戶內(nèi)高壓隔離開(kāi)關(guān)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過(guò)程影響因素研究

劉先保 呂 斌

（上海思源電力電容器有限公司）

0 引言

交直流電力系統(tǒng)中無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備投切分組斷路器時(shí)，線路電流幅值變化極大、上升率極高，線路短路電流可達(dá)100kA 以上，上升率一般要大于20A/μs。這種工況會(huì)對(duì)系統(tǒng)中隔離開(kāi)關(guān)的動(dòng)熱穩(wěn)定性有新的要求。即控制系統(tǒng)必須在電容器柜出線電流達(dá)到峰值之前完成交流斷路器機(jī)構(gòu)的啟動(dòng)，觸頭兩端建立足夠的絕緣距離防止重?fù)舸?，同時(shí)迅速打開(kāi)進(jìn)線側(cè)隔離開(kāi)關(guān)使線路形成明顯的斷口，才能直觀且有效地完成快速線路分?jǐn)嗟娜蝿?wù)，保證設(shè)備維護(hù)安全。否則，不但增加系統(tǒng)維護(hù)安全負(fù)擔(dān)，而且如果隔離開(kāi)關(guān)機(jī)構(gòu)速度慢及其操作力不均勻，會(huì)嚴(yán)重減小隔離刀閘觸頭接觸的壽命[1]。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)因高壓隔離開(kāi)關(guān)機(jī)械原因造成的電力事故占總事故的85%；其中開(kāi)關(guān)質(zhì)量造成的高壓隔離開(kāi)關(guān)誤動(dòng)、拒動(dòng)等故障占69.6%?？梢?jiàn)，減少隔離刀閘機(jī)構(gòu)響應(yīng)時(shí)間，提高機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)速度和優(yōu)化出合理的操作力是快速完成高壓線路開(kāi)斷及線路維護(hù)安全保障的前提，也是一個(gè)要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

采用傳統(tǒng)的手動(dòng)機(jī)構(gòu)或電動(dòng)機(jī)構(gòu)在有限空間內(nèi)無(wú)法實(shí)現(xiàn)隔離開(kāi)關(guān)分閘操作速度和可靠性提高，無(wú)法及時(shí)形成明顯的線路斷口[2-3]；可編碼調(diào)速電機(jī)及優(yōu)化后操動(dòng)機(jī)構(gòu)的應(yīng)用可產(chǎn)生高效、可控性極大的機(jī)構(gòu)操作力，適用于箱式、柜式可靠性高，免維護(hù)隔離開(kāi)關(guān)的電動(dòng)操動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。

本文采用有限元?jiǎng)恿W(xué)仿真方法對(duì)隔離開(kāi)關(guān)及其電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行建模分析。通過(guò)遺傳算法對(duì)操作機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)及其電氣參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，得到這些參數(shù)對(duì)隔離開(kāi)關(guān)本體機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過(guò)程影響的規(guī)律，設(shè)計(jì)一套可數(shù)控的隔離開(kāi)關(guān)及其電動(dòng)操動(dòng)機(jī)構(gòu)，應(yīng)用于海外箱式高壓并聯(lián)電容器裝置的樣機(jī)，最后通過(guò)機(jī)械特性測(cè)試，隔離開(kāi)關(guān)操動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)速度和可靠性提高，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，驗(yàn)證了計(jì)算仿真結(jié)果的正確性。

1 隔離開(kāi)關(guān)的基本結(jié)構(gòu)及其工作原理

隔離開(kāi)關(guān)機(jī)構(gòu)主要由電機(jī)、減速器、脈沖旋轉(zhuǎn)編碼器、旋轉(zhuǎn)曲柄、連桿、搖桿、隔離開(kāi)關(guān)本體、行程開(kāi)關(guān)、輔助開(kāi)關(guān)、控制器等組成。如圖1 所示。

