力学及a d a m s 简介 多体系统是指由多个物体通过运动副连接的复杂机械系统。多体系统动力学是应用 计算机技术对复杂机械系统进行动力学分析与仿真团】。多体系统动力学经历了多刚体系 统动力学和计算多体系统动力学两个阶段。多刚体系统动力学是为分析多个刚体组成的 复杂系统的运动和动力学，建立适合计算机程序求解的数学模型，并寻求高效、稳定的 数值求解的方法。计算多体系统动力学是指用计算机数值手段对机械系统进行静力学分 析、运动学分析、动力学分析以及控制系统分析的理论和方法，对多柔体和多体系统与 控制等混合问题的综合分析是其一大特点，代表性的分析软件有a d a m s 、d a d s 。目 前多体系统动力学研究热点主要集中在多体系统建模理论及多体系统动力学求解方法 i - 。 浙江大学硕士学位论文v s l 断路器工作原理及操动机构动力学建模 a d a m s ( a u t o m a t i cd y n a m i ca n a l y s i so fm e c h a n i c a ls y s t e m s ) 由美国m d i 开发，占 领虚拟样机领域市场份额最大的软件。用户可使用零件库、约束库、力库中元件在交互 式图形环境下创建完全参数化的机械系统动力学模型。a d a m s 自动利用拉格朗日第一类 方程建立系统最大量坐标动力学微分代数方程，并运用求解器求解。a d a m s 可对虚拟机 械系统进行静力学、运动学和动力学分析，并可对位移、速度、加速度、作用力曲线进 行数学运算，可实时、事后观看仿真动画。a d a m s 仿真一般用于预测机械系统的性能、 运动范围、碰撞检测、峰值载荷以及计算有限元的输入载荷。 a d a m s 包括a d a m s v i e w 、a d a m s s o l v e r 、a d a m s p o s t p r o c e s s o r 基本模块及扩展模块， 此外a d a m s 有多种软件接口：支持c a d 软件s o l i d w o r k s 、p r o e n g i n e e r i n g 、i - d e a s 、 u g 、c a t i a 等；支持有限元分析软件a n s y s 、n a s t r a n 、a b a q u s ；支持控制软件m a t l a b 、 e a s y s 、m a t r i x x 。a d a m s 在汽车、飞机、工程机械等领域得到广泛应用。 a d a m s v i e w 建模一般经过如下步骤： 1 ) 建立或导入机械系统模型。设置运动副、柔性连接及作用力； 2 ) 测试模型。测试所建模型是否达到预期动作； 3 ) 验证模型。将建立的模型与物理实体试验数据对比； 4 ) 细化模型。改进模型使模型与物理模型趋于一致； 5 ) 深化设计。评估模型针对不同设计变量的灵活性； 6 ) 优化模型。设计出最佳性能的最优化设计组合； 7 ) 设计自动化。使设计步骤自动化。 2 2 2a d a m s 动力学分析算法 a d a m s 对多体系统动力学建模过程及使用方法分析如下2 5 1 ： 首先对于每一个刚体a d a m s 建立广义坐标： q = b ，y ，z ，少，0 ，纠7 ( 2 1 ) 式中：i f ，0 ，伊欧拉角。 单个刚体广义坐标的动能表达式是： 丁= 寺天7 m k + 寺尹r b r 船尹 ( 2 - 2 ) 二二 式中：m - 刚体的质量矩阵；r = x ，y ，z 】7 ；y = y ，0 ，矽】r ；b 一为欧拉转角坐标 系到刚体质心坐标系的变换矩阵。 浙江大学硕士学位论文 v s l 断路器工作原理及操动机构动力学建模 s i n0 s i n 0c o s 0 b = ls i n o c o s 0 一s i n 0 ( 2 - 3 ) 【c o s ( 9 1 0 j 单个刚体的广义动量表达式为： o 2 ， ( 2 - 4 ) 带拉格朗日第一类方程的能量形式为： 丢l 署j _ 瓦o t 2 g + 喜丑考 c2 引 此外，a d a m s 结合力力矩平衡方程、运动学关系方程、约束关系自动建立微分代 数方程，以上各式联立如下： p - a r o q + ；力+ 日r f = o p ：a 形 ，u q u = 口 ( g ，f ) = 0 f = f ( u ，q ，f ) ( 2 6 ) 式中：p 广义动量；h 外力坐标转换矩阵；t 一广义坐标表达的动能；g 一刚体 的广义坐标；u 一刚体的速度；f 一刚体的外力。 由以上各式，a d a m s 求出各个刚体的广义坐标、广义动量、广义角速度等，将各个 构件的约束关系联立起来，a d a m s 接下来求解这个微分代数方程组。 