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《合閘彈簧對高壓斷路器合閘性能影響的研究》
翟鵬飛1 楊秋玉2 欒俊飛3 (1.河南基泰電氣有限公司 2.武漢大學電氣工程學院 3.江蘇南瑞泰事達電氣有限公司)
摘 要 :高壓斷路器是電網的關鍵 設備，其狀態正常與否直接影響電網的安全運行。通 過建立高壓。斷路器動力學模型，并依據高壓斷路器實際工況仿真分析了合閘彈貨力衰減對高壓斷路器運動特性畸的影響，以高壓斷路器合閘速度為判據，給出合閱彈簧力最小衰減極限值。仿真研究表明，高壓斷流路器合閱速度受合閃彈筑力的影響較大，特別是動靜觸頭剛接觸前3.3mm內的平均速度:當合閱彈的簧力衰減不超過 5%，合閘 速度變化較小;當合閘彈簧力衰減超過 5%時，合閘速度急劇減小;當合閘彈簧力衰減超過 10%時，合閘速度已不能滿足要求;合閱彈簧力再繼續衰減，斷路器將不能正常電動作。 關鍵詞：高壓斷路器; 合閘彈筑力; 合閘性能 ; 動力學仿真; 合閘速度
0 引言 斷路器是電力系統中最重要的電氣設備之一,在電網中起保護與控制作用,其運行狀態直接影響整個。電力系統的穩定性和供電的可靠性。當高壓斷路器發生故障時,將對其保護的線路、設備造成直接危害，嚴重時，將造成大面積停電。據統計 ，由于高 壓斷路器故障所導致的非計劃停電事故,占事故次數及停電時間總量的60%以上加。特別是高壓斷路器重要的儲能元件一彈簧類故障 ,近年來,，關于高壓斷路器由于彈簧故障 而不能正常工作的報道已屢見不鮮 ：合閘彈簧斷裂 造成斷路器不能動作故障、合閘彈簧疲勞造成斷路器合閘速度較慢故障合閘彈簧釋放能 量不足發生拒分、拒合故障等。 高壓斷路器一般較少動作,大量故障樣本的獲取比較困難,通過試驗能夠模擬故障的類型也很受限, 且模擬的大都是極端類故障，例如模擬分閘彈簧失效故障，很多研究者直接將分閘彈簧去掉，而實際上，分閘彈簧失效是一個緩慢的過程, 這樣極端的模擬試驗與斷路器實際故障情況相差其遠。 本文采用基于ADAMS的虛擬樣機技術對高壓斷路器進行仿真分析,模擬實際高壓斷路器隨運行時的投間的增長及動作次數的增多導致的合閘彈簧力逐漸時減小過程,仿真分析了合閘彈筑力衰減對高壓斷路器運動特性的影響。
1 高壓斷路器動力學模型的建立 1.1 高壓斷路器技術參數及動力學模型建立 高壓斷路器主要技術參數見表 1。
表 1 12KV 高壓斷路器主要技術參數
圖1所示為12KV 高壓斷路器處于分閘位置的結構圖，此時，合療彈簧已完成儲能（被拉伸)，由合閘彈簧儲能保持擎子將其鎖定。 高壓斷路器合閘所需能 量由合閘彈竹儲能提供，電機通過帶動齒輪傳動、赤輪傳動等使合閘彈簧儲能。機構儲能后，當接到合閘信號時，機構解除儲能保持，合閘彈簽釋放能 量 ， 通 過凸輪、拐臂、連板等。
圖1 12kV高壓斷路器結構
帶動絕緣拉桿使動觸頭向上運動并壓縮觸頭彈簧,斷路器進入合閘狀態。合聞動作完成后,當接到分閘信號,機構解除分間約束,由觸頭簧和合閘時儲存的能量使滅弧室動靜觸頭分離而實現分間操作。 1.2 高壓斷路器合閘彈簧能量分配數學模型建立 斷路器完成分合閘功能,操動機構提供的動力必須大于完成動作遇到的阻力,且動力所做的功必須大于阻力所做的功,負載特性與動力特性盡可能相配。 合閘過程分為合間前后兩個階段,動、靜觸頭碰撞前,操動機構主要克服分閘彈簧力Fe和摩擦阻力Ff 做功,儲能杠桿與驅動桿碰撞前后有能量損失；動、靜觸頭碰撞后,操動機構主要克服觸頭阻力Fz、分閘彈簧力Fe、觸頭彈簧力Ft、摩擦阻力Ff、合閘時觸頭間的涌流產生的電動斥力Fd做功。動、靜觸頭碰撞前后有能量耗損。合閘時,合閘彈簧力是動力。 觸頭碰撞前,合聞合成負載力:
觸頭碰撞后,合間合成負載力為:
分閘時,在分閘的接觸行程階段,分閘彈簧力和觸頭彈簧力都是動力。隨著分聞時間的推移,觸頭彈簧對分閘運動不起作用,動觸頭只在分閘彈簧力作用下運動。分閘時的負載合成力包括真空滅弧室的自閉力Fp、零部件摩擦力Ff、緩沖器提供的緩沖力Fh、電動力F等,可以得到分閘負載合成力為：
其中,分閘和合閘過程中都有電動力,電動力由兩部分組成,一部分是電流在磁場作用下產生的洛倫茲力F1:另一部分是由于觸頭接觸處電流線收縮產生的霍爾姆力Fm。在分閘時,有自閉力的存在。所謂自閉力是在無外力作用下,動觸頭在大氣壓的作用下,對內腔產生的一個使其與靜觸頭閉合的力,其大小取決于波紋管的端口直徑。 斷路器運動過程中,合閘彈簧、分閘彈簧和觸頭彈簧的彈簧力影響著斷路器的運動特性。一般,彈簧力可按下式計算：
