合閘彈簧對高壓斷路器合閘性能影響的研究

翟鵬飛 楊秋玉 欒駿飛

（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）

0 引言

斷路器是電力系統(tǒng)中最重要的電氣設(shè)備之一，在電網(wǎng)中起保護與控制作用，其運行狀態(tài)直接影響整個電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和供電的可靠性[1-3]。當高壓斷路器發(fā)生故障時，將對其保護的線路、設(shè)備造成直接危害，嚴重時，將造成大面積停電[4]。據(jù)統(tǒng)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(shù)及停電時間總量的60%以上[5]。特別是高壓斷路器重要的儲能元件——彈簧類故障，近年來，關(guān)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[6-7]、合閘彈簧疲勞造成斷路器合閘速度較慢故障[8]、合閘彈簧釋放能量不足發(fā)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甚遠。

本文采用基于 ADAMS的虛擬樣機技術(shù)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間的增長及動作次數(shù)的增多導致的合閘彈簧力逐漸減小過程，仿真分析了合閘彈簧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(shù)參數(shù)及動力學模型建立

高壓斷路器主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 12kV高壓斷路器主要技術(shù)參數(shù)

圖1所示為12kV高壓斷路器處于分閘位置的結(jié)構(gòu)圖，此時，合閘彈簧已完成儲能（被拉伸），由合閘彈簧儲能保持掣子將其鎖定。

高壓斷路器合閘所需能量由合閘彈簧儲能提供，電機通過帶動齒輪傳動、棘輪傳動等使合閘彈簧儲能。機構(gòu)儲能后，當接到合閘信號時，機構(gòu)解除儲能保持，合閘彈簧釋放能量，通過凸輪、拐臂、連板等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(tài)。合閘動作完成后，當接到分閘信號，機構(gòu)解除分閘約束，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(xiàn)分閘操作。

圖1 12kV高壓斷路器結(jié)構(gòu)

1.2 高壓斷路器合閘彈簧能量分配數(shù)學模型建立

斷路器完成分合閘功能，操動機構(gòu)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。

合閘過程分為合閘前后兩個階段，動、靜觸頭碰撞前，操動機構(gòu)主要克服分閘彈簧力 Fe和摩擦阻力Ff做功，儲能杠桿與驅(qū)動桿碰撞前后有能量損失；動、靜觸頭碰撞后，操動機構(gòu)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(chǎn)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，合閘合成負載力：

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。隨著分閘時間的推移，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Fd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(chǎn)生的洛倫茲力Fl；另一部分是由于觸頭接觸處電流線收縮產(chǎn)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(nèi)腔產(chǎn)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，F(xiàn)0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(shù)；k為彈簧勁度系數(shù)；l0為彈簧兩端加預力后的長度。

彈簧操動機構(gòu)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(gòu)，將電能最終轉(zhuǎn)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。用于合閘的這部分能量在傳遞過程中經(jīng)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(zhuǎn)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為分閘彈簧儲存的能量；Ef為合閘時傳動機構(gòu)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(gòu)合閘儲能彈簧的輸出功 Whz與彈簧勁度系數(shù)k及彈簧變形量有關(guān)，在不考慮彈簧阻尼的情況下，有：

式中，Δl為儲能時合閘彈簧的變形量；Δl0為合閘后彈簧的變形量。

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(shù)；Δx為觸頭彈簧變形量；F0為操動機構(gòu)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。

合閘過程中，假設(shè)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(gòu)和絕緣拉桿在內(nèi)的運動系統(tǒng)的歸一化質(zhì)量為 md，則根據(jù)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(zhuǎn)換成熱能等其他形式的能量。

以上即為斷路器合閘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(shù)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(chǎn)品技術(shù)參數(shù)比較，比較結(jié)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、分閘時間、平均合閘速度和平均分閘速度均與理論值相近，且符合產(chǎn)品出廠技術(shù)參數(shù)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(shù)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(shù)的增多和運行時間的增長，其應力松弛現(xiàn)象[9-13]越來越嚴重，當合閘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[14]。

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，隨著合閘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，合閘速度急劇減??；當合閘彈簧力衰減至14%時，合閘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，合閘時間也不斷變化，在合閘彈簧力開始衰減的10%內(nèi)，合閘時間急劇增大；而后在合閘彈簧力衰減的10%～14.5%內(nèi)，合閘時間也呈線性增大，最后趨于平緩變化。

此型號高壓斷路器要求合閘速度不能低于0.8m/s，從圖7可以看出，當合閘彈簧力衰減至10%左右時，合閘速度已不能滿足該要求。

圖7 合閘速度變化曲線

3 結(jié)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(shù)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(shù)的影響。

結(jié)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(guān)鍵參數(shù)，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(jiān)測合閘彈簧狀態(tài)，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(guān)鍵參數(shù)（如合閘速度）之間的關(guān)系，預測高壓斷路器性能（特別是合閘能力），可實現(xiàn)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。