（机械工程专业论文）真空高压开关操动机构的研究.pdf

摘要 为了提高高压开关的性能、可靠性和使用寿命，需要合理的选择高压开关的主 要参数。通过初步静态、动态设计，综合利用c a d c a e 技术，对高压开关的电磁 操动机构进行仿真分析和研究，以达到优化机构，提高机构动态性能的目的。论文 的主要研究内容： 首先对真空高压开关的电磁操动机构的特点、机械参数进行了分析；然后用 p r o e n g i n e e r 构建真空高压开关电磁操动机构的模型，建立了电磁操动机构的三维 实体模型，为导入a d a m s 中进行仿真工作做好准备。 将p r o e n g i n e e r 构建的三维实体模型导入美国m d i 公司开发的机械系统动力 学自动分析软件a d a m s 中，在a d a m s 中添加约束和驱动力，对仿真模型进行 进一步设计。 最后利用a d a m s 对模型进行动态仿真分析，动态模拟机构模型在不同参数下的 运动情况，得到多组仿真结果，并对仿真结果进行分析、优化，得到更为合理的机 构参数。 通过真空高压开关的操动部分进行设计和动态仿真，获得了高压开关合闸瞬间 机械操动部分的动态特性；对影响真空高压开关合闸时动触头反弹的主要因素进行 了分析和研究，并在此基础上进行了优化设计。 关键词：高压开关，电磁操动机构，p r o e n g i n e e r ，a d a m s ，优化设计 a bs t r a c t i no r d e rt oe n h a n c et h ep e r f o r m a n c e ，r e l i a b i l i t ya n ds e r v i c el i f eo ft h eh i g h - v o l t a g e s w i t c h ，t h em a i np a r a m e t e r so ft h eh i g h - v o l t a g es w i t c hn e e dt ob ec h o s e nr e a s o n a b l y i n t e r m so ft h ec o m b i n e dm e t h o do fs t a t i ca n dd y n a mi cd e s i g n s ，t h es t r u c t u r eo ft h e h i g h v o l t a g e s w i t c ha c t u a t o ri sa n a l y z e d i no r d e rt oo p t i m i z et h es t r u c t u r eo ft h e e l e c t r o m a g n e t i ca c t u a t o ra n di m p r o v ei t sd y n a m i cp e r f o r m a n c e s ，c a d c a et e c h n o l o g yi s a p p l i e dt ot h es i m u l a t i o na n a l y s i sa n dr e s e a r c ho f t h ee l e c t r o m a g n e t i ca c t u a t o r t h i sp a p e ri so r g a n i z e da sf o l l o w s ： a tf i s t ，t h ec h a r a c t e r sa n dm e c h a n i c a lp a r a m e t e r so fe l e c t r o m a g n e t i cd e v i c ea r e a n a l y z e d w i t hp r o e n g i n e e rs o f t w a r e ，t h e3 dm o d e lo ft h ee l e c t r o m a g n e t i cd e v i c eo f v a c u u mh i g h - v o l t a g es w i t c h ，w h i c hi su s e df o rs i m u l a t i o ni na d a m s ，i ss e tu p t h e nt h e3 dm o d e li s e x p o r t e dt oa d a m s ad y n a m i cs i m u l a t i o ns o f t