在高压断路器设计中,首先需要确定断路器的分合闸速度,如在断路器关合过程中,需要按照电场要求计算出预击穿位置,而且要求预击穿时间尽可能小。而断路器的分闸速度,通常是先按照开合容性电流试验的恢复电压计算电场,然后根据电场计算的结果确定或修正断路器的分闸速度。在容性电流开断过程中,灭弧室断口间的恢复电压的变化与时间成线性关系,恢复电压随着断口距离增大而变化,50 Hz频率系统恢复电压上升率可表示为

频率50 Hz时恢复电压在t=8.7 ms时达到峰值,这就需要确定灭弧室在8.7 ms内不同时间、不同断口位置的电场强度能否满足绝缘介质绝缘强度的要求,因此需要进行大量的电场计算。

综合考虑计算速度和精度要求,灭弧室断口电场通常采用二维电场进行计算。目前二维电场计算主要采用ANSYS有限元分析软件电磁模块,其具有操作界面良好、计算精度高、易于理解掌握以及与其他设计软件接口丰富等优点,故而深受广大设计人员的青睐。

传统的GUI操作方式电场计算流程如图1所示。对于断路器灭弧室静态单一断口绝缘的分析模型来说,无论是新建分析还是修改后重新分析,按照图1步骤流程进行都比较简捷。但是对于开合过程多个断口位置而言,此时需要计算多个位置的电场强度,诸如此类实际计算需要对模型多次修改后重新分析的问题,若继续按照上述步骤进行计算,其过程相当繁琐,GUI操作效率低下,易于出错等缺点暴露无遗。

ANSYS参数化设计语言(ANSYS Parameter Design Language,APDL)是一种允许使用参数并能完成一系列任务的强大的程序语言,它可以实现参数化建模、施加参数化载荷与求解以及参数化后处理结果的显示,从而实现参数化有限元分析的全过程,这也是ANSYS批处理分析的最高技术。在参数化的分析过程中,可以简单地修改其中的参数,达到反复分析各种尺寸、不同载荷大小的多种设计方案等,从而极大地提高了分析效率,减少了分析成本。同时APDL也是ANSYS设计优化的基础,只有创建了参数化的分析流程才能对其中的设计参数执行优化改进,达到最优化设计目标^[5]。

UG作为当今应用最广泛、最具竞争力的大型专业CAD软件之一,被许多世界领先的制造商用于概念设计、工业设计、详细的机械设计、工程仿真和数字化制造等各个领域,其在创建模型方面拥有强大的功能和独特的优势。

本文通过运用UG和ANSYS APDL程序语言对断路器灭弧室分闸开断过程进行电场有限元计算分析,详细说明了UG和APDL编程的实现过程与方法,计算程序流程图如图2所示。

该断路器灭弧室主要由动/静弧触头、动/静主触头、喷口、支持件、压气缸、活塞、活塞杆、绝缘件和壳体等零部件组成,如图3所示,在分闸开断过程中,动弧触头、动主触头、喷口、支持件和压气缸等部件在操动机构驱使下向上侧运动,压气缸与活塞间的气室气体被压缩后通过喷口向下喷出,以实现电弧的熄灭。

文献[1,2]在ANSYS中利用从底向上的方法生成参数化计算模型,即按照点-线-面顺序生成计算模型,生成的点的位置带有参数,计算时不断更新所有参数点的位置实现灭弧室的分闸运动。由于ANSYS前处理功能比较弱,而断路器灭弧室零件种类非常多并且结构复杂,利用上述方法生成模型效率很低,普通设计人员很难掌握;再者需对模型结构进行较大修改时,需对底层参数点重新进行编程,工作量非常大。

本文在UG中建立及装配断路器三维模型,通过WAVE链接器将所有的零件三维实体生成关联的链接体,对所有链接体进行简化,将对电场无影响的细节全部删除,因活塞被等电位的压气缸及动侧零件所包围,所以简化模型时可将其一并省略;为方便后期施加载荷,将等电位的金属求和生成一个体,最终生成的简化三维模型如图4所示。

