一種塑殼斷路器操作機(jī)構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)計(jì)

摘"要：在簡(jiǎn)述塑殼式斷路器操作機(jī)構(gòu)的動(dòng)作原理基礎(chǔ)上，以某型號(hào)雙斷點(diǎn)塑殼斷路器為設(shè)計(jì)研究對(duì)象，運(yùn)用ADAMS分析軟件計(jì)算得出觸頭三要素、觸頭分合閘速度、機(jī)構(gòu)分合閘力、分合閘行程、分合閘時(shí)間等操作機(jī)構(gòu)的重要參數(shù)。仿真得到的參數(shù)與樣機(jī)的實(shí)測(cè)參數(shù)誤差極小，進(jìn)而為塑殼斷路器操作機(jī)構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)計(jì)提供了一種方法。

關(guān)鍵詞： 塑殼斷路器; 操作機(jī)構(gòu); 觸頭三要素; 運(yùn)動(dòng)仿真

中圖分類號(hào)： TM561

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)： 2095-8188（2024）03-0047-06

DOI： 10.16628/j.cnki.2095-8188.2024.03.008

Design on Operating Mechanism Key Parameters of Moulded Case Circuit Breaker

LI Peng

［Shanghai Electric Apparatus Research Institute （Group） Co.，Ltd.， Shanghai 200063， China］

Abstract：

On the basis of briefly describing the action principle of the operating mechanism of the moulded case circuit breaker （MCCB），a certain model of double break point MCCB is taken as the design and research object.Using ADAMS analysis software，the important parameters of the operating mechanism，such as the three elements of the contact，the opening and closing speed of the contact，the opening and closing force of the mechanism，the opening and closing stroke，and the opening and closing time，are calculated .The simulation parameters have minimal error compared to the measured parameters of the prototype.The allowance between the simulated parameters and the measured parameters of the prototype is very small.A design method of the operating mechanism key parameters is provided.

Key words：

moulded case circuit breaker （MCCB）; operating mechanism; three elements of contact; motion simulation

0"引"言

塑殼斷路器作為電力系統(tǒng)中最重要的開關(guān)電器之一，既能夠接通、承載以及分?jǐn)嗾ｋ娐窏l件下的電流，又能在所規(guī)定的非正常電路（例如短路）下接通、承載和分?jǐn)嘁欢〞r(shí)間電流的一種開關(guān)電器［1］。操作機(jī)構(gòu)作為塑殼斷路器的核心部件，是斷路器的“發(fā)動(dòng)機(jī)［2-3］”，也是斷路器各個(gè)功能的執(zhí)行部件。斷路器操作機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)直接關(guān)系到斷路器耐沖擊振動(dòng)、使用壽命、分?jǐn)嗄芰Φ雀黜?xiàng)性能指標(biāo)，因此操作機(jī)構(gòu)是斷路器各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)。

本文以某型號(hào)雙斷點(diǎn)塑殼斷路器為例，運(yùn)用ADAMS分析軟件，對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析，得出操作機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)重要參數(shù)，為操作機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支撐。

1"操作機(jī)構(gòu)的動(dòng)作原理

塑殼斷路器的操作機(jī)構(gòu)主要由手柄、跳扣、鎖扣、再扣、觸頭、上連桿、下連桿、主彈簧、轉(zhuǎn)軸系統(tǒng)、機(jī)架和脫扣板等組成。機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)過程中有3個(gè)狀態(tài)：合閘、再扣分閘和脫扣。在合閘和再扣分閘操作過程中，操作機(jī)構(gòu)是典型的四連桿機(jī)構(gòu)［4-5］，脫扣狀態(tài)則是由四連桿機(jī)構(gòu)變?yōu)槲暹B桿機(jī)構(gòu)。為方便分析，將操作機(jī)構(gòu)的3個(gè)動(dòng)作狀態(tài)簡(jiǎn)化為機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖。手柄合閘時(shí)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示;手柄分閘時(shí)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示;自由脫扣時(shí)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖3所示。

斷路器分閘、自由脫扣后再扣位置時(shí)，由OA、AB、BC及固定點(diǎn)CO構(gòu)成四連桿機(jī)構(gòu)，此時(shí)機(jī)構(gòu)只有1個(gè)自由度，即分或合方向的自由度。當(dāng)機(jī)構(gòu)處于自由脫扣狀態(tài)時(shí)，由OA、AB、BC、CD和DO構(gòu)成五連桿，此時(shí)機(jī)構(gòu)便有2個(gè)自由度，即圍繞D點(diǎn)向前、向后運(yùn)動(dòng)的自由度。

2"操作機(jī)構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1"ADAMS動(dòng)力學(xué)模型的建立