w a r e o f m e c h a n i c a ls y s t e md e v e l o p e db ym d ic o t h es i m u l m i o nm o d e li sd e v e l o p e df u r t h e ra f t e r l o a d sa n dc o n s t r a i n t si m p o s e d ， a tl a s t ，s i m u l a t i o nr e s u l t so fd i f f e r e n tg r o u p so fp a r a m e t e r sa r eo b t a i n e db yt h ed y n a m i c s i m u l a t i o na n a l y s i sw i t ha d a m s t h eo p t i m a lg r o u pi sa c q u i r e dt h r o u g ht h ea n a l y s i so f s i m u l a t i o nr e s u l t s a f t e rt h ed e s i g na n ds i m u l a t i o n ，t h ed y n a m i cc h a r a c t e r so ft h eh i g h - v o l t a g es w i t c h a c t u a t o ra tt h em o m e n to fb e i n gc l o s e da r eo b t a i n e d t h em a i nf a c t o r sw h i c ha f f e c tt h e c o n t a c t o rb o u n c ea r ea n a l y z e d b a s e do nt h i sa n a l y s i s ，t h eo p t i m a ld e s i g ni si m p l e m e n t e d k e yw o r d s ：h i g h v o l t a g es w i t c h ，e l e c t r o m a g n e t i ca c t u a t o r , p r o e n g i n e e r , a d a m s ， o p t i m a ld e s i g n 2 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞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了谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解叁盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤盗盘鲎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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 导师签名： 签字日期：年月日签字日期：年月日 第一章绪论 1 1 问题的提出 第一章绪论 随着国民经济的发展和人民物质文化生活水平的不断提高，对电力的需求量越 来越多，促使电力事业迅速发展，电网不断扩大，供电质量和供电可靠性的要求也 越来越高。在配电和供电系统中，由于高压开关的特殊作用，其可靠性和免维护的 要求更高，因此世界各国对高压开关的理论研究和设计开发一直在不断进行着。 从2 0 世纪6 0 年代中期，伴随着各种技术的发展，两种新型的无油开关得以快 速发展，即s f 6 开关和真空开关。由于真空开关具有一系列优点，在中高压领域 ( 3 3 5 k v ) 中处于绝对的领先地位，据全球市场1 9 9 0 年销售量的统计，各种断路器 的应用依次为：含油断路器8 ，磁吹断路器1 2 ，s f 6 开关1 5 ，真空开关6 5 【。 1 9 9 3 年国外真空开关在配电系统中达7 0 以上，中压领域占9 0 以上【2 】。日本到1 9 7 8 年2 5 万台柱上油断路器全部被换成柱上真空开关，到1 9 9 8 年，日本对1 2 k v 电压 等级的开关几乎全部用真空开关，1 9 9 0 年占有率达到8 0 ；2 0 世纪8 0 年代末期英 国真空开关的市场占有率约为5 0 ；美国中压真空开关主要应用于发电部门( 3 0 ) 、 工业部门( 4 5 ) 和建筑部门( 2 5 ) ；在我国近几年真空开关市场的市场占有率更是优 于s f 6 断路器；1 9 9 6 年国内生产的i o k v 各类断路器中，s f 6 断路器占4 7 8 ，真空 开关占6 4 9 3 。