為了研究斷路器分、合閘過程的動態(tài)特性，筆者針對一臺配永磁操動機構的真空斷路器，基于虛擬樣機技術建立了斷路器的動力學模型，推導出模型動作過程所滿足的運動方程及電磁方程，對真空斷路器的分閘、合閘動態(tài)過程進行仿真分析與實驗對比。仿真和實驗結(jié)果表明，模型的動態(tài)特性滿足斷路器的技術參數(shù)及實驗數(shù)據(jù)的要求，為研究斷路器的優(yōu)化設計和故障診斷提供了依據(jù)。

　　引言

　　斷路器是電力系統(tǒng)中起控制和保護作用的重要設備，其工作性能對電網(wǎng)的可靠運行具有重要的影響。目前在國內(nèi)，一種電磁操動、永保持的永磁機構已廣泛應用于真空斷路器領域。與傳統(tǒng)操動機構相比，永磁機構具有結(jié)構簡單、節(jié)能和高可靠性等突出優(yōu)點。然而，永磁機構的動態(tài)過程比較復雜，不僅要研究分、合閘過程中運動部件的機械參量變化，還要考慮機構中電磁吸力、線圈電流、系統(tǒng)磁鏈等參量之間的動態(tài)耦合關系。因此，分析永磁機構的動態(tài)特性對于研究斷路器工作性能和提高電網(wǎng)穩(wěn)定性具有重要的意義。

　　虛擬樣機技術是基于多體系運動學與動力學建模理論，可進行多領域仿真的綜合應用技術。通過在虛擬環(huán)境中建立完全參數(shù)化的斷路器模型，對模型進行動態(tài)仿真，可以獲得斷路器運動部件不同時刻的位置、速度等參量，從而直觀、準確的分析斷路器的動態(tài)特性。文利用虛擬樣機動態(tài)仿真技術來預測斷路器操動機構的故障。文闡述了虛擬樣機技術在斷路器的動態(tài)仿真以及設計領域中的應用。

　　筆者以一臺配單穩(wěn)態(tài)永磁機構的真空斷路器為研究對象，采用虛擬樣機技術建立了斷路器模型，對斷路器的分、合閘動態(tài)過程進行仿真分析，并對樣機進行實驗以保證仿真結(jié)果的準確性和可信性。

　　1、斷路器模型的建立與運動過程分析

　　1.1、真空斷路器模型的建立

　　文中的仿真對象為ZW45-12 型戶外真空斷路器，斷路器總體采用三極支柱式結(jié)構，開關本體采用的是配永磁機構的真空斷路器，斷路器的主要技術參數(shù)見表1。

表1 斷路器的主要技術參數(shù)

　　筆者采用多體動力學仿真軟件ADAMS 建立的斷路器模型見圖1。為了使建立的模型能準確進行動態(tài)仿真，必須在各個部件之間按照實際工作情況添加約束關系和載荷。斷路器動作時，長軸側(cè)作水平運動，需要添加水平方向滑移副。動觸頭側(cè)做豎直運動，需添加豎直方向滑移副。

圖1 ZW45-12 型真空斷路器的仿真模型

　　長軸與連接板、連接板與絕緣拉桿之間要添加旋轉(zhuǎn)副。在實際工作中斷路器運動部件之間存在摩擦，需要在運動副上定義摩擦力。此外，適當添加觸頭彈簧的預壓力可以避免仿真開始時，因為機構反力導致動觸頭壓縮觸頭彈簧回落的現(xiàn)象。斷路器模型建立成功后，還需要通過修改幾何模型參數(shù)、增加摩擦、定義柔性體、改進載荷函數(shù)與定義控制等方法改進樣機模型，多次進行優(yōu)化設計，直至得到預期的斷路器模型。文中對斷路器樣機進行建模和優(yōu)化的流程圖見圖2。

圖2 建模流程圖

　　1.2、斷路器模型的運動過程分析

　　對于該模型而言，在永磁機構中合閘線圈通電產(chǎn)生磁場與永久磁鐵磁場疊加產(chǎn)生的電磁吸力以及分閘彈簧拉力的共同作用下，動鐵心動作，直接驅(qū)動傳動機構的長軸作水平運動，連接板將長軸的水平運動轉(zhuǎn)化為絕緣拉桿的豎直運動，從而帶動動觸頭上下動作，實現(xiàn)斷路器的分、合閘操作。斷路器的合閘位置由永久磁鐵保持，分閘位置由分閘彈簧保持。因為動觸頭側(cè)的動作直接由長軸推動連接板來驅(qū)動，開關在工作時主要的運動部件少，中間轉(zhuǎn)換和連接的機構也很少，機構的運動過程簡單，具有很高的可靠性。文中建立真空斷路器模型的運動簡圖見圖3。

圖3 模型的運動簡圖

　　4、結(jié)語

　　筆者基于虛擬樣機技術建立一臺ZW45-12 型永磁機構戶外真空斷路器的模型。推導出模型分、合閘過程的動態(tài)方程，仿真得到斷路器分、合閘過程的動態(tài)特性曲線。將仿真結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)對比分析，得出以下結(jié)論：

　　斷路器模型的分、合閘動態(tài)特性可以達到斷路器主要技術參數(shù)的要求; 仿真模型的合閘時間為54.6 ms，與實驗數(shù)據(jù)一致，動觸頭合閘彈跳時間為1.5 ms，拉桿的合閘彈跳幅值為0.36 mm，略小于實驗數(shù)據(jù);仿真模型的分閘時間為39.7 ms，拉桿的分閘過沖為1.45 mm，與實驗數(shù)據(jù)一致;通過實驗驗證了仿真結(jié)果的準確性，為采用虛擬樣機技術研究斷路器的故障診斷和優(yōu)化設計提供了依據(jù)。