（机械电子工程专业论文）基于adams的高压真空开关合闸参数优化.pdf

华北电力大学硕士学位论文 摘要 高压真空开关的合闸参数，直接影响着开关的性能、可靠性和使用寿命。通过 灵敏度分析，综合利用c a d c a e 技术，参数化建模技术，对高压真空开关的合闸参 数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。 本论文运用三维造型软件p r o e n g i n e e r 建立了操动机构的三维实体模型。通过 p r o e n g i n e e r 与a d a m s 之间的接口程序m e c h a n i s m p r o ，将模型输入到a d a m s 中进 行仿真。然后，定义模型中各构件之间的约束，定义各构件之间的接触力，施加载 荷，定义仿真时间和步长。以操动机构中合闸弹簧和触头弹簧的刚度系数为灵敏度， 通过参数化分析j 得到多组仿真结果，对输出曲线进行分析、研究。以找到最优的 合闸参数。从而减少开关的试制费用，为物理样机的定型提供优化参数。 关键词：高压真空开关，合闸参数，a d a m s ，优化 a b s t r a c t s w i t c h i n gp a r a m e t e ro fh i g hv 0 1 t a g ev a c u u ms w i t c hi n n u e n c e st h er e l i a b i l h ya n dt l l es e n ，i c el i f eo f t h eh i 曲v o l t a g ev a c u u ms w i t c hd i r e c t l y s e n s i t i v e n e s sa n a l y z i n g ，c a d c a et e c l u l o l o g y ，p a r a n 】e t e r i 勰 m o d e lb u i l d i n ga r ea p p l i e dt ot 1 1 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 fm es w i t c h i n gp 扰l n l e t e ro fh i 曲 v o l t a g ev a c u u ms w i t c hi no r d e rt oo p t i m i z e 也es 仃u c t u r eo ft l l em e c h a n i s m p r o e ，t h e3 一dm o d e l i n gs o f h v a r e ，i su s e dt 0e s t a b l i s ht h es o l i dm o d e l so fm eo p e r a t i o n m e c h a n i s m t h em o d e l sa r ee x p o r t e dt 0a d a m st 0b es i m u l a t e dm r o u g hm ei n t e 商e m e c m n i s m ，p r 0b e t 、e e np r o ea n da d a m s t n ，n l ec o n s 仃a i n t sa n dt h ec o n t a c tf o r c e sa r r 的n g p a r t so fm em o d e l sa r ed e f i n e d ，g u i d ew a ya r ed e f i n e d ， l o a di si m p o s e do nt h em o d e l s ，s i m u l a t i o nt i m e a 1 1 ds t e p sa r cd e f i n e d d e f i n et h er i g i d i t yp a r a m e t e ro ft h es w i t c h i n gs p r i n ga u l dt h ec o n t a c ts p r i n g 罄m e s e n s i t i v e n e s s 。t h r o u 曲t h em e t h o do fp a r a m e t e r i z a t i o n ，s i m u l a t i o nr c s u l t sa r ea r l a l y z e db yc h a i 唱i n g r i g i d i t yp a r a m e t e ro ft h es w i t c h i n gs p r i n ga n dt h ec o n t a c ts p n n g ，o b t a i n st h em u l t i g r o u p ss i m u l a t i o n r e s u l t c h o o s et h er e a s o n a b l es w i t c h i n gp a r a m e t e rb yc a 吖i n g0 nr e s e a r c ht h ec u e s0 fs i m u l a t i o n 。 