1 9 9 7 年s f 6 断路器占6 3 4 ( 约6 0 0 0 台) ，真空开关占7 0 7 9 ( 约 5 0 0 0 0 台) 1 3 j ，可见真空开关的使用越来越得到大家的认同。 目前应用真空开关存在的主要问题有以下几个方面： ( 1 ) 真空灭弧室漏气，真空度不足，导致开断和关合能力的不稳定。例如：某电 力局1 9 9 4 1 9 9 5 年间相继发生1 3 台真空灭弧室真空度不足的故障；江西某电厂 1 9 9 6 年安装1 8 支灭弧室就发现3 支严重漏气1 4 j 。 ( 2 ) 真空开关在切合电容器组型式试验中一次性通过率不理想。浙江电研所、 绍兴电力局系统试验站在报告中指出：1 9 9 8 年1 3 台i o k v 真空开关试验中一次性通 过率只有7 6 9 5 。而3 5 k v 真空开关，资料统计到2 0 0 5 年，没有一个制造厂的产品 能顺利地一次性通过试验( 包括外商独资企业) 1 5 】。 ( 3 ) 真空开关的机械故障率较高。一些真空开关固定柜特别是由g g - i a 型柜改装 而成的分体式真空开关固定柜，由于改进的传动系统存在设计、制造、装配等问题， 不能使操动机构与真空开关达到最佳匹配，而导致拒分、拒合、误动等故障时有发 第一章绪论 生l 刚。 ( 4 ) 触头熔焊及破损。 在上述问题中，问题( 2 ) ，( 3 ) ，( 4 ) 主要是由于真空开关机械部分的原因引起 的，由于工农业的不断发展，电力系统的电力容量逐年增加，工程应用中对于真空 开关性能要求也越来越高，所以迫切需要提高真空开关的性能，其中改善机构的操 作性能，提高真空开关的使用可靠性和寿命。 满足工程应用中的客观需求是真空开关研究中的一项很重要的课题。因真空开 关市场占有率逐年增加，故障也呈逐年增加的趋势，其故障的发生主要集中在机械 部分。根据近几年的调查统计资料显示，在高压开关的故障中，非电类故障率接近 7 0 ，其中4 0 以上的属于操动机构故障。由此可见，高压开关操动机构事故在整 个高压开关事故中占有很大的比例。因此加强真空开关的机构的研究，特别是操动 机构的合理设计和进一步的优化设计变得尤为重要。 1 2 高压开关性能研究的回顾 从国、内外的研究资料来看，目前的很多研究集中在电性能和触头材料的研究 等方面，对于机械部分的研究较少。在真空开关的机械方面展开的研究主要有：历 雷和高劭鸿研究了真空开关的运动特性，涉及到整个系统的质量、力和速度、传动 比和传动效率的计算，最终归结到真空开关触头的合、分闸速度和时间的计算【7 ； 叶忻泉分析了脱扣后机构和杆件的实际运动情况，提出了一种完全符合断路器实际 情况的机构分断动作固有时间的计算方法【8 j 。沈聿修提出了等效质量计算中简明的 图解方法一j ；潘立新等在向量法的基础上推出了具有理想约束的平面多环多刚体系 统的计算及摩擦的动力学方程i lu j ；吴伟光等通过对弹簧操动机构的凸轮一连杆机 构的运动分析，建立了真空开关用操动机构的优化数学模型，并利用m a t l a b 语 言的优化工具箱实现了优化过程j 。 吴伟光等研究了1 0 k v 真空开关操动机构的性能，分析了凸轮机构对操动机构 力矩输出特性的影响，得到适合断路器负载特性的凸轮机构【1 2 】。陈晓南通过改变 弹簧的驱动力特性，使操动机构的输出特性与真空开关的负载特性相匹配【1 3 】。张 罗平等利用激光、光纤的莫尔光栅传感器，实测真空开关的触头运动特性【1 4 】；郑 晓芳讨论了用数值计算方法计算触头的振动过程i l5 j ；苑舜研究了真空开关灭弧室 触头开、合过程中与灭弧过程相配合的运动特性，说明了机械特性在真空开关中的 重要性1 1 6 j ；l a i m l 通过分析机架的振动信号，对真空开关的故障进行诊断l 【1 。7 】邹 建等对动触头振动特性对电性能的影响进行了研究【l8 j ；e d g a r d u l l i n t 分析了高压开 第一章绪论 关在电磁环境下高频工作时发生碰撞现象的影响因素【1 9 】：a r o n 探讨了断路器线路 测试和情况监听的发展【2 0 】；b a r k a np e t a l 为h v c b 的监测提供了方法【2 。 