彈簧應(yīng)力松弛對GIS故障關(guān)合接地開關(guān)關(guān)合特性的影響研究

朱 青1，劉 波，李萬民，曹亞釗

(1.思源電氣股份有限公司，上海 201108； 2．上海思源高壓開關(guān)有限公司，上海 201108)

0 引 言

應(yīng)力松弛是指在恒應(yīng)變條件下，金屬材料或元件的應(yīng)力隨時間延續(xù)而減小的現(xiàn)象。1868年J.C.Maxwell對應(yīng)力松弛的規(guī)律及其影響做出了解釋，但至今人們對應(yīng)力松弛機制及發(fā)生的條件等還沒有統(tǒng)一的結(jié)論。故障關(guān)合接地開關(guān)通過電動機帶動彈簧儲能后再釋放，完成開關(guān)關(guān)合動作。所以研究彈簧的應(yīng)力松弛規(guī)律對提高開關(guān)運行可靠性有一定的參考價值。

下面采用各國在彈簧研究上通常采用的計算、仿真與測試思路進行研究。

1 彈簧應(yīng)力松弛試驗

圓柱螺旋壓縮彈簧的應(yīng)力松弛程度常用負荷損失率(p-p0)/p0，即Δp/p0來表示，p0為彈簧的初始載荷，p為彈簧在任意時刻t時所承受的負荷。將設(shè)計改進的螺旋彈簧試驗裝置測試的負荷值換算成負荷損失率，得出負荷損失率與時間的關(guān)系曲線。

目前較為適用的壓縮螺旋彈簧的應(yīng)力松弛方程[1]為

Δp/p0=a+blnt

(1)

表1 分析記錄

式中：p0為彈簧初始載荷，N；Δp為彈簧載荷損失量，N；t為松弛時間，h；a、b為與溫度有關(guān)的常數(shù)。

試驗彈簧：彈簧材料為60Si2CrVA，彈簧參數(shù)線徑11 mm，中徑56 mm，自由高度H0為223 mm，有效圈數(shù)n為10.5，取樣3件。

試驗條件：采用改進的應(yīng)力松弛試驗構(gòu)造，在常溫(25 ℃)下將彈簧壓縮到工作高度H1為156 mm保持不變，每間隔一定時間，重新測量應(yīng)力值，總壓縮時間持續(xù)14個月。

試驗結(jié)果：1號至3號彈簧試驗數(shù)據(jù)走勢見圖1，對彈簧試驗數(shù)據(jù)處理得到的應(yīng)力松弛回歸方程見表1。然后對應(yīng)階段的方程加權(quán)平均后得到應(yīng)力松弛回歸方程，應(yīng)力松弛曲線見圖2。根據(jù)應(yīng)力松弛回歸方程推算出該類彈簧30年后的載荷損失率。

圖1 彈簧試驗記錄數(shù)據(jù)

2 關(guān)合特性動力學仿真

2.1 仿真模型

對三維模型進行合理的簡化，去掉不必要的倒角、花鍵等特征，簡化后的動力學仿真模型見圖3。

圖2 彈簧應(yīng)力松弛曲線

圖3 動力學仿真模型

2.2 約束副

約束副的設(shè)置根據(jù)機構(gòu)運動關(guān)節(jié)處的運動副性質(zhì)而定。并調(diào)整接觸剛度Kn、力指數(shù)n、阻尼系數(shù)d、穿透深度δ的設(shè)置。

2.3 運動輸入

2.4 彈簧設(shè)置

彈簧參數(shù)按如下兩種狀態(tài)進行設(shè)置：

狀態(tài)1：按彈簧設(shè)計理論參數(shù)設(shè)置，詳細設(shè)置見圖4。

狀態(tài)2：根據(jù)試驗得出30年后的彈簧載荷損失率為5.3%，則30年后彈簧的應(yīng)力值應(yīng)分別衰減為P1=1 420.5 N、P2=4 971.75 N。所以30年后的彈簧參數(shù)設(shè)置見圖5。

表2 仿真結(jié)果

圖4 彈簧理論參數(shù)

圖5 30年后彈簧理論參數(shù)