圖1 隔離開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)總體示意圖

其中帶旋轉(zhuǎn)編碼器的電機(jī)1，減速器2，旋轉(zhuǎn)軸3，曲柄機(jī)構(gòu)8，連桿機(jī)構(gòu)9，曲柄機(jī)構(gòu)10 組成了機(jī)構(gòu)的動(dòng)力回路；曲柄機(jī)構(gòu)8，連桿機(jī)構(gòu)9，曲柄機(jī)構(gòu)10 組成雙曲柄連桿機(jī)構(gòu)，當(dāng)帶旋轉(zhuǎn)編碼器的電機(jī)1 接到觸發(fā)信號(hào)導(dǎo)通電源旋轉(zhuǎn)一定角度后，減速器2 帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)軸3 也會(huì)旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，進(jìn)而帶動(dòng)雙曲柄連桿機(jī)構(gòu)推動(dòng)隔離開(kāi)關(guān)本體運(yùn)動(dòng)部件旋轉(zhuǎn)進(jìn)行分合操作。

2 隔離開(kāi)關(guān)雙曲柄連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)學(xué)模型與設(shè)計(jì)要求

2.1 數(shù)學(xué)模型[4]

隔離開(kāi)關(guān)機(jī)構(gòu)動(dòng)作時(shí)，雙曲柄連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)關(guān)系到隔離開(kāi)關(guān)本體運(yùn)動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)速度和可靠性[5]。如圖2所示，L1為曲柄機(jī)構(gòu)8長(zhǎng)度，L2為連桿機(jī)構(gòu)9長(zhǎng)度，L3為曲柄機(jī)構(gòu)10 長(zhǎng)度，L4為動(dòng)觸頭旋轉(zhuǎn)軸11 與旋轉(zhuǎn)軸3 的距離。雙曲柄連桿機(jī)構(gòu)坐標(biāo)示意圖，如圖3 所示。

圖2 雙曲柄連桿機(jī)構(gòu)示意圖

圖3 雙曲柄連桿機(jī)構(gòu)坐標(biāo)示意圖

（1）位置分析

建立矢量方程的復(fù)數(shù)矢量形式：

其中：

（2）速度分析

將式（1）對(duì)時(shí)間t求一階導(dǎo)可得角速度的關(guān)系式如下：

運(yùn)用歐拉公式可解得連桿CD 的角速度：

（3）加速度分析

將式（1）對(duì)時(shí)間t求二階導(dǎo)可得角加速度的關(guān)系式如下：

運(yùn)用歐拉公式并代入初位條件求解得連架桿CD的角加速度：

可見(jiàn)，雙曲柄機(jī)構(gòu)輸入桿1 轉(zhuǎn)角θ1與輸出桿3轉(zhuǎn)角θ3存在非線性關(guān)系，在輸入桿1 勻速轉(zhuǎn)動(dòng)的條件下，其輸出桿3 轉(zhuǎn)速ω3為非勻速。因此，通過(guò)合理選擇雙曲柄桿系參數(shù)，可得到理想的隔離開(kāi)關(guān)動(dòng)觸頭位移s、速度v和加速度α。

2.2 設(shè)計(jì)方法

從上述可知，電機(jī)轉(zhuǎn)速ω1、曲柄機(jī)構(gòu)10 的工作行程角度θ3及角速度ω3、連桿機(jī)構(gòu)9 的長(zhǎng)度L2及工作行程角度θ2、靜觸頭端（系統(tǒng)進(jìn)線端）18 受力、靜觸頭端支柱絕緣子21 的瓷瓶受力等參數(shù)對(duì)隔離開(kāi)關(guān)動(dòng)觸頭的位移、速度、加速度以及作用在輸入電機(jī)連接曲柄桿上的轉(zhuǎn)矩影響較大。對(duì)桿系參數(shù)進(jìn)行最優(yōu)設(shè)計(jì)是得出符合隔離開(kāi)關(guān)分、合閘速度均勻不卡頓、支柱絕緣子狀態(tài)完好的關(guān)鍵[6]。

遺傳算法是借用生物遺傳學(xué)自然選擇、遺傳、交叉、變異等作用機(jī)制，可獲得全局最優(yōu)解的最新優(yōu)化方法[7]。本文對(duì)隔離開(kāi)關(guān)雙曲柄桿系結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行遺傳算法優(yōu)化。