1 3 论文的主要工作和研究目的 国内、外研究表明，高压开关的操动机构的故障，是高压开关故障率高的一个 重要原凶。从高压开关的发展趋势分析，高压开关的操动机构是趋向于结构简单， 工作可靠。设计出结构简单，工作安全可靠，输出动力特性合理的操动机构，是设 计工作的重点。论文主要是对真空高压开关的操动部分进行设计和动态仿真，获得 高压开关合闸瞬间机械操动部分的动态特性。分析影响触头弹跳时间与主要结构之 间的关系，并对影响高压开关性能的主要机构进行优化设计。 主要进行了以下工作： ( 1 ) 对真空高压开关的电磁操动机构的特点、机械参数进行了分析。 ( 2 ) 用p r o e n g i n e e r 构建真空高压开关电磁操动机构的模型，建立了电磁 操动机构的三维实体模型，为导入美国m d i 公司开发的机械系统动力学自动分析软 件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 ) 中进行仿真工 作做好准备。 ( 3 ) 将p r o e n g i n e e r 三维实体导入a d a m s 中，在a d a m s 中添加约束和驱动力， 对仿真模型进行进一步设计。 ( 4 ) 运用a d a m s 对模型进行动态仿真分析，动态模拟机构模型在不同参数下 的运动情况，得到多组仿真结果，并对仿真结果进行分析、研究。 高压开关操动机构的研究，以前一直是采用试验的的方法分析高压开关合闸瞬 间机械操动部分的动态特性，通过试验分析影响触头弹跳时间与主要结构之间的关 系，并得出结果，这样可能会耗费很大的人力物力资源。利用计算机通过a d a m s 软件进行动态模拟，模拟机构在不同参数下的运动情况，得到多组仿真结果，并对 仿真结果进行分析、研究，为高压开关的设计提供依据，减少制造物理样机的费用。 第二章真空高压开关简介 第二章真空高压开关简介 主要包括真空高压开关的结构、真空高压开关操动机构的分类、真空高 压开关操动机构的特点、真空高压开关对操动机构的要求、真空高压开关机械 参数的选择等儿方面的内容。 2 1 真空高压开关的结构 真空开关以真空作为灭弧介质和绝缘介质，动、静触头被封闭在真空灭 弧室中。它的特点是开断能力强，体积小，无污染，操作简单，易维护，适 合于频繁操作的场合。在中低压领域，特别是在配电网自动化中得到了越来 越广泛的应用。 真空高压开关主要由两部分组成：真空灭弧室和操动机构。 真空灭弧室的结构主要由导电杆、外壳、屏蔽罩、触头、波纹管和其它 零件组成。真空灭弧室是真空开关的关键部件，直接决定真空开关的用途、 使用场合以及有关技术参数。导电杆伸出灭弧室的部分与操动机构相连，将 操动机构的动力传递给动触头，实现电路的开合。触头在真空室中分、合电 路时，将产生真空电弧。由于高真空间隙的绝缘强度比其它介质都高很多， 因此可以利用真空的绝缘性，在灭弧室里，使触头之间的电弧可以在很短的 距离内熄灭。 在开关本体外的机械操动装置统称为操动系统。操动系统包括操动机 构、传动机构、提升变直机构、缓冲装置等几个部分【2 2 1 ，如图2 1 所示： l j 开关本体 图2 - 1 操动系统的组成框图 4 第二章真窄高压开关简介 2 2 真空高压开关操动机构的分类 真空高压开关作为一种性能优越的电器，以其体积小、重量轻、寿命长、 维护方便、安全等优点，在中低压市场中占据着主要地位，并且随着技术的 不断发展，在高压领域也逐渐得到应用。2 0 世纪9 0 年代以来，i o k v 的真空 开关的产量以高于2 0 的速率增长。真空开关作为一种优于其它灭弧介质的 开关电器，越来越多的应用在电力系统中。随着电力系统的发展，对中、高 压电器提出的要求也越来越高，真空开关开始向小型化、大容量、高电压和 高可靠性方向发展。同时，真空电弧理论的发展、新触头材料的发现、纵磁 场触头结构的应用和操动机构性能的改进都促进了真空高压开关的发展。 操动机构可以按照驱动方式区分为以下几类： ( 1 ) 手动操动机构 靠手动直接合闸的操动机构称为手动操动机构。 ( 2 ) 液压操动机构 液压操动机构利用液压作为动力传递介质，操动方式有两种：直接驱动 式和储能式。 ( 3 ) 电动机操动机构 利用电动机经减速装置带动开关合闸的操动机构称为电动机操动机构。 ( 4 ) 气动操动机构 利用压缩空气作为能源产生推力的操动机构称为气动操动机构。 ( 5 ) 电磁操动机构 靠电磁力合闸的操动机构称为电磁操动机构。 电磁操动机构的优点是：机构简单、工作可靠、制造成本低。 电磁操动机构的缺点是： 合闸线圈消耗的功率太大，因而用户需配备价格昂贵的蓄电池组。 