电气工程学报, 2019, 14(2): 30-37 doi: 10.11985/2019.02.006

SF6高压断路器动力学仿真研究

赵伟涛1,2, 刘超1, 党德旺1, 顾磊1, 张强1

1. 西安西电开关电气有限公司 西安 710077

2. 西安西电电气研究院有限公司 西安 710075

Dynamic Simulation Research on SF6 High Voltage Circuit Breaker

ZHAO Weitao1,2, LIU Chao1, DANG Dewang1, GU Lei1, ZHANG Qiang1

1. Xi’an XD Switchgear Electric Co., Ltd., Xi’an 710077 China;

2. Xi’an XD Electric Research Institute Co., Ltd., Xi’an 710075 China;

收稿日期: 2018-11-6   网络出版日期: 2019-06-25

Received: 2018-11-6   Online: 2019-06-25

作者简介 About authors

赵伟涛,男,1986年生,博士。主要从事高压断路器虚拟样机分析及灭弧室气流场计算与应用研究工作。

刘超,男,1988年生,工程师。主要从事为高压断路器设备的技术改进及操动机构的研发工作。

摘要

SF6高压断路器是输变电系统中关键的控制和保护设备,主要由灭弧室与操动机构两个重要部分组成,操动机构驱动灭弧室进行开合操作。为获得二者间的动力学特性,以压气式SF6断路器为研究对象,依据能量守恒定律建立了灭弧室与弹簧操动机构的动力学数学模型。通过研究压气室压力与缓冲阻力的数学模型,并运用ADAMS与Matlab联合仿真建立了断路器虚拟样机模型,实现了断路器行程曲线的仿真计算、零部件的动态受力分析及结构优化设计,通过与断路器实测机械行程曲线的对比,证明了仿真方法的准确性。

关键词: 断路器 ; 灭弧室 ; 弹簧操动机构 ; 动力学 ; 联合仿真

Abstract

SF6 high voltage circuit breaker, composing of two core components, namely arc quenching chamber and spring operating mechanism, is the most important control and protective equipment in power transmission system. The motion of arc quenching chamber is driven by spring operating mechanism. In order to investigate further, the following study is conducted concerning the puffer SF6 high voltage circuit breaker. The dynamic mathematical models for arc quenching chamber and spring operating mechanism are established based on the law of energy conservation. The mathematical models of puffer chamber pressure and buffer force is built and studied. The virtual prototype model of circuit breaker is obtained by co-simulation of ADAMS and Matlab. The mechanical displacement characteristics of circuit breaker are simulated, the dynamic force and structural optimum design of parts are calculated and analyzed. The simulation and experimental curves of mechanical displacement characteristics of circuit breaker, which can verify the accuracy of the simulation, is compared and contrasted.

Keywords: Circuit breaker ; arc quenching chamber ; spring operating mechanism ; dynamics ; co-simulation

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本文引用格式

赵伟涛, 刘超, 党德旺, 顾磊, 张强. SF6高压断路器动力学仿真研究. 电气工程学报[J], 2019, 14(2): 30-37 doi:10.11985/2019.02.006

ZHAO Weitao. Dynamic Simulation Research on SF6 High Voltage Circuit Breaker. Journal of Electrical Engineering[J], 2019, 14(2): 30-37 doi:10.11985/2019.02.006

1 引言

高压断路器是输变电系统中非常关键的高压设备,担负着输电线路的通断控制和安全保护的重任,主要由灭弧室(熄弧与绝缘部件)和操动机构(驱动部件)两个重要部件组成[1]。作为断路器操动机构形式之一的弹簧操动机构,具有成本低、质量小、反应灵敏、结构简单和对环境无污染等众多优点,已在252 kV及以下电压等级的断路器中得到广泛应用。

断路器的机械行程曲线包括空载行程曲线与负载行程曲线。空载行程曲线是灭弧室与操动机构设计的依据[2],对断路器的机械寿命、开断性能等具有非常重要的影响。为获得预期的断路器空载行程曲线,在以往新产品的设计中,需要通过反复多次的“设计—样机—试验—修正”过程,存在多种设计方案验证周期长、实物样机投入成本高的问题,同时影响着新产品的研发速度[3]。负载行程曲线是决定断路器开断特性的主要因素,而负载行程曲线有别于空载行程曲线,尤其对配弹簧操动机构的压气式灭弧室,这种差别更大。负载行程曲线受弹簧力值、压气室反力、开断电流、燃弧时间和缓冲阻力等一系列复杂因素的影响[4,5,6]。在断路器分、合闸操作过程中,灭弧室与弹簧操动机构通过连接部分产生相互作用及能量交换,因此要计算断路器机械行程曲线,必须对灭弧室与操动机构进行联合动力学仿真。但由于灭弧室与弹簧操动机构由上千个零部件组成,结构复杂、建模困难、能量转化与运动关系很难理清等因素,给断路器机械行程曲线的计算与研究带来很大挑战[7]