求解方程组之前，a d a m s 对系统刚体的初始条件进行分析，初始条件是通过求解相 应的位置、速度、加速度的目标函数的最小值得到的。 最后，a d a m s 对微分代数方程数值求解。a d a m s 根据机械系统特性，选择不同的积 分算法。对刚性系统，采用变系数的b d f ( b a c k w a r d sd i f f e r e n t i a t i o nf o r m u l a t i o n ) 刚性 积分程序。这种积分方法的特点是自动变节、自动变步长、预估自校正、采用修正的 n e w t o r a p h s o n 迭代算法。 针对动力学，a d a m s 配有g s t i f f 、w s t i f f 、c o n s t a n t - b d f 、a b a m 、r k f 4 5 、 h h t 等多种积分器供选择。针对断路器操动机构模型特点，在仿真过程中采用了g s t i f f 积分器。它具有以下特点： 采用多步、变阶、变步长、固定系数算法；可直接求解微分一代数方程，有1 3 、s 1 2 、 1 2 浙江大学硕士学位论文 v sl 断路器工作原理及操动机构动力学建模 s 1 1 三种积分格式；计算速度快、位移精度高。1 3 具有保持定步长、位移求解精度高、 求解速度快、适合中低频的场合。本文在仿真的过程采用了这种积分格式。 以上是对a d a m s 建模的数学原理的分析，在实际操作中，用户只需在a d a m s 人机 交互环境下建立模型的三维视图，给各个刚体的参数赋值，选择合适的积分器及积分格 式即可进行仿真。 2 2 3 操动机构动力学建模 断路器操作机构零件多达4 0 多个，本文在建模过程中对模型的操作机构进行了简 化：删除了分合状态指示装置；模型在仿真的开始处于分闸已储能状态，简化储能装置， 删去储能电机、链传动及手动储能部分。 在建模过程过发现，a d a m s v i e w 三维建模功能较弱。在建模过程中，利用 a d a m s v i e w 丰富的接口工具，利用功能强大的s o l i d w o r k s 制图工具绘制了v s l 1 2 断路 器操动机构三维实体。然后导入到a d a m s v i e w 软件，进行后续的设置、仿真、验证工 作。整个过程流程图如下： 图2 2 ：断路器操动机构动力模型建立流程 浙江大学碗i 学位论文v s 】断路器i 作原4 操动机构动力学建模 由围2 - 2 看出，建立断路器操动机构动力学模型是一个复杂、反复的过程对某些 元件参数的选取( 如冲击中的参数) 要符合元件物理学特性。操动机构动力学可视模型 如下： 4 5 蔼漆；潮 1 主轴2 合闸保持轴3 脱扣半轴4 储能轴5 合闸弹簧6 舟闸弹簧7 弯板8 拐臂 图2 3 ：仿真模型正视，右视、俯视、轴测图 仿真模型关键元件参数如下： 表2 i ：仿真模型关键参数 元件参数名称参数值 凸轮处接触 合闸弹簧 接触类型 剐度 力指数 阻尼 渗透深度 刚度系数 阻尼系数 预加载荷 现 =梁 =磐 姓渗； 国洲一 翱渊d 嘉?吾篡删 o 4 i 浙江大学硕十学位论文 v s l 断路器工作原理及操动机构动力学建模 1 5 0 m m 1 8 n m m 0 1 5n s m m 1 5 8 n 1 1 5 m m 断路器操动机构动力学模型工作过程描述如下： 模型仿真之前处于分闸、已储能状态，虽然储能弹簧处于被拉伸状态，由于弹簧施 加到储能轴上的力与储能保持掣子与储能轴上的作用力平衡，所以没有合闸电磁铁的触 发，断路器始终保持此状态。 仿真的开始，在储能保持轴上施加模拟合闸电磁铁的力，储能保持掣子脱离与储能 轴上面滚轮的接触，在弹簧力的作用下，凸轮撞击连接在主轴上的四连杆，凸轮与滚轮 间的冲击力使他们之间发生相对运动，带动主轴转动，断路器即可实现合闸，同时带动 拐臂碰撞合闸保持掣子，迫使扣板与脱扣半轴发生碰撞，最终拐臂作用在合闸保持掣子 的力，与脱扣半轴作用到扣板之上的力使合闸保持轴处于平衡状态，使断路器保持在合 闸位置。 当在脱扣半轴的弯板上施加模拟分闸电磁铁工作的力，扣板与脱扣半轴之间的作用 力消失，合闸保持轴失去平衡，即可实现分闸，油缓冲器起到缓冲和限制分闸位置的作 用。由此看出，仿真模型与物理实体模型工作过程一致。 