通过抽取实体模型与轴对称平面相交的二维截面曲线,然后添加轴对称线及求解域气体边界曲线后,可得最终的计算模型如图5所示,选择所有曲线导出IGS格式即可用于ANSYS中进行仿真计算;由于在以上UG操作中二维曲线、链接体和三维实体模型紧密关联,后续方案优化时可以利用表达式创建参数或同步建模等命令对三维模型中任意零件结构及尺寸修改后即可直接快速重新生成二维曲线模型,不需再对模型进行额外处理,方便多种结构方案计算模型的快速生成,大大提高了模型生成效率。

为便于后续在ANSYS中实现模型运动,在UG中导出二维曲线模型时需将灭弧室运动件和静止件之间的连接线断开,如图5所示,虚线所示为运动件,实线所示为静止件,灭弧室运动部件定义完成后,在ANSYS中用线创建命令将断开线重新连接,然后将各封闭曲线生成面即可利用APDL程序进行电场有限元计算分析。

在ANSYS中解决电磁场等工程实际问题时,通常先建立一个通用的有限元模型,并进行计算,后处理完成退出ANSYS时,ANSYS运行中的所有命令都会写入Jobname.log文件,形成ANSYS运行的全部记录,通常根据求解所得的log文件提取建立模型的APDL命令流。在提取命令流时,需注意两个问题：第一是尽量减少不必要的命令流,以提高程序的计算效率;第二是模型中相关参数的修改,可以先根据模型中所有可变参数定义相应的参数名称,在模型中使用参数名来表示相应的数值,在得到命令流文件后,加入循环、分支控制、宏等ANSYS APDL语言程序,利用其对参数的不断更新即可实现程序的批处理分析计算。本文采用此流程生成最终的APDL计算程序,具体步骤及部分APDL命令如下。

/AUX15

IGESIN,Miehushi,igs !导入UG创建的igs文件

KEYW,MAGELC,1 !定义静电场

/PREP7

ET,1,PLANE121,,,1,,,, !定义单元类型

MP,PERX,MAT,Value !定义各材料相对介电常数

将所有运动部件定义为组件,由于在UG中已将运动件和静止件分开,所以可在ANSYS中选取组成运动件的曲线将其定义为组件。

……

CM,Dong,LINE !定义运动组件名为Dong

运动件定义完成后,需要将点编号显示出来,找出UG建模导出时删除的连接动静件之间的两条线的端点编号,然后用线创建命令生成此处线段,将运动件和静止件重新连接起来,形成封闭曲线,接着选择封闭曲线用面生成命令依次生成所有面。

l,P1,P2 !用端点生成线

……

AL,L1,… !选取线创建面

首先选取面并为各面赋单元和材料属性,然后进行有限元网格剖分,为了提高计算精度,选取最大场强可能出现的位置处(如动静弧触头、动静主触头等)的曲线,将其定义为组件,并对其进行网格细化设置,设置整体网格尺寸后进行网格划分。

ASEL,s,,,x !选取第x个面

AATT,1,,1,0, !为选取面赋单元和材料属性

……

CM,xihua,LINE !定义细化曲线组件名为xihua

LESIZE,xihua,1,,,,,,,1 !细化曲线单元大小1mm

ESIZE,5,0, !整体网格单元大小5mm

AMESH,ALL !网格划分

由式(1)和预设的机械特性曲线,可以计算出不同开距对应的瞬态恢复电压U_c,在动侧高电位面施加计算出的U_c值,在静侧及壳体施加零电位,然后进行求解计算。

DA,x,VOLT, U_c !编号x面施加电压U_c

alls

SOLVE !求解

在通用后处理器中显示求得的电场强度分布云图,并生成jpg格式图形文件导出,然后保存所有的数据文件。

/POST1

PLNSOL,EF,SUM,0 !显示电场结果

……

/image,save,Miehushi,jpeg !保存jpg文件

……

SAVE !将求解结果数据保存为db文件

按照以上流程即可计算出灭弧室在开断过程中某位置的电场强度,打开生成的log文件提取相关的APDL命令流后,加入Do循环和IF-THEN-ELSE分支控制等命令,即可实现灭弧室各种移动距离参数的循环读取和批处理计算,利用运动件移动距离参数的不断更新,从而实现对灭弧室分闸开断过程的电场仿真计算,并以各位置断口距离为文件名保存所有的数据文件,生成各位置电场云图图片,方便快速查看。