具有一定的机械寿命是断路器分、合可靠动作的保证,而断路器机械寿命的保障与安全运行依赖于零部件的高度可靠性[8]。这就需要对零部件在正确受力分析的基础上进行强度校核,确保零部件具有一定的安全裕度。以往零部件的受力计算多通过经验与试验来进行,存在过程繁琐、试验费用较高、通用性较差等缺点。随着计算机辅助工程特别是虚拟样机技术的不断成熟,为正确分析零部件在断路器分、合闸过程中的动态受力提供了很好的帮助[9,10]

利用虚拟样机技术,通过对断路器灭弧室与操动机构进行联合动力学仿真,可以分析并解决断路器产品设计中存在的问题,包括以下几点。

(1) 通过与实际断路器开断试验中记录的试验数据对比,就有可能在相同或类似条件下,对任意燃弧时间下的机械行程曲线(包括空载行程曲线与负载行程曲线)进行计算与预测,这不仅有利于研究灭弧室与弹簧操动机构之间的相互作用,也有利于将灭弧室与弹簧操动机构作为一个整体进行设计、改进与优化。

(2) 零部件在断路器分、合闸操作过程中的动态受力分析,是随后强度分析、疲劳寿命分析的基础。

(3) 零部件结构优化改进。

本文以压气式SF6断路器为研究对象,建立了灭弧室与弹簧操动机构的动力学数学模型。运用ADAMS与Matlab/Simulink联合仿真,建立了断路器虚拟样机仿真模型。利用仿真模型仿真计算了断路器空载行程曲线与负载行程曲线,通过与实测曲线对比验证了仿真方法的准确性,为高压SF6断路器开断特性的研究提供帮助;分析了绝缘拉杆的动态受力情况,具有较高的安全裕度;研究了弹簧操动机构用缓冲器结构优化问题,缓冲阻力峰值得到降低,缓冲效率得到提高。该高压断路器动力学仿真方法为确定产品的结构参数提供了支撑,对产品的优化设计具有重要的指导意义。

2 动力学数学模型

根据能量守恒定律,在断路器开断、关合操作过程中的任意一点位置,由弹簧操动机构释放的功,应等于克服运动系统的各种反力功及运动系统动能的增量。对系统进行受力分析可知整个系统受到弹簧操动机构提供的驱动力、压气室气体反力、机构缓冲阻力、摩擦力等的作用。可表示为[11]

$\int_{{{c}_{1}}}^{{{c}_{2}}}{{{F}_{\text{c}}}\text{d}x}=\sum{{{{J}_{\text{i}}}\omega _{\text{i}}^{2}}/{2}\;}+\int_{{{x}_{1}}}^{{{x}_{2}}}{{{F}_{\text{q}}}\text{d}x}+\int_{{{h}_{1}}}^{{{h}_{2}}}{{{F}_{\text{h}}}\text{d}x}+\int_{{{d}_{1}}}^{{{d}_{2}}}{{{F}_{\text{d}}}\text{d}x}+{{F}_{\text{ }\!\!\mu\!\!\text{ }}}{{x}_{\text{ }\!\!\mu\!\!\text{ }}}+\sum{\int_{0}^{\alpha }{{{M}_{\text{c}}}}}\text{d}\theta +{{{m}_{\text{d}}}v_{\text{d}}^{2}}/{2}\;$

式中,${{F}_{\text{c}}}$为弹簧操动机构提供的驱动力;$J$、$\omega $分别为转动部件的转动惯量和角速度;${{F}_{\text{q}}}$为压气室内外气体对运动系统的反力;${{F}_{\text{h}}}$为弹簧操动机构的缓冲阻力;${{F}_{\text{d}}}$为电弧的电动斥力,空载与开断时${{F}_{\text{d}}}=0$;${{F}_{\text{ }\!\!\mu\!\!\text{ }}}$为运动构件的摩擦力;${{M}_{c}}$为构件运动副力矩;${{m}_{\text{d}}}$为运动部件的归一化质量;${{v}_{\text{d}}}$为触头的运动速度。

由于动力学软件并没有提供直接求解流体力的方法,因此式(1)中压气室反力${{F}_{\text{q}}}$与机构缓冲阻力${{F}_{\text{h}}}$需要采用其他方法求解,而其他项都是动力学相关量,可以在动力学仿真软件中直接建模求解。于是,该问题就转化为以下两个问题:如何建立及求解压气室反力与缓冲阻力的数学模型?如何在动力学仿真软件中对断路器进行建模?

