斷路器合閘過程中自力型觸頭變形行為研究

劉猛 馬騰迪

（西安西電開關(guān)電氣有限公司）

0 引言

GIS是電力系統(tǒng)中的重要設(shè)備，由于其具有體積小、占地面積少、維護(hù)方便等優(yōu)良條件在電力系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。隨著當(dāng)今社會經(jīng)濟(jì)和生活水平不斷提高，對電能的需求日益增大，對電能質(zhì)量的要求也越來越高。提高高壓開關(guān)設(shè)備的可靠性、穩(wěn)定性顯得越來越迫切[1]。

高壓斷路器在分合閘過程中，動靜觸頭發(fā)生接觸、碰撞、滑動摩擦，極易導(dǎo)致觸頭表面劃傷，產(chǎn)生金屬微粒和微小的毛刺[2]。而異物放電則是高壓開關(guān)主要故障類型之一[2-3]。

長期以來，人們解決觸頭掉屑主要關(guān)注動靜側(cè)對中、觸頭材料、觸頭結(jié)構(gòu)和表面狀態(tài)等幾個方面[4]，但是對于合閘過程中的觸頭變形行為對磨合掉屑的影響則較少研究。

接觸問題是一種高度的非線性行為，在計算過程中需要耗費大量的資源。GIS斷路器動靜觸頭結(jié)構(gòu)大多具有圓周對稱性，其中靜觸頭采用自力型觸頭。在仿真計算中，通常采取簡化模型的辦法來降低計算規(guī)模，節(jié)省計算時間。在以往的文獻(xiàn)中，王之軍等采用沖擊動力學(xué)的分析方法，來模擬合閘過程中觸頭的應(yīng)力和變形規(guī)律，并分析動觸頭塑性變形對斷路器開斷的影響[5]。張沛文等在考慮觸頭塑性和摩擦的情況下，對觸頭施加實測運動速度，模擬了合閘過程中動靜觸頭的力學(xué)響應(yīng)[6]。

但是，采用簡化模型對觸頭合閘過程進(jìn)行仿真，并不能最大限度地真實反映合閘過程中的變形行為。本文通過對全尺寸動靜觸頭合閘過程進(jìn)行仿真，對靜側(cè)自力型觸頭的變形行為進(jìn)行了研究，以期對改善合閘過程中的觸頭磨合提供理論指導(dǎo)。

1 仿真模型建立

1.1 幾何模型建立

本文選用了一種常見的自力型觸頭作為計算對象，并對其進(jìn)行三維建模，如圖1所示。

圖1 動靜觸頭幾何模型

1.2 仿真條件設(shè)定

將模型導(dǎo)入Ansys workbench，選取Explicit Dynamics顯示動力學(xué)模塊進(jìn)行計算。動靜觸頭均選取Explict Materials 材料庫中的COPPER為零件材料。為減少運算量，采用系統(tǒng)中等網(wǎng)格尺寸對模型劃分網(wǎng)格，如圖2所示。將靜主觸頭螺紋面設(shè)為固定面。

圖2 網(wǎng)格劃分效果

本文首先研究了自力型觸頭在滅弧室設(shè)計合閘速度7m/s下的動態(tài)變形行為。然后，研究分析了合閘速度對自力型觸頭變形行為的影響，速度分別選取為1m/s、4m/s和7m/s。最后，又根據(jù)自力型觸頭的變形特點，研究分析了觸頭結(jié)構(gòu)對自力型觸頭變形行為的影響，將合閘速度設(shè)置為7m/s。

2 計算結(jié)果

2.1 自力型觸頭動態(tài)變形行為研究

首先對自力型觸頭在7m/s速度下的動態(tài)變形行為進(jìn)行了仿真計算，計算結(jié)果如圖3、圖4所示。

通過圖3可以看出，觸頭在合閘過程中隨時間變化，觸指并非均勻向四面張開，而是存在明顯的不均勻變形現(xiàn)象。將形變效果放大3.2倍，顯示大量觸指與動觸頭脫離。這種不均勻變形可能對觸頭磨合造成不利影響。

從圖4可以看出，脫離側(cè)應(yīng)變量大于接觸側(cè)，且在翹起最大的觸指根部應(yīng)變最為集中。此外，觸指根部應(yīng)變分布并非沿觸指中線呈對稱分布。