t h e n ，r e d u c e st h et r i a le x p e n s ea j l dp r 0 v i d e st h eo p t i m i z e dp a r a m e t e rf o rt h ep h y s i c a lp r o t o t y p e 。 s u ny a n ( m e c h a t r o n i c ss u b j e c t ) d i r e c t e db vp r o fc u iy a n b i n l ( e yw o r d s ：h i 曲v o l t a g ev a c u u ms w i t c h ，s w i t c h i n gp a r a m e t e r ，a d a m s ，o p t i m i z a t i o n 华北电力大学硕士学位论文 摘要 高压真空开关的合闸参数，直接影响着开关的性能、可靠性和使用寿命。通过 灵敏度分析，综合利用c a d c a e 技术，参数化建模技术，对高压真空开关的合闸参 数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。 本论文运用三维造型软件p r o e n g i n e e r 建立了操动机构的三维实体模型。通过 p r o e n g i n e e r 与a d a m s 之间的接口程序m e c h a n i s m p r o ，将模型输入到a d a m s 中进 行仿真。然后，定义模型中各构件之间的约束，定义各构件之间的接触力，施加载 荷，定义仿真时间和步长。以操动机构中合闸弹簧和触头弹簧的刚度系数为灵敏度， 通过参数化分析j 得到多组仿真结果，对输出曲线进行分析、研究。以找到最优的 合闸参数。从而减少开关的试制费用，为物理样机的定型提供优化参数。 关键词：高压真空开关，合闸参数，a d a m s ，优化 a b s t r a c t s w i t c h i n gp a r a m e t e ro fh i g hv 0 1 t a g ev a c u u ms w i t c hi n n u e n c e st h er e l i a b i l h ya n dt l l es e n ，i c el i f eo f t h eh i 曲v o l t a g ev a c u u ms w i t c hd i r e c t l y s e n s i t i v e n e s sa n a l y z i n g ，c a d c a et e c l u l o l o g y ，p a r a n 】e t e r i 勰 m o d e lb u i l d i n ga r ea p p l i e dt ot 1 1 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 fm es w i t c h i n gp 扰l n l e t e ro fh i 曲 v o l t a g ev a c u u ms w i t c hi no r d e rt oo p t i m i z e 也es 仃u c t u r eo ft l l em e c h a n i s m p r o e ，t h e3 一dm o d e l i n gs o f h v a r e ，i su s e dt 0e s t a b l i s ht h es o l i dm o d e l so fm eo p e r a t i o n m e c h a n i s m t h em o d e l sa r ee x p o r t e dt 0a d a m st 0b es i m u l a t e dm r o u g hm ei n t e 商e m e c m n i s m ，p r 0b e t 、e e np r o ea n da d a m s t n ，n l ec o n s 仃a i n t sa n dt h ec o n t a c tf o r c e sa r r 的n g p a r t so fm em o d e l sa r ed e f i n e d ，g u i d ew a ya r ed e f i n e d ， l o a di si m p o s e do nt h em o d e l s ，s i m u l a t i o nt i m e a 1 1 ds t e p sa r cd e f i n e d d e f i n et h er i g i d i t yp a r a m e t e ro ft h es w i t c h i n gs p r i n ga u l dt h ec o n t a c ts p r i n g 罄m e s e n s i t i v e n e s s 。t h r o u 曲t h em e t h o do fp a r a m e t e r i z a t i o n ，s i m u l a t i o nr c s u l t sa r ea r l a l y z e db yc h a i 唱i n g r i g i d i t yp a r a m e t e ro ft h es w i t c h i n gs p r i n ga n dt h ec o n t a c ts p n n g ，o b t a i n st h em u l t i g r o u p ss i m u l a t i o n r e s u l t c h o o s et h er e a s o n a b l es w i t c h i n gp a r a m e t e rb yc a 吖i n g0 nr e s e a r c ht h ec u e s0 fs i m u l a t i o n 。 