2.1 压气室压力特性数学模型

压气式SF6断路器灭弧室主要由动、静弧触头,动、静主触头,压气缸、喷口、活塞等零件组成。在断路器开断过程中,压气室压力的建立主要来自弹簧操动机构对其做的压缩功和电弧热效应传导给气体的能量。在不影响计算精度的前提下,有如下假设[12]

(1) 系统中SF6气体能够被电弧产生的热能均匀瞬间加热,忽略热滞后效应和温度分布的不均匀性。

(2) 由于断路器开断过程非常迅速,气体与压气缸壁来不及进行热交换,可将这一过程看作绝热过程。

断路器开断过程中,压气室反力${{F}_{q}}$的计算式为

${{F}_{q}}=\left( \frac{{{p}_{1}}}{{{p}_{0}}}-1 \right){{p}_{0}}{{A}_{\text{g}}}$

式中,${{p}_{1}}$为压气缸内任一时刻气体压力;${{p}_{0}}$为压气室气体初始压力;${{A}_{\text{g}}}$为压气缸活塞面积。

压气室内气体温度为[13]

$\frac{\text{d}{{T}_{1}}}{\text{d}t}={\left( {{p}_{1}}{{A}_{\text{g}}}v+\frac{\text{d}{{Q}_{\text{u}}}}{\text{d}t}-GR{{T}_{1}} \right)}/{\left( {{C}_{\text{v}}}{{m}_{1}} \right)}\;$

式中,${{T}_{1}}$为压气缸内气体温度;$v$为压气缸的速度;${{Q}_{\text{u}}}$为上游区电弧传递给压气缸内气体的热量;$G$为SF6气体的质量流量;$R$为气体常数;${{C}_{\text{v}}}$为气体定容比热容;${{m}_{1}}$为压气缸内的气体质量。

气体压力与温度、密度的关系由比较准确而实用的Beattie-Bridgman气体状态方程表示为

$\left\{ \begin{align} & {{p}_{1}}=R{{\rho }_{1}}{{T}_{1}}\left( 1+M \right)-{{\rho }_{1}}^{2}N \\ & N=74.9\left( 1-0.727\times {{10}^{-3}}{{\rho }_{1}} \right) \\ & M=2.51\times {{10}^{-3}}{{\rho }_{1}}\left( 1-0.846\times {{10}^{-3}}{{\rho }_{1}} \right) \\ \end{align} \right.$

式中,${{\rho }_{1}}$为压气缸内气体密度。

气体质量流量为[14]

$G=\frac{1}{2}\left\{ -\frac{{{\eta }_{t}}{{N}_{t}}(t)}{{{C}_{\text{p}}}{{T}_{1}}}+ \right. \left. \sqrt{{{\left( \frac{{{\eta }_{t}}{{N}_{t}}(t)}{{{C}_{\text{p}}}{{T}_{1}}} \right)}^{2}}+4\frac{{{A}^{2}}{{p}_{1}}{{\rho }_{1}}}{{{C}_{\text{p}}}}\left( 1-\frac{{{p}_{0}}}{{{p}_{1}}} \right)\left[ {{C}_{\text{p}}}\frac{{{p}_{0}}}{{{p}_{1}}}+R\left( 1-\frac{{{p}_{0}}}{{{p}_{1}}} \right) \right]} \right\}$

(5)

式中,${{\eta }_{t}}$为喉部区吸收系数,取值为0.03;${{N}_{t}}(t)$为喉道内电弧功率;${{C}_{\text{p}}}$为SF6气体定压比热容;$A$为气体流通面积。

电弧功率$N(t)$与电弧传递给气体的热量$Q$之间的关系为

$N(t)=\frac{1}{\eta }\frac{\text{d}Q}{\text{d}t}=\int_{{{z}_{u}}}^{{{z}_{t}}}{Ei(t)\text{d}z}$

式中,$E$为电位梯度;$i(t)$为电弧电流。

考虑到气压与喷口直径对电位梯度的影响,电位梯度可表示为[15]