对建立模型过程中的关键问题总结如下： 1 ) 仿真模型元件尺寸必须与物理实体尺寸一致，保证动力学模型与物理实体有相同 的自由度； 2 ) s o l i d w o r k s 模型导入到a d a m s v i e w 默认为刚体，必须在a d a m s v i e w 设置弹簧、 接触( c o n t a c t ) 等力学元件； 3 ) 力学元件各参数的设置必须遵循a d a m s 建模的数学原理，在此以最为棘手的冲 击问题说明： a d a m s 中计算接触冲击力的方法为h e r t z 理论【2 引，计算公式为： f = k ，i d ”+ s t e p ( d ，r d ，c ，r ，o ) o ( 2 7 ) 式中：f 一冲击力；c 一阻尼因子；d 一当物体碰撞时，各碰撞物体到交集的质心 点之间的距离；n 力指数；s t e p 0 是a d a m s 内置的分段求值函数；k h e r t z 接触刚度。 度 度 长 长的数数荷的下系系载下荷度尼加荷载刚阻预载 加 加 预 预 簧 弹闸分 浙江大学硕学位论文v s i 断路船i 作原理及撵动机构动力学建模 k 值可由以下公式求出唧1 ： 置：士，毕冬( 2 - 8 ) 3 f ( l + h 2 ) v 震j + 置2 式中：r ，r 一碰撞物体的半径；h j 圯一材料参数，可由下式求得： ：l ( 2 - 9 ) 翘 式中：v 一碰撞物体的泊松比；e 碰撞物体杨氏模量。 对于d 的选取，a d a m s 给了建议值即00 1 m m ，对于冲击力学元件的设置应当遵循 上述规律，以保证模型的正确性 2 3 断路器操动机构动力学模型的实验验证 2 3 1 实验方案 为使断路器操动机构仿真模型能代替物理实体( 真实断路器) 用以模拟故障，必额 对模型的有效性进行验证。断路墨动触头的位移及速度反映了断路器操动机构的主要性 能。考虑断路器三相触头的位移速度差异很小，仿真结果表明三相触头位移信号完全吻 合，在此，只对单相触头位穆信号进行对比。 叵巫圈咽 j l j 瑞博华 d 7 3 0 1 采集十 ! 一 p 群# * * _ _ 曰程序l j 图2 4 ：断路器机械特性测试方案 图2 5 ：断路器物理实体及传感器安装方案 1 6 浙江大学顿学位论文v s i 断路嚣i 作原理拉撮动机构动力学建模 首先搭建了断路器机械特性测试试验台，采取了如下方案：导电塑料传感器安装在 断路器绝缘支架底端，d c5 v 电源单独供电；使用瑞博华a d 7 3 0 1 数据采集卡采集数据， 该卡的a d 输入电压范围为- 5 v 雪j + s v 或i o v 一+ 1 0 v ，a d 采样精度为1 2 位，设置采集 频率为i o k h z ，该数据采集卡采用硬件定时的方式，保证了采样时间的准确性。在 c q - - b u i l d e r 开发环境下编辑数据采集应用程序负责读取采集到的数据，显示数据曲线。 实现方案如图2 - 4 ，被测断路器及导电塑料传感器如图2 - 5 ， 2 , 32 数据采集应用程序 在c - h - b u i l d e r 编写数据采集程序的方法是：首先用a h 函数l o a d l i b r 越y o 打开 w i n d o w s x p 下的驱动程序a d c m dd l l 文件，用g c t p r o c a d d r c s s 得到相关函数的地址，通 过调用初始化函数i r i t i a l o 、多缓冲区方式开始函数s 自x t i n t r 0 、单缓冲区方式开始函数 s u m s n a p s h o t 0 、采集停止函数s t o p l n l r 0 、取采集结果函数a d r e s u l t 0 、a d r e s u l t g e e e n t o ， g e t s n a p s h o t 0 实现采集卡在后台的实时高速采集模拟信号，在必要时取采集结果。 实现数据的实时采集、连续显示与处理。 数据采集软件界面及采集的图形如下： 一。p ” 圈 图2 - 6 ：断路器机械特数据采集应用程序 2 3 3 实验验证 图2 7 给出了断路器合闸，分闸过程中物理实体与仿真模型a 相动触头的位移、速 度对比曲线。对比圉中曲线可以发现： 1 ) 断路器操动机构物理实体与仿真模型分、合时动触头位移曲线高度一致 2 ) 物理实体动触头速度出现了一定的干扰渡动，传感器电源高频采样下传感器电 刷与基本不连续接触都是干扰的来源经过滤波后对比，发现仿真曲线与实测曲线基本 一致此外，文中对平均分、合闸速度进行了对 匕。 j日g 浙江大学硕士学位论文v s i 断路器工作原理及操动机构动力学建模 合闸位移对比 分闸速度对比 图2 7 ：触头位移速度仿真结果与实测结果对比 平均分闸速度与平均合闸速度的对比如表2 2 。从表中可以看出，断路器动触头速 度仿真与实测结果基本一致，平均分闸速度误差 忙 杠 器面茜 裔 裔裔 黼黼黼 c ! 旰i 摹；演 赢赢赢 彗 圜嘲 出u 缸