t h e n ，r e d u c e st h et r i a le x p e n s ea j l dp r 0 v i d e st h eo p t i m i z e dp a r a m e t e rf o rt h ep h y s i c a lp r o t o t y p e 。 s u ny a n ( m e c h a t r o n i c ss u b j e c t ) d i r e c t e db vp r o fc u iy a n b i n l ( e yw o r d s ：h i 曲v o l t a g ev a c u u ms w i t c h ，s w i t c h i n gp a r a m e t e r ，a d a m s ，o p t i m i z a t i o n 南h 爿 ， - 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于a d a m s 的高压真空开关合闸参 数优化，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和 取得的研究成果。据本人所知，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，也不包含为获得华北电力大学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：孙差 日 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件：学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文：同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：栏 日期：丝噬么彳 导师签名： 日期：坦嗵：6 华北电力大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 ， 高压开关设备是输变电设备的重要组成部分。高压开关设备包括高压断路器、 负荷开关、接触器、隔离开关、熔断器、重合器、农用及铁道开关电器、高压开关 柜、成套开关设备、组合电器等各种产品。高压开关是电力系统中最主要的控制、 保护组件，对电网的安全运行起着关键作用。概括地说，高压开关在电网中主要起 两方面的作用：第一，控制作用。即根据电网的运行需要，用高压开关把一部分电 力线路和设备投入或退出运行。第二，保护作用。高压开关可以在电力线路或设备 发生故障时将故障部分从电网中快速切除，保证电网中无故障部分正常运行。如果 它们一旦在运行中发生故障或在故障时不能正常的动作，将会造成严重的后果，小 则引起一个地区的停电，给人们的社会生活带来很大的不便；重则导致电网瓦解、 系统崩溃，给国家的经济建设和政治生活带来不可弥补的重大损失。因此，高压开 关及其运行的可靠性直接关系到整个电力系统的安全运行和供电质量，在电力系统 中起着十分重要的作用。 真空开关是利用真空的高介质强度来灭弧的一种开关，作为新一代的、先进的 开关设备，近年来真空开关在电力行业得到了广泛的应用。从2 0 世纪5 0 年代开始， 世界各国在高压开关的理论研究和产品设计方面取得了巨大的进展。从产品类型来 看，原来高压和超高压电力系统中起主要作用的压缩空气开关几乎全部被六氟化硫 开关所取代。1 0 k v 3 5 k v 电压等级的多油和少油开关大有被真空开关取代的趋势而 且这一比例还将进一步上升。 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 8 8 年销售量的统计，各种断路器的应用依次为： 多油断路器1 ，少油断路器2 6 ，磁吹断路器2 ，s f 6 开关2 0 ，真空开关5 l 。 1 9 9 3 年国外真空断路器在配电系统中达6 0 以上，中压领域占9 0 以上1 。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断路器，到目前为止，日本对1 2 k v 电压等级的开关几乎全部用真空断路器，1 9 9 0 年占有率达到8 0 ：8 0 年代末期英国 真空断路器的市场占有率约为5 0 ；美国中压真空断路器主要应用于发电部门 ( 3 0 ) 、工业部门( 4 5 ) 和建筑部门( 2 5 ) ；根据e e c ( 共同体) 统计，9 0 年代初期 的中压市场，s f 6 和真空断路器的销售额之比为2 ：3 ；在我国近几年真空断路器市 场的市场占有率更是优于s f 6 断路器；1 9 9 6 年我国内生产的1 0 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) ， 1 华北电力大学硕士学位论文 真空断路器占7 0 7 9 ( 约5 0 0 0 0 台) ，可见真空开关的使用越来越得到大家的认同2 1 。 