以某型號(hào)雙斷點(diǎn)塑殼斷路器為例，將其簡(jiǎn)化為可計(jì)算的多體動(dòng)力學(xué)仿真分析模型。操作機(jī)構(gòu)仿真分析模型如圖4所示。然后將三維模型導(dǎo)入ADAMS軟件，設(shè)置各部件的材料屬性及轉(zhuǎn)動(dòng)、碰撞等約束類型。

在ADAMS/View環(huán)境中，操作機(jī)構(gòu)的分閘、合閘等是一個(gè)瞬間的動(dòng)作過程，包含高速的碰撞，涉及因素較多，因此要精確建模。只要仿真構(gòu)件幾何體形的質(zhì)量、質(zhì)心位置、慣性矩和慣性積同實(shí)際構(gòu)件相同，仿真結(jié)果是等價(jià)的。正確施加樣機(jī)約束也很重要，在模型中，主要涉及連桿和軸之間的轉(zhuǎn)動(dòng)約束、兩構(gòu)件之間的接觸約束、軸和地之間的固定約束等。在施加約束前，必須清楚構(gòu)件之間的連接關(guān)系，才能保證在仿真時(shí)系統(tǒng)以預(yù)想的方式運(yùn)動(dòng)。建模過程中用到的參數(shù)如表1所示。

對(duì)斷路器操作機(jī)構(gòu)的仿真參數(shù)進(jìn)行初步確定。斷路器的主要參數(shù)1如表2所示。

2.2"仿真分析

2.2.1"觸頭系統(tǒng)力和動(dòng)作時(shí)間仿真分析

首先對(duì)觸頭系統(tǒng)的主要參數(shù)進(jìn)行仿真測(cè)量，測(cè)量動(dòng)觸頭質(zhì)點(diǎn)繞動(dòng)觸桿質(zhì)心轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)其位置的變化。動(dòng)觸頭質(zhì)心位置隨時(shí)間變化曲線如圖5所示。曲線1（sim_1）指動(dòng)靜觸頭有碰撞時(shí)動(dòng)觸頭質(zhì)心位置變化曲線，曲線2（sim_2）指動(dòng)靜觸頭無碰撞時(shí)動(dòng)觸頭質(zhì)心位置變化曲線。通過仿真可以得到，曲線隨時(shí)間變化的趨勢(shì)：0.1 s之前操作機(jī)構(gòu)處于初始狀態(tài)即合閘狀態(tài)，在0.1 s時(shí)施加手

柄力，觸頭快速打開使操作機(jī)構(gòu)處于分閘狀態(tài)，0.2 s時(shí)取消手柄力，0.3 s時(shí)施加反向手柄力使機(jī)構(gòu)迅速處于合閘狀態(tài)，0.4 s時(shí)在脫扣板上施加反力，機(jī)構(gòu)開始迅速脫扣并處于脫扣狀態(tài)，0.5 s時(shí)取消手柄力，0.7 s時(shí)再次施加手柄力使機(jī)構(gòu)進(jìn)入鎖扣狀態(tài)，0.8 s時(shí)施加手柄力，機(jī)構(gòu)再次進(jìn)入合閘狀態(tài)，0.9 s后取消手柄力直至仿真結(jié)束。

通過曲線1可以得到觸頭開距為14.72 mm，觸頭合閘時(shí)間為19 ms，分閘時(shí)間為7 ms，脫扣時(shí)觸頭打開時(shí)間為9 ms，同時(shí)對(duì)比2條曲線，得到觸頭超程為2.25 mm。觸頭壓力隨時(shí)間變化曲線如圖6所示。由圖6可見，觸頭處于合閘狀態(tài)時(shí)，觸頭壓力為6.01 N。

2.2.2"脫扣力與脫扣行程仿真分析

操作機(jī)構(gòu)沒有脫扣之前，鎖扣和脫扣板之間存在一個(gè)相互作用力F。鎖扣與脫扣板之間作用

力如圖7所示。力F會(huì)在沿鎖扣和脫扣板接觸面方向產(chǎn)生摩擦力f，摩擦力f的大小決定了脫扣的難易程度。根據(jù)f=μF，F(xiàn)為正壓力，μ為接觸面的摩擦系數(shù)。摩擦系數(shù)可以通過兩接觸物體的材料及查閱相關(guān)資料得到，因此只需得到正壓力F的值就可以得到兩物體接觸面的摩擦力值，從材料手冊(cè)中得到鎖扣和脫扣板接觸面之間的摩擦系數(shù)為0.35～0.46，仿真中取值0.35。