电磁操动机构的机构笨重，合闸时间长。 电磁操动机构主要用来操作1 2 6 k v 及以下的开关。 ( 6 ) 弹簧操动机构【2 3 】 利用已储能的弹簧为动力使开关动作的操动机构称为弹簧操动机构。弹 簧储能通常由电动机通过减速装置来完成。 弹簧操动机构大致可分为弹簧储能、维持储能、合闸与维持合闸、分闸 等部分。 第二章真空高压开关简介 弹簧操动机构的优点是： 不需要大功率的直流电源； 电动机功率小； 交直流两用； 适宜于交流操作； 暂时失去电源时，仍然可以操作一次。 弹簧操动机构的缺点是： 结构比较复杂，零件数量多； 加工要求高； 随着机构操作功的增大，重量显著增加。 弹簧操动机构一般只用于1 2 6 k v 及以下的开关，弹簧储能为几百到几千 焦耳。 ( 7 ) 永磁操动机构【2 4 】 永磁机构，就是用永磁体实现合闸保持和分闸保持( 有时只用永磁体做 合闸保持而不做分闸保持) 的一种形式的电磁操动机构。永磁机构的合闸都 采用电磁操动。按照机构的分闸操作时的不同，永磁机构可以分为电磁操动 ( 双稳态) 和弹簧操动( 单稳态) 两种形式。 这种操动机构由于取消了脱、锁扣装置，而采用永久磁铁进行终端位置 的保持，动作元件和零部件数目明显减少，因而可靠性大大提高。 目前永磁机构在国内还是一种全新的操动机构，有三个方面的问题需要 进一步解决：永磁体的可靠性、储能电容的寿命和电子控制装置的可靠性。 永磁机构与传统的电磁机构的根本区别就在于永磁机构使用的永磁体，所以 永磁体的退磁问题就摆在了很突出的位置。当前使用的永磁体在受到强烈机 械冲击、高温和反向磁场的作用时，都可能部分或者全部的退磁。在这些问 题彻底解决之前，永磁机构还不能完全代替其他传统的操动机构。因此传统 的操动机构还在高压市场中被广泛的使用。 2 3 真空高压开关操动机构的特点 纵观高压开关的发展历史，操动机构对高压开关的发展影响很大。例如 大功率液压操动机构的出现，对超高压少油开关和六氟化硫开关的发展起了 决定性作用。现代超高压开关的开断时间已缩短为早期产品的十分之一，达 到一定的水平，主要也是操动机构改进的结果。 6 第二章真空高压开关简介 作为电网主要保护和控制组件的高压开关，其动作可靠性是极为重要 的。这就要求开关在各种自然环境、各种线路条件下都能可靠的开合电路； 要求开关具有一定的机械寿命和电气寿命。开关该动时不动，不该动时误动， 都会给电力系统带来巨大的损失。据统计，在开关工作的各种故障中，机械 故障居首位，而且不少电气故障也是由机械故障造成的。因此，提高机械系 统的可靠性有很重要的意义。 电器设备中，开关及其操动机构的机械故障比之其它可动设备，例如电 机的机械故障多很多。其所以如此，主要是由开关与操动机构的下列特点造 成的。 ( 1 ) 从结构上看。开关及其操动机构从机械上分析常是不够合理的， 如润滑系统差，动作环节多等。动作环节多，出现故障的可能性就增加。 ( 2 ) 从工作情况看。高压开关及其操动机构常年处于不动的工作状态， 有些开关一年也只动作一二次，隐患不容易暴露。 ( 3 ) 从工作环境看。高压开关及其操动机构大部分在户外工作，条件 比较恶劣。 ( 4 ) 从设备种类看。开关与操动机构的类型太多，同类型的各种产品 在结构上也有很大的差异，因此在制造和维修方面积累经验比较困难。 为了减少机械故障，提高产品质量，应该努力改进结构设计，提高加工 精度和加工质量。例如，提高操动机构关键部件的设计精度，在设计阶段， 进行仿真分析，消除不合理因素，使产品的设计与实际要求最大限度的吻合 【2 2 1 。 2 4 真空高压开关对操动机构的要求 高压开关的全部功能都体现在动、 合动作要通过操动机构来实现。 操动机构是开关的重要组成部分， 静触头的分、合动作上，而触头的分 开关的工作可靠性在很大程度上依赖 于操动机构的动作可靠性。开关事故分析表明，由于操动机构原因而导致的 开关事故占总事故的6 0 以上，足见操动机构对开关工作性能和可靠性起着 至关重要的作用【2 2 1 。 操动机构的动作性能必须满足开关的工作性能和可靠性的要求，这些要 求有： ( 1 ) 有足够的短路关合能力。操动机构不仅在开关正常工作的情况下 7 第二章真空高压开火简介 能顺利合闸，而且当开关关合到有预伏短路故障的电路时，操动机构必须能 克服短路电动力的阻碍，顺利分闸。 ( 2 ) 合理的输出特性以保证开关动触头的分、合闸速度，并在分合闸 终了时，其剩余能量不致造成开关的过分振动和零部件的损伤。 ( 3 ) 操动机构中有保持合闸状态的装置，保证在合闸命令及操作功消 失后仍能使开关保持在合闸位置，并且不会误分闸。