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《合閘彈簧對(duì)高壓斷路器合閘性能影響的研究》
翟鵬飛1 楊秋玉2 欒俊飛3 (1.河南基泰電氣有限公司 2.武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院 3.江蘇南瑞泰事達(dá)電氣有限公司)
摘 要 :高壓斷路器是電網(wǎng)的關(guān)鍵 設(shè)備，其狀態(tài)正常與否直接影響電網(wǎng)的安全運(yùn)行 。通 過建立高壓。斷路器動(dòng)力學(xué)模型，并依據(jù)高壓斷路器實(shí)際工況仿真分析了合閘彈貨力衰減對(duì)高壓斷路器運(yùn)動(dòng)特性畸的影響，以高壓斷路器合閘速度為判據(jù)，給出合閱彈簧力最小衰減極限值。仿真研究表明，高壓斷流路器合閱速度受合閃彈筑力的影響較大，特別是動(dòng)靜觸頭剛接觸前3.3mm內(nèi)的平均速度:當(dāng)合閱彈的簧力衰減不超過 5%，合閘 速度變化較小;當(dāng)合閘彈簧力衰減超過 5%時(shí)，合閘速度急劇減小;當(dāng)合閘彈簧力衰減超過 10%時(shí)，合閘速度已不能滿足要求;合閱彈簧力再繼續(xù)衰減，斷路器將不能正常電動(dòng)作。
關(guān)鍵詞：高壓斷路器; 合閘彈筑力; 合閘性能 ; 動(dòng)力學(xué)仿真; 合閘速度
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(hù)與控制作用,其運(yùn)行狀態(tài)直接影響整個(gè) 。電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和供電的可靠性。當(dāng)高壓斷路器發(fā)生故障時(shí),將對(duì)其保護(hù)的線路、設(shè)備造成直接危害，嚴(yán)重時(shí)，將造成大面積停電。據(jù)統(tǒng)計(jì) ，由于高 壓斷路器故障所導(dǎo)致的非計(jì)劃停電事故,占事故次數(shù)及停電時(shí)間總量的60%以上加。特別是高壓斷路器重要的儲(chǔ)能元件一彈簧類故障 ,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(bào)道已屢見不鮮 ：合閘彈簧斷裂 造成斷路器不能動(dòng)作故障、合閘彈簧疲勞造成斷路器合閘速度較慢故障合閘彈簧釋放能 量不足發(fā)生拒分、拒合故障等。高壓斷路器一般較少動(dòng)作,大量故障樣本的獲取比較困難,通過試驗(yàn)?zāi)軌蚰M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(shí)際上，分閘彈簧失效是一個(gè)緩慢的過程, 這樣極端的模擬試驗(yàn)與斷路器實(shí)際故障情況相差其遠(yuǎn)。
本文采用基于ADAMS的虛擬樣機(jī)技術(shù)對(duì)高壓斷路器進(jìn)行仿真分析,模擬實(shí)際高壓斷路器隨運(yùn)行時(shí)的投間的增長及動(dòng)作次數(shù)的增多導(dǎo)致的合閘彈簧力逐漸時(shí)減小過程,仿真分析了合閘彈筑力衰減對(duì)高壓斷路器運(yùn)動(dòng)特性的影響 。
1 高壓斷路器動(dòng)力學(xué)模型的建立 1.1 高壓斷路器技術(shù)參數(shù)及動(dòng)力學(xué)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(shí)，合療彈簧已完成儲(chǔ)能（被拉伸) ，由合閘彈簧儲(chǔ)能保持擎子將其鎖定 。
高壓斷路器合閘所需能 量由合閘彈竹儲(chǔ)能提供 ，電機(jī)通過帶動(dòng)齒輪傳動(dòng)、赤輪傳動(dòng)等使合閘彈簧儲(chǔ)能 。機(jī)構(gòu)儲(chǔ)能后 ，當(dāng)接到合閘信號(hào)時(shí)，機(jī)構(gòu)解除儲(chǔ)能保持 ，合閘彈簽釋放能
量 ， 通 過凸輪 、拐臂、連板等。
圖1 12kV高壓斷路器結(jié)構(gòu)
帶動(dòng)絕緣拉桿使動(dòng)觸頭向上運(yùn)動(dòng)并壓縮觸頭彈簧,斷路器進(jìn)入合閘狀態(tài) 。合聞動(dòng)作完成后,當(dāng)接到分閘信號(hào),機(jī)構(gòu)解除分間約束,由觸頭簧和合閘時(shí)儲(chǔ)存的能量使滅弧室動(dòng)靜觸頭分離而實(shí)現(xiàn)分間操作。1.2 高壓斷路器合閘彈簧能量分配數(shù)學(xué)模型建立 斷路器完成分合閘功能,操動(dòng)機(jī)構(gòu)提供的動(dòng)力必須大于完成動(dòng)作遇到的阻力,且動(dòng)力所做的功必須大于阻力所做的功,負(fù)載特性與動(dòng)力特性盡可能相配 。合閘過程分為合間前后兩個(gè)階段,動(dòng)、靜觸頭碰撞前,操動(dòng)機(jī)構(gòu)主要克服分閘彈簧力Fe和摩擦阻力Ff 做功,儲(chǔ)能杠桿與驅(qū)動(dòng)桿碰撞前后有能量損失 ；動(dòng)、靜觸頭碰撞后,操動(dòng)機(jī)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(shí)觸頭間的涌流產(chǎn)生的電動(dòng)斥力Fd做功 。動(dòng)、靜觸頭碰撞前后有能量耗損 。合閘時(shí),合閘彈簧力是動(dòng)力。
