考虑电动力效应的高压断路器动力学特性仿真分析

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1、考虑电动力效应的高压断路器动力学特性仿真分析摘要：创新地利用多体动力学仿真软件包ADAMS建立了VS1型真空断路器操动机构的动力学模型，并用试验对模型的有效性进行了验证。同时，还建立了真空断路器电动力计算模型，将开断和关合[r1]过程中的电动力分为洛仑兹力和霍尔姆力。以上述两个模型为基础，对断路器短路开断过程进行了仿真，研究了不同的开断条件下电动力对断路器机械特性的影响，从而为断路器的优化设计和状态检测提供了必要的理论依据。此后采用试验的方法对仿真结果进行了部分验证，验证结果表明仿真在一定程度上揭示了断路器的运行规律。关键词：电动力效应高压断路器动力学特性仿真分析　1引言

2、　　对断路器的动力学特性进行仿真分析，有利于实现断路器的优化设计；并且研究断路器在故障状态下的动作特性，能够为断路器的状态检测提供理论依据。对断路器动力学特性的研究，以往采用的方案是：列出断路器运动部件的运动学方程和动力学方程组；采用适当的数值求解方法求解方程组；采用可视化仿真方法给出运动部件的运动过程和有关运动参数[1]。这种研究方案对于简单的运动系统是比较有效的，尤其在低压电器机构运动特性的研究中得到了成功应用[2-3]。但对于复杂的机械系统，例如高压断路器的操动机构，由于部件众多，各部件之间的约束关系也增多，动力学方程组的复杂性迅速增加，这种方案显得力不从心，为此需

3、要寻求别的解决方案。多体动力学仿真软件的出现为解决这个问题提供了一种很好的手段。ADAMS软件包是目前世界范围内使用最广泛的机械系统仿真分析软件之一[4]。它可以方便地建立参数化的实体模型，并采用多体系统动力学原理，通过建立多体系统的运动方程和动力学方程进行求解计算[5]。跟传统的仿真方法相比，采用ADAMS进行仿真避免了繁琐的建立方程组和求解方程组的工作，使得用户能够将主要精力放在所关心的物理问题上，从而极大地提高了仿真效率。　　本文基于多体动力学原理，利用ADAMS软件包建立了VS1型真空断路器操动机构的动力学模型，并用试验对模型的有效性进行了验证。同时，本文还建立了

4、真空断路器电动力计算模型，将开断[r2]过程中的电动力分为洛仑兹力和霍尔姆力。以上述两个模型为基础，对断路器短路开断过程进行了仿真，研究了不同开断条件下电动力对断路器机械特性的影响，此后采用试验的方法对仿真结果进行了验证，从而为断路器的优化设计和状态检测提供了必要的理论依据。　　2VS1型真空断路器动力学模型的建立和验证　　利用ADAMS建立的VS1型真空断路器动力学模型如图1所示。图中所示模型隐含了大量的运动学方程和动力学方程。ADAMS软件通过求解这些封装在内部的方程组实现动力学仿真。为了确定仿真模型是否符合实际情况，本文利用高精度导电塑料角位移和直线位移传感器分别测

5、试了断路器分合闸过程中，主轴角位移曲线和绝缘拉杆底部的直线位移曲线。同时，在ADAMS软件中测试仿真模型的相关参数。图2给出了分闸过程仿真与实测曲线对比结果。从图2可以看出，仿真模型的输出曲线跟实际样机的输出曲线吻合得较好。此外，还对仿真模型的其它机械参量进行了测试，这些测试结果都证明了仿真模型的正确性和有效性。3考虑电动力效应的断路器动力学特性仿真　　开关电器中的电动力直接影响着电器的工作性能。当发生短路故障时，断路器要迅速开断短路电流，在此过程中，动静触头之间产生很大的电动力，这个力必然会影响断路器的机械特性，尤其是分合闸速度。　　考虑到各相导体之间的电动力对于分合闸

6、速度的影响并不大，故本文仅分析动触头所受到的电动力。动触头所受到的电动力由两部分组成[6]，一部分是由于电流在磁场作用下产生的洛仑兹力（Lorntz-force）FL，另一部分是由于触头接触处电流线收缩产生的霍尔姆力（Holm-force）FH。　　本文的仿真对象VS1型真空断路器所用触头具有杯状纵磁结构，如图3(a)所示。为了计算洛仑兹力，需要建立计算模型，首先作如下假设：（1）电流在导体表面中心位置沿无限细的路径流动，即忽略导体截面对电动力的影响。　　（2）动静触头闭合时，其实际接触位置仅为中心处一点。　　（3）当动静触头分离并产生电弧时，电弧形态的变化不影响触头电流

7、的分布，假定电弧仅有一支，且弧根在触头中心位置。　　基于以上洛仑兹力计算模型，可推导得出动触头所受总的洛仑兹力（方向为竖直向下）的大小为　　式中ξ为与接触面状况有关的系数，其范围在0.3~1之间；H为材料的布氏硬度；F为接触力。　　需要指出的是，在式(2)中，由电流线收缩产生的电动力FH只存在于动静触头保持金属接触状态的时间里，即在分闸过程中，该力仅存在于超行程阶段，一旦动静触头分开，这个力就不存在了。　　综上所述，在开断短路电流的过程中，所产生的总的电动力FT是洛仑兹力FL和霍尔姆力FH的叠加，设FL和FH的作用时间分别是[