真空断路嚣 s r 斩路器 蠢欢薪路誊 少油断路嚣 ， 1 9 3 7 4 6 6 0 5 l 5 6 1 3 7 1 5 。 、 5 0 2 0 2 2 7 _冀 翼 一2 一 、 鋈 懑 1 0 鋈 勰 鋈 1 0 、 1 9 8 01 炙汜i 垒酷1 9 鹤t 9 知1 9 9 3 图卜11 9 8 0 1 9 9 3 年世界市场中各类断路器的比例 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。因此，对操动机构的深入研究，提高开关 机械性能及加强对开关的维护，对电力系统的安全非常重要。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，提高开关机械性能及加强对开关的维护，对电力系 统的安全有很重要的意义。 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。在真空断路器的机械方面展开的研究主要有： 崔彦彬【3 】对新型操动机构分闸过程进行了动力学分析，给出了操动机构分闸速度的 计算方法，为产品设计提供理论依据。历雷和高劭1 4 j 鸿研究了真空断路器的运动特 性，涉及到整个系统的质量、力和速度的归算；传动比和传动效率的计算，最终归 结到真空断路器触头的合、分闸速度和时间的计算；叶忻泉【5 j 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。沈聿修【6 】提出了等效质量计算中简明的图解方法；潘立新【7 】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；吴伟光【8 j 等通过对弹簧操动机构的凸轮一连杆机构的运动分析，建立了真空断 路器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。吴伟光【9 】研究了1 0 k v 真空断路器操动机构的性能，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。陈晓南w 改变弹簧的 华北电力大学硕士学位论文 驱动力特性，使操动机构的输出特性与真空断路器的负载特性相匹配。张罗平u 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；郑晓芳q 讨论了 用数值计算方法计算触头的振动过程；苑舜训研究了真空断路器灭弧室触头开、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断路器中的重要性； l a i ，m l 叫通过分析机架的振动信号，对真空断路器的故障进行诊断：邹建刈对动 触头振动特性对电性能的影响进行了研究。 上述研究资料表明，在目前的真空断路器的研究中，还没有一个方法能对真空 断路器进行比较全面的研究与优化。高压真空开关的全部功能都体现在动、静触头 的分、合动作上，触头的分合在开关的功能上的体现就是分合闸。合闸参数的优与 劣直接影响着高压真空开关的优与劣。为了减少机械故障，提高产品质量，应该努 力改进合闸参数的设计，对结构参数进行优化，寻找最佳的工作状态。 1 2 、高压真空开关及其操动机构分类及特点 1 2 1 、高压真空开关的结构 真空开关，是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。 高压真空开关主要由两部分组成：真空灭弧室和操动机构。 图卜2 真空灭弧室结构简图 ， 灭弧室的结构如图卜2 所示。主要有导电杆、外壳、屏蔽罩、触头、波纹管和 其它零件组成。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。动导电杆伸出灭弧室的部分与操动机构相连，将操动机构的动作传 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。 华北电力大学硕士学位论文 由于高真空间隙的绝缘强度比其它介质都高很多，所以，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很短的距离内熄灭f l 】【2 1 。 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、缓冲机构和二次控制回路等几个部分，如图卜3 所示： 糖源 l 1 触头： l l i i o 一。一一一j 断路器本体 图1 3 操动系统组成框图 1 2 2 、高压真空开关操动机构分类 高压真空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。9 0 年代以来，1 0 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面发展。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高压真 空开关的发展。 操动机构可以按照驱动方式区分为以下几类： 4 华北电力大学硕士学位论文 图卜4 高压真空开关操动机构分类 ( 1 ) 手动操动机构 靠手力直接合闸的操动机构称为手动操动机构。 ，( 2 ) 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。 ( 3 ) 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。 ( 4 ) 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。 ( 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，运行经验多。 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 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。 弹簧操动机构的优点是： 1 ) 不需要大功率的直流电源； 2 ) 电动机功率小； 3 ) 交直流两用； 4 ) 适宜于交流操作。 5 ) 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： 1 ) 结构比较复杂，零件数量多； 2 ) 加工要求高； s 华北电力大学硕士学位论文 3 ) 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【1 5 】 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。 永磁机构可以大概分为七个主要零部件：1 静铁芯，2 动铁芯，3 、4 永久磁体， 5 分闸线圈，6 合闸线圈，7 驱动杆。 从永磁机构的工作原理，可以知道永磁机构是通过将电磁铁与永久磁体特殊结 合，来实现传统开关操动机构的全部功能，由永久磁体代替传统的脱锁扣机构来实 现极限位置的保持功能，由分合闸缱绻来提供操作时所需要的能量。可以看出，由 于工作原理的改变，整个机构的零部件总数大幅减少，使机构的整体可靠性有可能 得到大幅度提高。 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。传统的操动机构还在高压市场中广泛的使用。 1 2 3 、高压真空开关操动机构的特点 综观开关的发展历史，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，达到两周波的水平，主要也 是操动机构改进的结果。 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。 6 华北电力大学硕士学位论文 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。 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。 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。 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。 1 2 4 、高压真空开关对操动机构的要求 高压真空开关的全部功能都体现在动、静触头的分、合动作上，而触头的分合 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，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。 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在正常工作的情况下能顺 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，顺利合闸。 ( 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 能是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 1l0 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。 7 华北电力大学硕士学位论文 ( 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 1 3 高压真空开关机械参数的选择 目前真空断路器在国内外得到了广泛的应用，广大用户愈来愈需了解和掌握真 空断路器的原理、结构、使用和维护等方面的知识。以下将为高压真空开关机械参 数的选择提供一些技术参考。 ( 1 ) 额定开距真空断路器处于分闸状态时，真空开关管动、静触头之间的 距离选择与真空断路器的额定电压、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。通过对真空断路器的安装、运行及检修 得出真空断路器额定开距选择范围为：6 k v 及以下一般为4 8 眦，1 0 k v 及以下一般 为8 1 2 m m ，3 5 k v 一般为2 0 4 0 m 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，影响真空断路器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。 通常真空断路器的触头接触行程一般取额定开距的2 0 4 0 ，1 0 k v 真空断路器的接 触行程一般取3 4 衄。 ( 3 ) 触头工作压力真空断路器触头的工作压力对真空断路器的性能有很大 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 真空断路器的长期工作温升。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间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。真空断路器的触头接触压力根据分 断电流大小得出经验数据的是：分断电流为1 2 5 k a 时，选择压力为5 0 k g ；分断电流 为16 k a 时，选择压力为7 0 k g ；分断电流为2 0 k a 时，选择压力为9 0 1 2 0 k g ；分断 华北电力大学硕士学位论文 电流为3 1 5 k a 时，选择压力为1 4 0 1 8 0 k g 。 ( 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o 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 些高性能的真空断路器，及3 5 k v 级的真空断路器，通常考核刚分时几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高，所以 真空断路器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l o k v 级的真空断路器的合闸速度为0 4 0 7 m s ， 必要时可取为0 8 1 2 m s ( 6 ) 触头合闸弹跳时间真空断路器合闸时间的大小，是衡量真空断路器性 能好坏的一个重要标志，其与断路器的触头弹跳压力、合闸速度、开距及真空开关 管的触头材料等有关，同时还与开关管的结构、断路器的结构及安装调试有关。触 头合闸弹跳时间越小，其性能越好，弹跳时间越长，触头的电磨损越严重，容易产 生合闸过电压，在关合短路电流或电容器时，以及进行动、热稳定试验时将导致触 头熔焊。另外，触头合闸弹跳时间越长，严重危害开关管的波纹管使用寿命。1 0 k v 级铜铬触头材料的真空断路器合闸弹跳时间不超过2 m s ，其他触头材料的真空断路 器合闸弹跳时间可以相对大一些，但是不得超过5 m s 【1 6 】。 1 4 本课题研究的内容 根据以上对高压真空开关的分析，高压真空开关触头装置本身的机械特性直接 影响着合闸的性能。高压真空开关的合闸参数有很多，主要有触头弹簧的刚度、合 闸的速度、合闸的作用时间、合闸时触头所施加的力、合闸时触头接触碰撞时所具 有的触头偏移的位移以及回复偏移量的时间、合闸时触头接触耦合的程度等。在这 一系列的参数中，触头弹簧的刚度的选择直接影响着其他合闸参数的变化。因此， 9 华北电力大学硕士学位论文 高压真空开关触头弹簧刚度参数的优化对高压真空开关的设计与改进具有重要的 意义。 本课题主要是对高压真空开关的触头工作部分进行动态仿真，获得高压开关合 闸瞬间机械操动部分的动态特性。分析高压真空开关合闸参数的灵敏度，并对触头 装置的部分参数进行优化，从而使高压真空开关合闸操作更可靠。 针对高压真空开关触头的特性以及设计优化要求，本课题主要进行了以下工 作： ( 1 ) 对高压开关的触头机构进行分析。 ( 2 ) 实体模型设计：使用p r o e 三维造型软件进行高压真空开关及其操动机 构的模型设计。 ( 3 ) 建立仿真模型：将p r o e 设计出的开关触头三维实体导入机械系统动力 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。 ( 4 ) 动态仿真分析：运用机械系统动力学自动分析软件a d a m s 对模型进行动 态仿真分析，动态模拟开关触头机构在不同参数下的运动情况，得到多组仿真结果， 对输出曲线进行分析。选择合理的机构参数以达到对高压开关进行优化的目的。 1 0 华北电力大学硕士学位论文 第二章高压真空开关合闸参数的优化 2 1 弹簧操动机构结构设计与计算 ( 1 ) 机构整体结构及布局的初步设计 根据对弹簧机构主要技术数据和设计的要求，对机构的整体结构及布置进行初 步设计。机构的基本形式一般应根据操动的断路器的类型、特点来确定。断路器本 体上带有分闸弹簧的，在操动机构结构上只考虑合闸弹簧，但也有些断路器本体不 带分闸弹簧，则在操动机构结构上既需要考虑合闸弹簧还需要考虑分闸弹簧。而在 具体结构上既有合闸弹簧、分闸弹簧分离的，也有用一种弹簧分段释放能量达到合、 分及重合闸的目的。 ( 2 ) 主要零部件的结构设计和强度校核 为保证机构的安全、可靠，对机构的主要零部件，如储能轴、输出轴、主要受 力杠杆、连接件等要进行强度校核。 ( 3 ) 机构出力特征的设计和计算及配合关系的确定 弹簧操动机构的出力特性，实际上就是机构的合闸弹簧对于输出轴的力矩特 性，一般以机构输出轴上的力矩和输出轴转交的对应输出关系来表示。通常有下列 三部分来组成： 1 ) 合闸机构出力特性； 2 ) 合闸弹簧力对储能轴的力臂特性； 3 ) 合闸传动机构的传动比特性。 一般情况下，不论是合闸弹簧的出力特性还是合闸弹簧对储能轴的力矩特性， 它们和断路器的负载特性总是配合不良，因此，要得到良好的特性配合关系，在很 大程度上要靠合闸传动的合理设计来实现。 