本文以某断路器开断容性电流过程中的电场计算为示例,说明具体的计算操作过程,其预期恢复电压和开断过程中断口距离的关系见下表。

计算从动、静弧触头刚分点开始,以8.7 ms时恢复电压达到峰值结束,以1 ms为步长,计算每1 ms的断口位置的电场强度,计算流程如图6所示。

部分APDL循环和分支控制命令如下：

*do,m,1,9,1 !定义Do循环

*DIM,JL,,9 !定义断口距离位置参数

JL(1)=4.54,9.86,14.77,20.48,26.49,32.87,39.19,45.93,50.01

x=JL(m)

*DIM,DY,,9 !定义断口位置对应的恢复电压参数

DY(1)=32.76,65.52,98.28,131.04,163.80,196.56,229.32,262.07,285.01

q=DY(m)

注：如果断口距离和恢复电压与do循环中定义的循环变量为线性关系,则断口距离和恢复电压可以用数学表达式定义较为简洁,若不是线性关系的随机变量,则定义数组矩阵参数变量较为方便。

……

/filname,Miehushi_%x%mm,1 !定义文件名

……

lgen,2,Dong,,,0,x,0,,1,1 !运动件移动距离x

……

DA,3,VOLT,q !高压侧施加恢复电压q

DA,4,VOLT,0 !接地侧施加0电位

DA,5,VOLT,0 !外壳施加0电位

……

*EndDO !结束Do循环

利用APDL程序对该灭弧室分闸过程中从1ms到8.7 ms共9个位置点的电场进行计算,计算完毕后更改电压施加面两句命令为：

DA,3,VOLT,0 !高压侧施加0电位

DA,4,VOLT,q !接地侧施加恢复电压q

其余命令不变,即可快速计算灭弧室静侧施加电压时断口间的电场强度。图7、图8为动、静端分别施加恢复电压后8.7 ms时灭弧室断口间的电场强度云图,可以看出动侧加压最大电场强度出现在动弧触头顶端,静侧加压最大电场强度出现在静弧触头顶端。

根据计算结果可以绘制出最大电场强度与分闸时间(开断距离)之间的关系曲线关系如图9所示,从曲线图可以直观地得出开断过程中各时间点的最大电场强度值,从而可以与成熟结构产品各时间点最大电场值进行比较,为开断试验提供理论依据。

本文介绍了一种利用UG和ANSYS APDL程序进行断路器灭弧室开断过程中多位置电场的快速计算方法,利用此方法,可以在模型建立初期快速计算和修改模型,该创建方法同样适用于其他CAD软件,如Pro/E、Solidworks等,解决了在ANSYS中创建参数化模型困难的问题;同时在运动过程控制上使用更为简洁的程序语言,易于理解掌握。

利用UG中表达式参数设置或同步建模命令对链接体尺寸进行改进优化,可以快速导出更新后的曲线模型,在ANSYS中无需对APDL程序进行修改即可再次进行计算;如果对某些零件的结构进行更改或更换零件,只需对APDL中的面生成等少许程序命令进行修改即可重新计算。通过二者结合,有效地减少了设计人员重复修改建模计算次数,便于在新产品研发初期对多种方案电场结果进行对比分析,特别适用于容性电流开断或者合闸过程中预击穿各位置的电场计算,利用该方法可以快速确定或修正开断试验中断路器所需的分闸速度,极大地提高产品研发效率;通过与成熟灭弧室结构电场结果对比,加之一些经验数据,可为断路器开断试验提供理论依据,对提高断路器开断能力的设计具有重要意义。