設(shè)計(jì)變量：

分別為雙曲柄桿系的桿長(zhǎng)L1、L2、L3、L4以及桿L1與電機(jī)軸的相位角θ1。

建立目標(biāo)函數(shù)minF（X），進(jìn)行單目標(biāo)優(yōu)化，這里以隔離開(kāi)關(guān)支柱絕緣子接觸力可控范圍內(nèi)、動(dòng)觸頭公稱力行程內(nèi)，以及作用在雙曲柄桿系輸入桿L1的轉(zhuǎn)矩最小為目標(biāo)函數(shù)，即：電機(jī)通過(guò)減速器輸入的最小轉(zhuǎn)矩Mmin。

約束條件：雙曲柄連桿機(jī)構(gòu)尺寸變化范圍；最小傳動(dòng)角條件；桿系干涉條件；動(dòng)觸頭合分速度、靜觸頭端支柱絕緣子21 的瓷瓶受力范圍；桿系參數(shù)上下限條件。

利用語(yǔ)言編程工具編寫(xiě)雙曲柄桿系參數(shù)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型以及相應(yīng)的遺傳算法功能模塊，并設(shè)置優(yōu)化設(shè)計(jì)遺傳算法初始種群數(shù)（50~100）、交叉概率（0.6~0.8）、變異概率（0.01~0.1）、遺傳代數(shù)（100~200）等優(yōu)化過(guò)程參數(shù)，根據(jù)隔離開(kāi)關(guān)實(shí)際運(yùn)行工況設(shè)置約束條件參數(shù)，進(jìn)行雙曲柄桿系參數(shù)優(yōu)化，即求得不同約束條件下滿足目標(biāo)函數(shù)的全局最優(yōu)雙曲柄桿系參數(shù)L1、L2、L3、L4以及θ1。

本文選擇初始種群數(shù)80，交叉概率 0.7，變異概率0.05，遺傳代數(shù)100，經(jīng)過(guò)遺傳算法優(yōu)化得到桿系參數(shù)為：L1=60mm，L2=2160mm，L3=70mm，L4=2185mm，θ1=37°。

3 隔離開(kāi)關(guān)運(yùn)動(dòng)仿真模型

隔離開(kāi)關(guān)分合閘運(yùn)動(dòng)過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)過(guò)程，通過(guò)理論計(jì)算數(shù)學(xué)模型分析以及遺傳算法全局最優(yōu)雙曲柄桿系參數(shù)分析，本文獲得了機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性的一些規(guī)律和結(jié)論，包括運(yùn)動(dòng)行程、運(yùn)動(dòng)速度等重要變量隨時(shí)間變化的特性曲線，這對(duì)進(jìn)一步研究隔離開(kāi)關(guān)操作機(jī)構(gòu)分合閘運(yùn)動(dòng)過(guò)程特性有重要作用。本文主要利用有限元仿真分析軟件對(duì)隔離開(kāi)關(guān)分合閘運(yùn)動(dòng)過(guò)程操作機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性再進(jìn)行深入計(jì)算分析和驗(yàn)證，如圖4 所示。

圖4 仿真模型

4 基本參數(shù)對(duì)隔離開(kāi)關(guān)運(yùn)動(dòng)速度影響研究

由隔離開(kāi)關(guān)操作機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性理論分析可知，影響機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過(guò)程動(dòng)力學(xué)特性的參數(shù)有很多[8]。本文利用有限元仿真技術(shù)對(duì)影響動(dòng)力學(xué)特性的重要參數(shù)再進(jìn)行計(jì)算分析，并加入關(guān)鍵部件的重要物理參數(shù)的計(jì)算分析和驗(yàn)證，主要包括運(yùn)動(dòng)行程、電機(jī)運(yùn)動(dòng)速度、連桿長(zhǎng)度等關(guān)鍵參數(shù)對(duì)隔離開(kāi)關(guān)分合閘操作力、速度的影響規(guī)律。最后對(duì)計(jì)算分析結(jié)果進(jìn)行總結(jié)，用于指導(dǎo)設(shè)計(jì)隔離開(kāi)關(guān)操作機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和電路，使之獲得最佳效果。主要材料屬性如下表所示。