斷路器脫扣過程中，機(jī)構(gòu)脫扣過程與接觸面正壓力曲線如圖8所示。此處監(jiān)測(cè)的脫扣力正是脫扣板與鎖扣之間的正壓力。圖8中實(shí)線為鎖扣與脫扣板之間正壓力隨時(shí)間的變化曲線。由圖8可見，鎖扣和脫扣板之間正壓力為15.1 N，由f=μF可知，脫扣力f=5.285 N。

為了得到機(jī)構(gòu)脫扣行程，需要對(duì)脫扣板的轉(zhuǎn)動(dòng)角度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，同時(shí)還要對(duì)脫扣板與鎖扣之間作用力的變化進(jìn)行測(cè)量。因?yàn)樵诿摽郯鍙某跏嘉恢棉D(zhuǎn)動(dòng)到可以使機(jī)構(gòu)完成脫扣動(dòng)作的位置之前，脫扣板和鎖扣之間一定會(huì)有作用力的存在，一旦二者之間的作用力發(fā)生突變（變得很小或者為零），可以認(rèn)為在這一時(shí)刻脫扣板轉(zhuǎn)動(dòng)到的這一位置是滿足機(jī)構(gòu)發(fā)生脫扣動(dòng)作的最小變化位置。因此，將脫扣板轉(zhuǎn)動(dòng)到可以使機(jī)構(gòu)發(fā)生脫扣動(dòng)作的最小位置作為脫扣行程。機(jī)構(gòu)脫扣過程與脫扣板和鎖扣作用力的變化關(guān)系如圖9所示。圖9中曲線1為脫扣板轉(zhuǎn)角隨時(shí)間變化曲線，曲線2為脫扣板與鎖扣之間作用力隨時(shí)間的變化曲線。由圖9可見，0.4 s時(shí)脫扣板開始動(dòng)作，此時(shí)脫扣板與鎖扣之間的作用力不為零，在4.05 s時(shí)，二者之間的作用力發(fā)生突變降至為零，說明二者已經(jīng)不再接觸，機(jī)構(gòu)可以完成脫扣動(dòng)作，此時(shí)脫扣板轉(zhuǎn)過的角度為7.6°。

脫扣時(shí)間和機(jī)構(gòu)保護(hù)作用也有著密切的關(guān)系。從鎖扣與跳扣開始分離，到觸頭完全打開為止的這段時(shí)間，設(shè)定為脫扣時(shí)間。機(jī)構(gòu)脫扣時(shí)間的變化如圖10所示。圖10中，曲線1為跳扣繞軸轉(zhuǎn)角的變化曲線，曲線2為動(dòng)靜觸頭之間距離的變化曲線。由圖10可知，機(jī)構(gòu)脫扣時(shí)間為9.7 ms。

2.2.3"操作機(jī)構(gòu)力仿真分析

操作機(jī)構(gòu)是斷路器的重要組成部分之一。在再扣復(fù)位操作過程中，操作機(jī)構(gòu)通過外力推動(dòng)操作手柄，使跳扣部件轉(zhuǎn)動(dòng)至鎖扣位置并被鎖定，五連桿機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)變成四連桿機(jī)構(gòu)，斷路器進(jìn)行合閘操作并接通電路。

機(jī)構(gòu)處于合閘狀態(tài)如圖11所示。機(jī)構(gòu)處于合閘狀態(tài)時(shí)，此時(shí)在手柄上施加操作力，對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行手動(dòng)分閘仿真。操作力從某一初始值開始，逐步成線性增加，手柄也隨著操作力的增大逐漸向分閘位置旋轉(zhuǎn)，當(dāng)操作力增大到一定程度后，機(jī)構(gòu)便會(huì)分閘，最后機(jī)構(gòu)分閘結(jié)束處于穩(wěn)定狀態(tài)。

事先完成主軸轉(zhuǎn)角與手柄操作力的測(cè)量、杠桿繞固定點(diǎn)轉(zhuǎn)角的測(cè)量和操作力線性變化的監(jiān)測(cè)。通過仿真，可獲得機(jī)構(gòu)剛運(yùn)動(dòng)時(shí)，以上測(cè)量值隨時(shí)間的變化曲線。斷路器分閘過程與操作力及杠桿轉(zhuǎn)角的確定如圖12所示。圖12中，曲線1為主軸轉(zhuǎn)角變化曲線，曲線2為杠桿繞固定點(diǎn)轉(zhuǎn)角變化曲線，曲線3為操作力變化曲線。由圖12可見，在圖中所標(biāo)示位置時(shí)，主軸轉(zhuǎn)角發(fā)生的變化足以使其繼續(xù)動(dòng)作至分閘位置，此時(shí)，使機(jī)構(gòu)動(dòng)作的最小手柄操作力為36.2 N，杠桿的最小轉(zhuǎn)角為26.5°。