結(jié)合圖3、圖4所示結(jié)果可以得出，在動觸頭插入過程中，每個觸指形變量并不相同，并最終在某一觸指處達(dá)到最大，而應(yīng)變的不均勻分布致使部分觸指與動觸頭脫離接觸。觸指與動觸頭不均勻接觸會導(dǎo)致觸頭磨損狀態(tài)不一致。合閘過程中觸指應(yīng)變的不均勻分布可能是導(dǎo)致觸指與動觸頭不均勻接觸的原因之一。

圖3 觸頭隨時間動態(tài)變形過程3.2倍正向形變云圖

圖4 側(cè)向應(yīng)變分布圖

根據(jù)波動力學(xué)原理，任何材料都具有可變形性和慣性，當(dāng)其受外部載荷的擾動時，其變形并不是一蹴而就的，而是應(yīng)力波傳播、反射和相互作用的結(jié)果。當(dāng)所研究的或所觀察的時間尺度相對于應(yīng)力波傳播持續(xù)時間已足夠大時，即介質(zhì)中的應(yīng)力可視為瞬間平衡或均勻，因而，可以忽略應(yīng)力波傳播所帶來的影響，而著眼于應(yīng)力平衡后的力學(xué)問題，即將問題視為靜力學(xué)問題進(jìn)行分析。但是，對于一些高速沖擊或載荷問題，其在毫秒、微秒甚至納秒時間尺度上擾動信號極大，且總持續(xù)時間極短，此時應(yīng)力波的傳播所帶來的影響不可忽視，反而起到關(guān)鍵作用。此時，材料內(nèi)部應(yīng)力遠(yuǎn)沒有均勻，因此就造成了應(yīng)變不均勻分布等現(xiàn)象[7]。

2.2 合閘速度對自力型觸頭變形行為的影響

為了進(jìn)一步分析造成觸頭發(fā)生上述不均勻變形的原因和影響因素，對自力型觸頭在1m/s、4m/s和7m/s三種不同的合閘速度下的變形行為進(jìn)行了仿真計算，計算結(jié)果如圖5所示。

通過圖5可以看出，合閘速度對觸頭變形量有顯著影響，速度越大，變形量越大。通過分析得出，合閘速度越大，自力型觸頭承受的沖量越大，觸頭內(nèi)部承受的應(yīng)力隨之增大。當(dāng)觸指根部剛度不足時，一部分觸指就會發(fā)生與動觸頭脫離的現(xiàn)象。

圖5 不同速度下自力型觸頭3.2倍正向形變云圖

2.3 觸頭結(jié)構(gòu)對自力型觸頭變形行為的影響

為了驗證設(shè)想，對觸頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行一定修改，通過在觸指根部增加一圈加強(qiáng)筋，以便提高觸指根部剛度，如圖6所示。

圖6 加強(qiáng)筋增加示意圖

在此結(jié)構(gòu)上，分析了觸頭在7m/s合閘速度時的變形行為，計算結(jié)果如圖7、圖8所示。

圖7 結(jié)構(gòu)強(qiáng)化后觸頭正向形變云圖

圖8 結(jié)構(gòu)強(qiáng)化后觸頭側(cè)向應(yīng)變云圖

從圖7可以看出，在觸指根部增加加強(qiáng)筋后，觸指形變比圖3更加均勻，觸指變形云圖呈軸對稱狀。而從圖8中的側(cè)向應(yīng)變云圖也發(fā)現(xiàn)觸指根部應(yīng)變比圖4更加均勻。以上現(xiàn)象說明，加強(qiáng)筋增加觸指根部剛度對改善自力型觸頭內(nèi)應(yīng)力分布可以發(fā)揮顯著作用。

3 結(jié)束語

通過以上分析研究，可以得出以下結(jié)論：

1）觸頭在合閘過程中觸指并非均勻向四面張開，而是存在明顯的不均勻變形的現(xiàn)象，一側(cè)觸指與動觸頭接觸而另一側(cè)則有大量觸指與動觸頭脫離。這種不均勻變形會對觸頭磨合造成不利影響。

2）合閘速度對觸頭變形量有顯著影響，速度越大，不均勻變形量越大。

3）加強(qiáng)筋增加觸指根部剛度對改善自力型觸頭內(nèi)應(yīng)力分布可以發(fā)揮顯著作用。

4）合適的合閘速度與觸頭剛度對控制觸頭不均勻變形是必要的，這對今后自力型觸頭的設(shè)計提供了理論參考。