操动机构在合闸过程中， 合闸信号维持的时间很短，操动机构的操作力也只在短时间内提供，因此， 操动机构必须保证在合闸信号和操作力消失以后，使开关能可靠地保持在合 闸位置。 ( 4 ) 操动机构应保证能源( 电压、液压、气压) 在一定变化范围内可 靠动作，如在额定值的8 0 或8 5 - - - 11 0 的范围内可靠合闸，在额定值的6 5 - - - 1 2 0 的范围内可靠分闸。 ( 5 ) 接到分闸信号能够准确快速的分闸，满足灭弧室性能要求的分闸 速度。并使开关可靠的保持在分闸位置。 ( 6 ) 具有自动脱扣和防跳跃能力。 ( 7 ) 动作快速、机械寿命长和便于维修等【2 5 】。 2 5 真空高压开关机械参数的选择 目前真空开关在国内外得到了广泛的应用，广大用户需了解和掌握真空 开关的原理、结构、使用和维护等方面的知识。以下将为真空高压开关机械 参数的选择提供一些技术参考，为第五章动态仿真的参数分析提供依据。 ( 1 ) 额定开距真空开关处于分闸状态时，真空开关管动、静触头之 间的距离选择与真空开关的额定电压、使用条件、开断电流的性质及触头材 料、真空间隙的耐压强度等因素有关，主要取决于额定电压和触头材料。由 于真空开关管的额定开距对绝缘性能的影响较大，当额定开距从零开距增大 时，其绝缘水平也将提高。 但当开距增大到一定数值时，开距对绝缘性能的影响就不大了，若进一 步增大开距，将严重影响真空开关管的机械寿命。通过对真空开关的安装、 运行及检修得出真空开关额定开距选择范围为：6 k v 及以下一般为4 - - 8 m m ， l o k v 及以下一般为8 1 2 m m ，3 5 k v 一般为2 0 - - - - 4 0 r a m 。 ( 2 ) 触头接触行程触头接触行程的选择必须保证触头在磨损后仍能 保持一定的压力；在分闸时使动触头获得一定的初始动能，提高开关的初始 第二章真空高压开关简介 分闸速度，拉断熔焊点，减小燃弧时间，提高介质恢复速度；在合闸时能利 用触头弹簧得到平滑的缓冲，减小弹跳。 开关的接触行程太小不能保证触头在烧毁后具有的触头压力，开关的初 始速度太小，影响真空开关的开断和动热稳定性，同时产生严重的合闸弹振。 开关的接触行程太大，将增加操作机构的合闸功，或者使合闸变得极不可靠。 通常真空开关的触头接触行程一般取额定开距的2 0 一- - 4 0 ，1 0 k v 真空开关的 接触行程一般取3 4 m m 。 ( 3 ) 触头工作压力 真空开关触头的工作压力对真空开关的性能有很 大的影响，其压力等于真空开关管的自闭力与触头弹簧力之和。如果触头的 工作压力太小，将增长触头合闸时的弹跳时间，同时，造成一次回路的电阻 增大，直接影响真空开关的长期工作温升。如果触头的工作压力太大，由于 真空开关管管的自闭力是一个恒定值，就要增加触头的弹簧力，造成操作机 构的合闸功增加，增大对真空开关管的冲击和振动。 在实际工作中不仅要考虑触头问的电动力除与短路电流峰值有关外，还 必须考虑触头结构及尺寸大小，同时，还必须考虑触头的硬度、分闸速度等 因素。总之，必须在实践中进行综合考虑。真空开关的触头接触压力根据分 断电流大小得出的经验数据是：分断电流为1 2 5 k a 时，选择压力为5 0 0 n ； 分断电流为1 6 k a 时，选择压力为7 0 0 n ；分断电流为2 0 k a 时，选择压力为 9 0 0 1 2 0 0 n ；分断电流为3 1 5 k a 时，选择压力为1 4 0 0 - - - 1 8 0 0 n 。 ( 4 ) 分闸速度由于分闸速度直接影响电流过零后触头间介质强度恢 复的速度，如果电弧熄灭后，触头间介质强度恢复速度小于恢复电压，将造 成电弧重燃。为了防止电弧重燃，以及缩短燃弧时间，必须符合分闸速度的 要求。分闸速度的大小主要取决于额定电压，当额定电压和触头开距一定时， 分闸速度的变动范围取决于开断电流的大小、负载性质、恢复电压等因素。 开断电流较大时，分闸速度也应较大，开断电容电流时，由于恢复电压较高， 为了减小重燃的几率，分闸速度也应较大。 1 0 k v 真空开关分闸速度通常取值为0 8 1 2 m s ，必要时还可以高至 1 5 m s 。实际上，对开断能力影响最大的是初始分闸速度，而不是平均分闸 速度，因而，一些高性能的真空开关，及3 5 k v 级的真空开关，通常考核刚 分闸时几m m 内的分闸速度，似乎分闸速度越大越好，但实际并非如此，分 闸速度越大，引起的分闸弹振越厉害，过冲也就越厉害，这样对开关管波纹 管的振动、压缩也就越严重，容易造成波纹管提早损坏而漏气，同时，对整 机的振动也越大，容易造成零部件的损坏。 ( 5 ) 合闸速度 由于真空开关管在额定开距时的静态耐压水平比较 9 第二章真字高压开关简介 高，所以真空开关的合闸速度比分闸速度明显低。为了尽量减小触头在合闸 过程中由于预击穿造成的电磨损，以及避免发生触头熔焊，因此必须具备一 定的合闸速度，但过高的合闸速度不仅增加操作机构的合闸功，同时使开关 管受到的合闸冲击增大，大大降低其使用寿命。通常情况下1 0 k v 级的真空 开关的合闸速度为0 4 0 7 m s ，必要时可取为0 8 1 2 m s 。 表2 - 1 真空高压开关机械参数的选择 额定开距选择范围 额定电压额定开距选择范围 6 k v4 8 m m 1 0 k v8 1 2 m m 3 5 k v2 0 - 4 0 触头接触行程( 一般为额定开距2 0 - 4 0 ) 1 0 k v3 - 4 m m 触头接触压力 分断电流触头接触压力 1 2 5 k a5 0 0 n 1 6 k a7 0 0 n 2 0 k a9 0 0 - 1 2 0 0 n 3 1 5 k a1 4 0 0 1 8 0 0 n 分闸速度 1 0 k v 通常取值0 8 1 2 m s 必要时1 5 m s 合闸速度 1 0 k v 一般为0 4 - 0 7 m s 必要时可以为0 8 一1 2 m s 合闸弹跳时间 1 0 k v 铜铬触头材料 o 时，对机构进行动力学分析，即分析其运动是由于保守力和非 保守力的作用而引起的，并要求构件运动不仅满足约束要求，而且要满足给 定的运动规律。它又包括静力学分析、准静力学分析和瞬态动力学分析。动 力学的运动方程就是机构中运动的拉格朗日乘子微分方程和约束方程组成 的方程组。 当d o f - 5 咖0 j 0 咖0 m p r om o d 国 、一一一一一一2 舞点_ 1 暇 3 图5 - 5 主弹簧刚度变化时动触头速度动态仿真曲线 1 主弹簧刚度为3 5 n m m ； 2 主弹簧刚度为4 0 n m m ； 3 主弹簧刚度为4 5 n m m 。 由主弹簧刚度变化时动触头的位移动态仿真曲线可知：当主弹簧刚度分 别为3 5n m m 、4 0 n m m 、4 5 n m m 时动触头的位移益线差别很小，在图5 5 中几 乎显示为同一条曲线，速度曲线变化也比较小，所以主弹簧刚度在3 5 n m m 至1 4 5 n m m 之间变化时对动触头运动的影响很小。 图5 - 6 主弹簧刚度变化时动触头位移动态仿真曲线 1 主弹簧刚度为4 0 n m m ； 2 主弹簧刚度为1 0 n m m ； 3 主弹簧刚度为2 0 0 n m m 第五章仿真结果分析及优化 图5 - 7 主弹簧刚度变化时动触头速度动态仿真曲线 1 主弹簧刚度为4 0 n m m ； 2 主弹簧刚度为1 0 n m m ； 3 主弹簧刚度为2 0 0 n n l m 。 当主弹簧刚度分别为1 0n m m 、4 0 n m m 、2 0 0 n m m 时动触头的位移和速度 动态仿真曲线如图5 - 6 、5 - 7 所示。两图中曲线1 是主弹簧刚度为4 0n m m 时的 位移和速度曲线，曲线2 主弹簧刚度为1 0n m m 时的位移和速度曲线，曲线3 主弹簧刚度为2 0 0n m m 时的速度和位移曲线。由当主弹簧刚度分别为1 0 n m m 、3 5n m m 、4 0 n m m 、4 5n m m 、2 0 0 n m m 时动触头的位移和速度动态 仿真曲线可知：主弹簧刚度在刚度较小的时候对动触头的运动情况影响不 大，随着主弹簧刚度增大位移和速度曲线越来越平缓，主要是由于主弹簧的 反作用力起作用阻碍的合闸的正常运行，但是对动触头弹跳情况的影响不 大，本论文只对影响动触头弹跳的因素进行分析和考虑，所以主弹簧刚度不 作为影响动触头合闸时弹跳的主要因素。 ( 2 ) 触头弹簧的刚度变化对触头运动情况的影响 对触头弹簧的刚度分别为8 0 0 n m m 、8 5 0n m m 、9 0 0 n m m 、9 5 0n m m 、 1 0 0 0 n m m 、1 0 5 0n m m 时动触头进行仿真分析，由于图线太多不易表示，所 以以下仅画出触头弹簧的刚度为8 0 0 n m m 、9 0 0 n m m 、1 0 0 0 n m m 时动触头的位 移和速度动态仿真曲线来表示触头弹簧刚度变化时动触头的位移和速度变 化趋势。 