同理，機(jī)構(gòu)處于分閘狀態(tài)如圖13所示。設(shè)置監(jiān)測(cè)量，施加操作力使機(jī)構(gòu)完成合閘過程仿真。

斷路器合閘過程與操作力及杠桿轉(zhuǎn)角的確定如圖14所示。圖14中，曲線1為主軸轉(zhuǎn)角變化曲線，曲線2為杠桿繞固定點(diǎn)轉(zhuǎn)角變化曲線，曲線3為操作力變化曲線。由圖14可見，使機(jī)構(gòu)動(dòng)作的最小手柄操作力為59.1 N，杠桿的最小轉(zhuǎn)角為35.1°。

機(jī)構(gòu)處于脫扣狀態(tài)如圖15所示。設(shè)置監(jiān)測(cè)量，施加操作力使機(jī)構(gòu)完成再扣過程仿真。

斷路器再扣過程與操作力及杠桿轉(zhuǎn)角的確定如圖16所示。圖16中，曲線1為跳扣繞軸轉(zhuǎn)角變化曲線，曲線2為杠桿繞固定點(diǎn)轉(zhuǎn)角變化曲線，曲線3為操作力變化曲線。由圖16可見，使機(jī)構(gòu)動(dòng)作的最小手柄操作力為37.7 N，杠桿的最小轉(zhuǎn)角為14.4°。

通過以上仿真，將仿真結(jié)果匯總，斷路器的主要參數(shù)2如表3所示。

2.3"仿真結(jié)果的驗(yàn)證

2.3.1"觸頭三要素的驗(yàn)證

為驗(yàn)證仿真結(jié)果，對(duì)某型號(hào)雙斷點(diǎn)塑殼斷路器操作機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，利用數(shù)顯游標(biāo)卡尺和彈簧拉力計(jì)（量程0～50 N）對(duì)操作機(jī)構(gòu)觸頭三要素進(jìn)行測(cè)量。觸頭三要素測(cè)量如圖17所示。測(cè)得觸頭開距為16.12 mm，觸頭壓力為6.22 N，在斷路器合閘狀態(tài)下，選取某一基準(zhǔn)平面測(cè)量動(dòng)觸頭在有無靜觸頭時(shí)的行程差值，即觸頭超程為2.5 mm。

2.3.2"操作力的驗(yàn)證

對(duì)操作力進(jìn)行驗(yàn)證。操作力測(cè)量如圖18所示。利用指針式拉壓測(cè)力計(jì)（量程為0～30 N）對(duì)操作機(jī)構(gòu)脫扣力測(cè)量，測(cè)得脫扣力為5.3 N，采用彈簧拉力計(jì)（量程為0～100 N）對(duì)操作機(jī)構(gòu)再扣

將實(shí)測(cè)值與仿真分析值進(jìn)行對(duì)比，操作機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵參數(shù)對(duì)比結(jié)果如表4所示。

由表4可見，仿真分析值與實(shí)測(cè)值誤差在10%范圍內(nèi)，該仿真手段可以作為設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)支撐。

3"結(jié)"語

通過ADAMS多體動(dòng)力學(xué)仿真分析，能夠得到某型號(hào)雙斷點(diǎn)塑殼斷路器觸頭三要素、觸頭分合閘速度、機(jī)構(gòu)分合閘力、分合閘行程、分合閘時(shí)間等操作機(jī)構(gòu)系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)。經(jīng)過對(duì)比分析可以看出仿真計(jì)算結(jié)果與樣機(jī)實(shí)測(cè)值誤差較小，為塑殼斷路器操作機(jī)構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)計(jì)提供了一種設(shè)計(jì)方法。

【參 考 文 獻(xiàn)】

［1］"全國(guó)低壓電器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備第2部分：斷路器：GB 14048.2—2020［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2021.

［2］"孫吉升， 施政， 顧惠民.塑殼斷路器操作機(jī)構(gòu)動(dòng)作分析與設(shè)計(jì)要點(diǎn)［J］.低壓電器，2013（21）：13-16.

［3］"向小青.塑殼斷路器假合閘問題分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.船電技術(shù)，2023，43（6）：56-59.

［4］"蔣顧平， 顧惠民.提高塑殼斷路器操作機(jī)構(gòu)動(dòng)作速度的研究［J］.電器與能效管理技術(shù)，2015（1）：21-23.

［5］"唐庭， 汪泰宇， 徐朋生， 等.一種塑殼斷路器操作機(jī)構(gòu)及受力分析研究［J］.電器與能效管理技術(shù)，2020（4）：47-53.

收稿日期： 20231224