在机构设计中，断路器的负载特性是确定的，机构的输出力矩特性合理与否， 主要是以其和断路器负载特性的配合关系是否合理，以及所表现的实际效果来衡 且 里。 机构和断路器的特性配合关系基本上有两种形式，即包容配合( 在合闸过程中， 机构输出力矩总是小于或等于断路器的阻力矩) 和相交配合( 在合闸动作达到一定 位置后，机构的输出力矩出现小于断路器的阻力矩，两条曲线出现相交) 。 在特性配合设计时应遵循： 华北电力大学硕士学位论文 1 ) 机构的合闸功w 。必须大于断路器的负载功w ： 2 ) 合闸起始点的机构输出力矩m 。必须大于断路器合闸起始点的合闸阻力矩m 2 ， m = m 。一m ：对合闸启动的影响明显。通常，运动质量越大，刚合速度大，开关行程短， 建立刚合速度的过程短，则要求m 大些。 3 ) 包容和相交两种配合关系都能满足要求。相交配合只要相交点选得适当， 机构不但能很好的完成合闸动作，且机构的能量会得到更有效的利用，机械效率较 高。合闸动作完成后，合闸残余能量较小，冲击、震动等现象较轻，有利于可靠性 的提高。相交配合的交点通常选择断路器刚合位置之后，且可根据断路器接触行程 的长短、断路器短路电流的大小，对相交点做适当的前移或后移。 2 2 真空断路器弹簧操动机构的设计计算基本方法和思路 2 2 1 真空断路器操动机构的动力特性 与其他断路器的操动机构相比，真空断路器操动机构主要有这样一些特点： 1 ) 触头开距小，补偿触头磨损用的超行程小，所以传动机构的输入行程和输 出行程也笑。 2 ) 触头弹簧压力较大( 特别是大容量的真空断路器) 。合闸负载在合闸瞬间具 有很大的中跳跃特性。 真空断路器的负责特性如图2 1 所示。 图2 1 真空断路器负载特性与操图2 2 真空断路器操动机构 动机构输出特性 1 2 华北电力大学硕士学位论文 在图2 1 中，f 。一合成负载力f ：一操动机构输出力f 。一分闸弹簧力f 。一触头弹簧 力f 。一点动力f 。一真空灭弧室自闭力 图中折线a b c d 所示为等效到动触头上的真空断路器的负载特性曲线( 忽略 了传动系统的重力和摩擦力) 。从图中可以看出，这条曲线具有如下特点：在a b 段， 触头是分离的，合闸负载力f 。等于分闸弹簧力f 。与真空灭弧室自闭力if 。1 之差；在 c d 段，触头闭合，f 。等于分闸弹簧力f 。、触头弹簧力凡和电动力f 。之和：b c 段是 触头接触前后的临界位置，在临界位置的前一个瞬间( b 点) ，触头还是分离的，因 此，b 点的合成负载力f 。= f 。一lf 。l 。在临界位置的后一个瞬间( c 点) 触头已经接 触。此时，若假设电动力在触头接触时才开始出现，则c 点的合成负载力f 。= f 。+ f 。+ f 。由于触头的接触过程只是一个时间极短的瞬间，因此，负载特性在接触瞬间 产生跃变。 虽然负载特性在触头接触时刻产生跃交的现象是所有开关设备的共同特征， 但是，真空断路器的这种跃变幅度却要大得多，特别是大容量的真空断路器。这是 因为： 1 ) 真空灭弧室具有负值的自闭力特性； 2 ) 触头弹簧具有较大的预紧力。 而第二个原因的产生是因为真空灭弧室基本上都采用对接式触头结构。 3 ) 合闸弹簧驱动力由大到小与负载( 阻力) 特性相反。 电动弹簧操动机构是采用小功率交流或支流电动机给弹簧储能，因此它的合 闸功不受电源电压影响，工作比较恒定，能获得较高的合闸速度，还能实现快速自 动重合闸操作，即便是在操作电源断电的情况下，仍能实现一次快速的自动重合闸 操作。这是电磁操动机构无法达到的。同时，它可以不需要支流电源。而且对不同 规格的断路器，机构大部分通用。只需要更换其中的弹簧和电机规格即可，这对产 品系列化是十分有利的条件。 但是，弹簧的输出力由大到小，它和真空断路器的负载特性不相吻合，这就 是操动机构的设计比较复杂，并因此使它结构复杂，制造工艺要求较高。 2 2 2 真空断路器操动机构合闸参数的计算 图2 2 为真空断路器操动机构的示意图 ( 1 ) 传动比计算 1 ) 凸轮机构传动比： 凸轮轮廓线的升程工作段选用等减速运动规律，所以有： 华北电力大学硕士学位论文 鸭= 半 浯。 公式中从动件l 。之最大摆角( = 3 6 。) ； 嘶一凸轮角速度； 哦凸轮最大转角( 哦= 1 5 5 。) ； 凸轮转角。 2 ) 四杆机构c 。c c 。0 。、0 ：c ：c 。0 。及正弦机构0 。c 。d 的传动比： ，、。，岛s i n ( 9 一5 ) 魄一鸭荔赢暑豸 毛s i n ( 9 一5 ) 鸭铂荔隶暑豸 q2 鸭2 。一。、s i n ( l 一2 ) 鸭毯荔商豸 z 1s m 【3 一【p 2 ) ，d = 毛c o s 口c o ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) 上式中：o l 、2 、3 、5 、6 、9 分别是相应杆之转角。是动触头速 度。 ( 2 ) 等效质量及等效力的计算 以动导电杆( 动触头) 为等效机构件进行力及质量( 转动惯量) 的转化。 1 ) 等效质量计算 在质量的转化中，不计算的k 、厶：、厶，的质量( 转动惯量) ，因为在合闸 过程中，它们是不运动的。 等效质量的计算公式为： 聊讷2 扣c 移2 州秽 ( 2 6 ) 代入各有关构件的质量m 或转动惯量j 及传动比公式并整理得： 1 4 塑! 里塑奎兰竺主羔堡笙茎 - 3 + 3 + 3 ( 。护3 ( 砉) 2 蟹棚小粼) 2 o o 0a 儿l 、p 1 一、p j 咿 躬e