表 主要材料屬性

4.1 動(dòng)觸頭旋轉(zhuǎn)軸材料對(duì)運(yùn)動(dòng)的影響

動(dòng)觸頭旋轉(zhuǎn)軸彎曲應(yīng)變示意圖如圖5 所示，圖6中對(duì)比了動(dòng)觸頭旋轉(zhuǎn)軸11 分別為灰鑄鐵和結(jié)構(gòu)鋼材質(zhì)時(shí)，對(duì)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的影響?？梢钥闯鲂詢r(jià)比更好的灰鑄鐵動(dòng)觸頭旋轉(zhuǎn)軸更不易變形，然而由于密度相差懸殊，不銹鋼動(dòng)觸頭旋轉(zhuǎn)軸的運(yùn)動(dòng)速度響應(yīng)更快位移變化更平穩(wěn)。

圖5 動(dòng)觸頭旋轉(zhuǎn)軸彎曲應(yīng)變示意圖

圖6 不同動(dòng)觸頭旋轉(zhuǎn)軸材料彎曲應(yīng)變曲線

4.2 動(dòng)觸頭旋轉(zhuǎn)軸形狀對(duì)運(yùn)動(dòng)的影響

如圖7 所示，在其他條件相同時(shí)，矩形截面和梯形截面動(dòng)觸頭旋轉(zhuǎn)軸支撐拉桿的驅(qū)動(dòng)力和位移曲線?？梢钥闯觯褂镁匦谓孛鎰?dòng)觸頭旋轉(zhuǎn)軸支撐拉桿時(shí)驅(qū)動(dòng)力更大，但運(yùn)動(dòng)速度較慢。

圖7 不同動(dòng)觸頭旋轉(zhuǎn)軸支撐拉桿形狀驅(qū)動(dòng)力和位移曲線

4.3 連桿機(jī)構(gòu)水平傾角對(duì)運(yùn)動(dòng)的影響

本文分析了連桿機(jī)構(gòu)水平傾角對(duì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程的影響。圖8 中線1、2、3 分別為初始水平傾角40°、50°和60°的仿真計(jì)算結(jié)果。研究表明，連桿機(jī)構(gòu)長(zhǎng)度與水平傾角越小，連桿驅(qū)動(dòng)力越大，運(yùn)動(dòng)速度越快，而且效果非常明顯。所以在裝配工藝允許的前提下，應(yīng)盡量減小其水平傾角。

圖8 連桿機(jī)構(gòu)不同水平傾角速度曲線和位移曲線

4.4 減速箱減速比對(duì)運(yùn)動(dòng)的影響

支柱絕緣子承受的扭矩和扭轉(zhuǎn)應(yīng)變存在如下關(guān)系[9]：

式中，T為扭矩；ε為扭轉(zhuǎn)應(yīng)變；d為絕緣子瓷柱直徑；E和μ分別為絕緣子的彈性模量和泊松比。

由式（1）可計(jì)算出隔離開(kāi)關(guān)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)卡澀時(shí)支柱絕緣子承受的扭矩。底座支柱絕緣子彎曲應(yīng)力示意圖如圖9 所示，可見(jiàn)，根據(jù)應(yīng)變測(cè)試結(jié)果和支柱瓷絕緣子尺寸及材料參數(shù)，結(jié)合材料力學(xué)理論，可推算出絕緣子在隔離開(kāi)關(guān)操作過(guò)程中承受的扭矩，進(jìn)而評(píng)估傳動(dòng)機(jī)構(gòu)卡澀嚴(yán)重程度，并采取相關(guān)措施消除隔離開(kāi)關(guān)缺陷，防止支柱瓷絕緣子承受應(yīng)力過(guò)大而發(fā)生斷裂[9]。