式中,Fo為彈簧預作用力;l為彈簧兩端變形后的長度;dl/dt為彈簧兩端相對速度;C為彈簧阻尼系數k為彈簧勁度系數;l0為彈簧兩端加預力后的長度。
彈簧操動機構的能量來源是儲能電動器的電能,主要通過彈簧和傳動機構,將電能最終轉變成動觸頭的機械能。合閘時,合閘彈簧把已儲存的能量傳遞給分閘彈簧和觸頭彈簧,即一部分用于分閘彈簧,另一部分用于合閘。用于合聞的這部分能量在傳遞過程中經過觸頭彈簧,觸頭彈簧吸收了一部分能量,用于保持觸頭壓力,并把另一部分轉化為動觸頭的動能,使動觸頭做功,即:
式中,Whz為合閘彈簧輸出功；Eft為分彈簧儲存的能量；Ef為合閘時傳動機構的能量損失；Wct為觸頭彈簧所做的功；Edc為動觸頭碰撞前所具有的功能；Ep為觸頭彈簧所儲存的用于保持觸頭壓力的能量。
操動機構合閘儲能彈簧的輸出功Whz與彈簧勁度系數k及彈簧變形量有關,在不考慮彈簧阻尼的情況下,有:
式中,△l為儲能時合閘彈簧的變形量;△l0為合后彈簧的變形量。
在合閘時,三相觸頭彈簧輸出功如下:
式中,k為彈簧勁度系數；△x為觸頭彈簧變形量；F0為操動機構提供給每一相觸頭彈簧的預力,為彈簧預作用力,此處不再考慮彈簧阻尼。
合闡過程中,假設動觸頭的實時速度為vdx,在動、靜觸頭碰撞前,包括復雜多桿機構和絕緣拉桿在內的運動系統的歸一化質量為md,則根據能量守恒 定律和動能定理,有
在碰撞前,vdx隨時間增大,碰撞前瞬間達到最大。在動、靜觸頭碰撞前后,兩者在觸頭彈簧壓力作用下保證一定的合閘壓力,最終,動觸頭實時速度vdx=0,即動觸頭的動能最終在彈簧阻尼的作用下耗盡,轉換成熱能等其他形式的能量。
以上即為斷路器合聞時合閘彈簧能量分配原理。
2 合閘彈簧力對高壓斷路器性能參數影響分析 2.1 正常工況下仿真分析 按照高壓斷路器的實際工況,定義各零件材料、添加各約束,建立高壓斷路器動力學模型。所建模型程中的合、分閘行程曲線和速度曲線如圖2所示。
圖2 合、分閘行程和速度曲線仿真圖
為了獲得與實際相符的虛擬樣機模型,將仿真模型與產品技術參數比較,比較結果見表2。
表2 合、分閘理論值和仿真值對比
從表2可以看出,該高壓斷路器仿真模型的合閘時間、分闡時間、平均合閘速度和平均分閘速度均與理論值相近,且符合產品出廠技術參數范圍,由此證明所建立仿真模型的正確性。
2.2 合閘彈簧力衰減對高壓斷路器性能參數影響仿真分析 斷路器合閘所需的能量是由合閘彈簧提供的,合閘彈簧隨著斷路器操作次數的增多和運行時間的增長,其應力松弛現象越來越嚴重,當合聞彈簧所能提供的能量不能滿足斷路器合閘所需的最小能量時,合閘就不能進行到底。 為了模擬合閘彈簧應力松弛過程,分別仿真合閘彈簧力下降5%、10%、12%、14%、14.5%、14.8%、15%情況下的絕緣拉桿行程、速度和合閘彈簧力的變化,如圖3～圖5所示。
圖3 合閘彈簧力曲線
圖4 絕緣拉桿行程曲線
圖5 絕緣拉桿速度曲線
從圖中可以看出,隨著合聞彈簧應力松弛的不斷增加(合閘彈簧力變化如圖3所示),合閘時,斷路器絕緣拉桿行程和速度也不斷變化(如圖4、圖5所示)。 從圖6可以看出,合閘速度剛開始減小緩慢,當合閘彈簧力衰減超過5%時,合聞速度急劇減小當合閘彈簧力衰減至14%時,合闡速度又趨于平緩減小階段。
圖6 合閘速度、合閘時間變化曲線
與此對應,合間時間也不斷變化,在合閘彈簧力開始衰減的10%內,合閘時間急劇增大;而后在合間彈簧力衰減的10%～14.5%內,合間時間也呈線性增大,最后趨于平緩變化。 此型號高壓斷路器要求合闡速度不能低于0.8m/s,從圖7可以看出,當合聞彈簧力衰減至10%左右時,合聞速度已不能滿足該要求。
圖7 合閘速度變化曲線
3 結束語 本文通過對高壓斷路器進行動力學仿真,分析了合閘彈簧由于動作次數的增多及運行時間的增長導致的力衰減對高壓斷路器運動參數的影響。 結果表明,高壓斷路器合閘速度受合閘彈簧的影響較大,而合閘速度是高壓斷路器的關鍵參數,合閘速度直接影響高壓短路器觸頭熔焊、機械沖擊等電氣機械特性。 為此,可通過監測合閘彈簧狀態,建立合閘彈簧力(或合閘彈簧出力變化特性等)與高壓斷路器關鍵參數(如合閘速度)之間的關系,預測高壓斷路器性能(特別是合聞能力),可實現高壓斷路器故障預警與故障診斷,對工程實際具有重要的意義。
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