2.5 模型負載

計算故障關(guān)合接地開關(guān)的關(guān)合特性，需要獲得動觸頭的插入阻力的特性。為提高仿真效率，對觸頭座模型單獨建模，并將仿真數(shù)據(jù)導出到本體模型中作為輸入。

模型負載主要來源于機械阻力和電動力，為了準確獲得該模型負載大小，根據(jù)實測無電動力時阻力值大小，仿真得到合理動觸頭與彈簧觸指間的摩擦系數(shù)f。然后考慮電動力的影響，仿真得到合閘時三相本體負載大小見圖6所示。

2.6 仿真結(jié)果

開關(guān)在狀態(tài)1彈簧作用下合閘特性曲線見圖7所示；在狀態(tài)2彈簧作用下合閘特性曲線見圖8所示。仿真結(jié)果見表2。

根據(jù)仿真結(jié)果顯示，30年后，在彈簧載荷損失5.3%的情況下，開關(guān)依然能夠關(guān)合到位。

圖6 帶電動力時的插入阻力

圖7 狀態(tài)1彈簧作用下合閘特性曲線

圖8 狀態(tài)2彈簧作用下合閘特性曲線

圖7、圖8中的曲線含義如下：淺色實線為本體動觸頭瞬時速度；長虛線為本體合閘速度；短虛線為本體行程。

3 解析計算驗證

3.1 仿真模型

為了進一步驗證仿真結(jié)果，對合閘過程中的能量進行解析計算。圖9至圖12是開關(guān)關(guān)合過程的示意圖。從圖中可以看出，在整個關(guān)合過程中：彈簧力在做正功；動觸頭所受的關(guān)合阻力和緩沖器的阻力在做負功。

圖9 死點位置(彈簧開始作用)

圖10 電動力開始作用

圖11 緩沖器開始作用

圖12 關(guān)合到底

圖9至圖12中各字母代表的含義如下：F1……4為不同壓縮高度下彈簧力，N；L1……4為彈簧不同壓縮高度，mm；S1……4為不同時刻本體行程，mm；v1……3為不同時刻本體瞬時速度，m/s。

3.2 動觸頭受到的關(guān)合阻力功

1)關(guān)合阻力做功

W1=FdL1+FfdL2=21.8 J+55.3 J=77.1 J

(2)

式中:W1是關(guān)合阻力所做的功；FdL1、FfdL2分別為剛合點之前和之后的阻力所做的功。FdL1也即預擊穿導致的電動阻力所做的功。預擊穿位置Fd=0，從預擊穿點到剛合點之間，該力值線性增加到最大值[2-3]。經(jīng)討論，該值應(yīng)比實際值大，因此對關(guān)合能力的計算偏保守。FfdL2根據(jù)圖6的阻力曲線對位移積分得來。

2)緩沖器吸收能量

緩沖器吸收的能量為

(3)

s=5 mm估算出W2=13.1 J，保守起見取W2=14 J。

3)合閘所需能量

合閘所需的最小能量為關(guān)合阻力做的功和緩沖器吸收的能量之和：

WC=W1+W2=77.1 J+14 J=91.1 J

(4)

4)彈簧合閘功

考慮到傳動效率和保證可靠合閘的裕度，彈簧提供的能量應(yīng)在合閘所需能量的基礎(chǔ)上除以一個系數(shù)：

(5)

式中，η為考慮機械效率和可靠合閘裕度的系數(shù)，通常取0.6～0.7[2]。

因此，按現(xiàn)模型計算，要使開關(guān)能夠關(guān)合到位，要求的彈簧操作功大于151.8 J。

狀態(tài)1的彈簧功為

162 J>151.8 J，因此能關(guān)合到位。

狀態(tài)2的彈簧功為

=153.4 J

153.4 J>151.8 J，因此也能夠關(guān)合到位。

4 結(jié) 論

1)通過試驗驗證，故障關(guān)合接地開關(guān)用壓縮彈簧30年后應(yīng)力松弛率為5.3%。

2)通過動力學仿真和解析計算，均得出了30年后彈簧能量依然能夠滿足故障關(guān)合接地開關(guān)關(guān)合特性的要求，開關(guān)能夠關(guān)合到位。