圖9 底座支柱絕緣子彎曲應(yīng)力示意圖

圖10 為在電機(jī)轉(zhuǎn)速相同的情況下，對(duì)比了不同減速箱減速比對(duì)底座支柱絕緣子彎曲應(yīng)力的影響，分別為2.0、3.0。由于電機(jī)轉(zhuǎn)速不變，所以兩種情況旋轉(zhuǎn)軸3 速度不同。本文又對(duì)比了2.0 到3.0 減速箱減速比情況下底座支柱絕緣子的應(yīng)力情況，通過(guò)計(jì)算結(jié)果獲得的規(guī)律是，隨著減速箱減速比的適當(dāng)范圍內(nèi)增加，底部支柱絕緣子的應(yīng)力突變也在逐漸減少。

圖10 相同電機(jī)轉(zhuǎn)速下不同減速箱減速比底座支柱絕緣子彎曲應(yīng)力曲線

4.5 接地桿材料對(duì)接地桿運(yùn)動(dòng)的影響

接地驅(qū)動(dòng)連桿彎曲應(yīng)變示意圖如圖11 所示，從圖12 中可知，增大接地桿強(qiáng)度（結(jié)構(gòu)鋼）可以顯著減小接地桿變形幅值，進(jìn)而增加接地開(kāi)關(guān)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)速度傳遞的穩(wěn)定性。

圖11 接地驅(qū)動(dòng)連桿彎曲應(yīng)變示意圖

圖12 不同材料接地桿的應(yīng)變曲線

5 樣機(jī)研制與試驗(yàn)測(cè)試

通過(guò)以上對(duì)隔離開(kāi)關(guān)操作機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性的研究，結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際情況，最終確定了應(yīng)用于海外箱式高壓并聯(lián)電容器裝置合適的參數(shù)并設(shè)計(jì)出試驗(yàn)樣機(jī)如圖13所示。

圖13 隔離開(kāi)關(guān)樣機(jī)測(cè)試

試驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行機(jī)械特性測(cè)試，如圖14 所示。在分閘電機(jī)轉(zhuǎn)速大小和減速器變速比一定的情況下，分別測(cè)試了分閘速度和支柱絕緣子接觸力，最終確定分閘電機(jī)轉(zhuǎn)速大小7m/s，減速器變速比2.5 時(shí)，分閘速度達(dá)到52mm/s，支柱絕緣子接觸力1.85kN，同時(shí)支柱絕緣子各項(xiàng)指標(biāo)完好，運(yùn)動(dòng)特性滿足設(shè)計(jì)要求。

圖14 分閘特性測(cè)量結(jié)果

6 結(jié)束語(yǔ)

本文由隔離開(kāi)關(guān)操作機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性理論分析，得出該機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)速度的主要影響因素，并運(yùn)用有限元仿真軟件對(duì)該機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真分析，得出幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)變化時(shí)對(duì)開(kāi)關(guān)隔離機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過(guò)程的影響規(guī)律。

1）監(jiān)控帶旋轉(zhuǎn)編碼器的電機(jī)轉(zhuǎn)速大小和合適的減速器變速比能夠獲得隔離開(kāi)關(guān)動(dòng)觸頭平滑可控的運(yùn)動(dòng)加速度，防止靜觸頭端（系統(tǒng)進(jìn)線端）18 受力過(guò)大、靜觸頭端支柱絕緣子21 的瓷瓶受力過(guò)大而受損情況發(fā)生。

2）其他相同條件下，動(dòng)觸頭旋轉(zhuǎn)軸11 與旋轉(zhuǎn)軸3 的距離變化，可以通過(guò)本文的仿真數(shù)據(jù)積累獲得平滑的力矩傳輸曲線。

3）增大電機(jī)轉(zhuǎn)速大小和合適的減速器變速比，均可以顯著增加曲柄機(jī)構(gòu)8 的運(yùn)動(dòng)角速度進(jìn)而加快隔離開(kāi)關(guān)本體運(yùn)動(dòng)速度。

在以上仿真計(jì)算基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出試驗(yàn)樣機(jī)，機(jī)械特性測(cè)試結(jié)果顯示，速度、支柱絕緣子接觸力控制完全達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，同時(shí)驗(yàn)證了仿真分析的正確性。