合闸时触头弹簧的刚度分别为8 0 0 n m m 、9 0 0 n m m 、1 0 0 0 n m m 时动触头的 位移动态仿真曲线如图5 - 8 所示： 3 9 第五章仿真结果分析及优化 图5 - 8 触头弹簧刚度改变时动触头的位移动态仿真曲线 l 触头弹簧刚度9 0 0 n r u m ； 2 触头弹簧刚度1 0 0 0 n m m ； 3 触头弹簧刚度s o o n 删。 合闸时触头弹簧的刚度分别为8 0 0 n m m 、9 0 0 n m m 、1 0 0 0 n m m 时动触头的 速度动态仿真曲线如图5 9 所示： 图5 - 9 触头弹簧刚度改变时动触头的速度动态仿真曲线 1 触头弹簧刚度9 0 0 n m m ： 2 触头弹簧刚度1 0 0 0 n m m ； 3 触头弹簧刚度8 0 0 n m m 。 测得合闸时触头弹簧的刚度分别为8 0 0 n m m 、9 0 0 n m m 、1 0 0 0 n m m 时动触 第五章仿真结果分析及优化 头与静触头第一次碰撞时静触头的受力分别为：1 7 8 2 5 7 8 6 n ，2 2 4 9 8 7 4 1 9 n ， 2 5 6 5 5 0 n 。 合闸时当触头弹簧的刚度为8 0 0n m m 、9 0 0n m m 、1 0 0 0n m m 时动触头 回弹量、动触头与静触头碰撞前的速度、静触头的受力情况进行比较列表5 1 如下： 表5 - 1 动触头回弹量、动触头与静触头碰撞前的速度、静触头的受力情况 触头弹簧刚度动触头回弹量碰撞前平均速度静触头最大受力 ( n m m ) ( m m ) ( m s e c ) ( n ) k ：8 0 02 7 2 40 8 9 21 4 8 2 5 7 8 6 k ：9 0 00 7 2 50 8 6 02 2 4 9 8 7 4 2 k = 1 0 0 00 3 2 50 8 4 3 2 5 6 5 5 0 0 9 2 通过改变触头弹簧的刚度得到多组数据的仿真结果，触头弹簧的刚度和 动触头弹跳量的关系如图5 1 0 所示： 图5 - 1 0 触头弹簧的刚度和动触头弹跳量的关系 由触头弹簧不同刚度时动触头的位移和速度动态仿真曲线及表可知：随 着触头弹簧刚度的增大动触头和静触头碰撞后反弹的量越小，回弹次数越 少，由反弹情况来看要求触头弹簧的刚度越大越好。但是随着触头弹簧刚度 的增大将对静触头产生作用力越大，因此要求触头弹簧的刚度越小越好。由 速度曲线可知触头弹簧的刚度的改变对碰撞前动触头的运动情况影响不大。 所以，触头弹簧的刚度应该有一个比较合适的值使动触头反弹量尽可能的 4 l 第五章仿真结果分析及优化 小，同时又能满足静触头受力的要求。 ( 3 ) 触头弹簧的预紧力的变化对合闸动触头弹跳的影响 对触头弹簧的刚度为9 0 n 、9 5 n 、1 0 0 n 、1 0 5 n 、1 1 0 n 时动触头的位移进行 动态仿真分析和研究，由于图线太多不易表示，所以以下仅画出触头弹簧的 刚度为9 0 n 、1 0 0 n 、1 1 0 n 时动触头的位移动态仿真曲线来表示触头弹簧预紧 力变化时动触头的位移变化趋势。曲线如图5 - 1 1 所示： 图5 - 1 1 触头弹簧预紧力变化时动触头位移动态仿真曲线 1 预紧力f = 1 0 0 n ：2 预紧力f = 9 0 n ：3 预紧力f = i1 0 n 触头弹簧的刚度为9 0 n 、1 0 0 n 、1 1 0 n 时动触头的速度动态仿真曲线如图 5 - 1 2 所示： 1 0 0 0 0 d1 一 - 晰j i o 喇 薯 鼍- i 莓0 0 0 耋 0 d 1 1 3 图5 一1 2 触头弹簧刚度变化动触头速度动态仿真曲线 l 预紧力f = 1 0 0 n ；2 预紧力f = 9 0 n ；3 预紧力f = i1 0 n 4 2 第五章仿真结果分析及优化 测出触头弹簧的刚度为9 0 n 、1 0 0 n 、l i o n 时合闸结束后动、静触头间的 压力分别为：2 4 6 3 2 2 3 n ，3 0 7 7 9 7 8 n ，4 3 2 8 6 6 7 n 。 通过改变触头弹簧的预紧力得到多组数据的仿真结果，触头弹簧的预紧 力和动、静触头间压力的关系如图5 - 1 3 所示： ，饵) 图5 - 1 3 触头弹簧的预紧力和动、静触头间压力的关系 由以上三个图可知：当触头弹簧的预压力越小动触头的回弹量越小，碰 撞时的速度变化越小，回弹次数越少，由此可知触头弹簧的预压力越小越好。 由预紧力变化合闸后动、静触头间的压力变化曲线可知：随着预紧力的减小 动静触头间的压力越小，则分闸时的速度越小。由此可知触头弹簧的预紧力 应有一个合适的值使合闸时动触头弹跳越小，又能满足分闸的要求。 5 3 模型参数化和优化