觸頭碰撞前,合聞合成負(fù)載力:
觸頭碰撞后,合間合成負(fù)載力為:
分閘時(shí),在分閘的接觸行程階段,分閘彈簧力和觸頭彈簧力都是動(dòng)力
其中,分閘和合閘過程中都有電動(dòng)力,電動(dòng)力由兩部分組成,一部分是電流在磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生的洛倫茲力F1: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(shí),有自閉力的存在
斷路器運(yùn)動(dòng)過程中,合閘彈簧
式中,Fo為彈簧預(yù)作用力;l為彈簧兩端變形后的長度;dl/dt為彈簧兩端相對(duì)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(yù)力后的長度
彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)的能量來源是儲(chǔ)能電動(dòng)器的電能,主要通過彈簧和傳動(dòng)機(jī)構(gòu),將電能最終轉(zhuǎn)變成動(dòng)觸頭的機(jī)械能
式中,Whz為合閘彈簧輸出功
操動(dòng)機(jī)構(gòu)合閘儲(chǔ)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,△l為儲(chǔ)能時(shí)合閘彈簧的變形量;△l0為合后彈簧的變形量
在合閘時(shí),三相觸頭彈簧輸出功如下:
式中,k為彈簧勁度系數(shù)
合闡過程中,假設(shè)動(dòng)觸頭的實(shí)時(shí)速度為vdx,在動(dòng)
定律和動(dòng)能定理,有
在碰撞前,vdx隨時(shí)間增大,碰撞前瞬間達(dá)到最大
以上即為斷路器合聞時(shí)合閘彈簧能量分配原理
2 合閘彈簧力對(duì)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(shí)際工況,定義各零件材料
圖2 合
為了獲得與實(shí)際相符的虛擬樣機(jī)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
從表2可以看出,該高壓斷路器仿真模型的合閘時(shí)間
2.2 合閘彈簧力衰減對(duì)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(yùn)行時(shí)間的增長,其應(yīng)力松弛現(xiàn)象越來越嚴(yán)重,當(dāng)合聞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(shí),合閘就不能進(jìn)行到底
為了模擬合閘彈簧應(yīng)力松弛過程,分別仿真合閘彈簧力下降5%、10%
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,隨著合聞彈簧應(yīng)力松弛的不斷增加(合閘彈簧力變化如圖3所示),合閘時(shí),斷路器絕緣拉桿行程和速度也不斷變化(如圖4
從圖6可以看出,合閘速度剛開始減小緩慢,當(dāng)合閘彈簧力衰減超過5%時(shí),合聞速度急劇減小當(dāng)合閘彈簧力衰減至14%時(shí),合闡速度又趨于平緩減小階段。
圖6 合閘速度
與此對(duì)應(yīng),合間時(shí)間也不斷變化,在合閘彈簧力開始衰減的10%內(nèi),合閘時(shí)間急劇增大;而后在合間彈簧力衰減的10%～14.5%內(nèi),合間時(shí)間也呈線性增大,最后趨于平緩變化。
此型號(hào)高壓斷路器要求合闡速度不能低于0.8m/s,從圖7可以看出,當(dāng)合聞彈簧力衰減至10%左右時(shí),合聞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(duì)高壓斷路器進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真,分析了合閘彈簧由于動(dòng)作次數(shù)的增多及運(yùn)行時(shí)間的增長導(dǎo)致的力衰減對(duì)高壓斷路器運(yùn)動(dòng)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
為此,可通過監(jiān)測(cè)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(yù)測(cè)高壓斷路器性能(特別是合聞能力),可實(shí)現(xiàn)高壓斷路器故障預(yù)警與故障診斷,對(duì)工程實(shí)際具有重要的意義
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