$E=32\left[ 3.2\left( 1-{0.37}/{d}\; \right)+\Delta {{p}^{0.5}} \right]$

式中,$d$为喷口直径;$\Delta p$为压气缸内、外气体压力差。

从试验结果可知,通过弧隙的放电波形是阻尼形式的,因此电流的解析表达式可表示为衰减形式[16,17],即

$i\left( t \right)={{I}_{\text{m}}}\text{exp}(-\alpha t)\sin \left( \omega t+\varphi \right)$

式中,${{I}_{\text{m}}}$为电流峰值;$\omega $为电流的角频率;$\varphi $为起弧相角;$\alpha $为衰减时间常数,$\alpha =\frac{{{I}_{\text{m}}}}{100}{T}'$;${T}'$为电流周期,${T}'=\frac{2\text{ }\!\!\pi\!\!\text{ }}{\omega }$。

考虑电弧直径随电流的变化,可得电弧直径${{d}_{\text{arc}}}$的表达式[18]

${{d}_{\text{arc}}}=2\sqrt{\frac{i\left( t \right)}{\text{ }\!\!\pi\!\!\text{ }{{J}_{\text{arc}}}}}$

式中,电流密度${{J}_{\text{arc}}}$可表示为

${{J}_{\text{arc}}}=7.5-3.5\text{exp}(-(1-{{k}_{\text{p}}})\beta )$

式中,${{k}_{\text{p}}}$为压气缸内外气体压力比;$\beta $为调节系数,取$\beta =10$。

2.2 缓冲阻力数学模型

图1所示,弹簧操动机构用缓冲器主要由大缸体、小缸体、活塞、弹簧和密封装置等组成,以航空液压油为工作介质。断路器分闸操作时,活塞杆向左移动;合闸操作时,活塞杆向右移动。下面以断路器分闸操作时缓冲阻力的建立为例进行说明。

图1

图1   弹簧操动机构缓冲器结构示意图

1—夹叉 2—活塞杆 3—大缸体 4—小缸体 5—阻尼孔 6—活塞 7—弹簧 8—定位件 9—航空液压油


断路器分闸操作时,航空液压油作用在活塞上的缓冲阻力${{F}_{\text{h}}}$为

${{F}_{\text{h}}}={{p}_{\text{h}1}}{{A}_{1}}-{{p}_{\text{h}2}}{{A}_{2}}$

式中,${{p}_{\text{h1}}}$与${{A}_{1}}$分别为A室液压油压强与活塞作用面积;${{p}_{\text{h2}}}$与${{A}_{2}}$分别为B室液压油压强与活塞作用面积。

阻尼孔流量方程为[19]

${{q}_{\text{h1}}}=C{{A}_{\text{c}}}\sqrt{\frac{2\left( {{p}_{\text{h}1}}-{{p}_{\text{h}2}} \right)}{{{\rho }_{\text{h}}}}}=C{{A}_{\text{c}}}\sqrt{\frac{2\Delta {{p}_{\text{h}}}}{{{\rho }_{\text{h}}}}}$

式中,${{q}_{\text{h1}}}$为阻尼孔流量;${{\rho }_{\text{h}}}$为油液密度;$\Delta {{p}_{\text{h}}}$为A室与B室油液压差;$C$为流量系数,可在0.60~0.62间取值;${{A}_{\text{c}}}$为阻尼孔横截面积。

活塞与缸体之间存在配合间隙,形成环形缝隙,造成缝隙节流损失,其流量方程为

${{q}_{\text{h2}}}=\frac{\text{ }\!\!\pi\!\!\text{ }D\Delta {{p}_{\text{h}}}}{12\mu L}{{\delta }^{3}}-\frac{\text{ }\!\!\pi\!\!\text{ }D{{v}_{\text{h}}}}{2}\delta $

式中,${{q}_{\text{h2}}}$为通过活塞与缸体之间配合间隙的流量;$D$、$L$、${{v}_{\text{h}}}$分别为活塞直径、厚度与移动速度;$\delta $为配合间隙。

不考虑液压油的可压缩性,其流量连续性方程可表示为

${{A}_{1}}\Delta x=({{q}_{1}}+{{q}_{2}})\Delta t$

式中,$\Delta x$为活塞在$\Delta t$时间内的位移。

3 建立虚拟样机模型

3.1 ADAMS与Matlab联合仿真

以上建立了SF6高压断路器动力学仿真的数学模型,可以看出,压气室反力与缓冲阻力是流体力,需要求解偏微分方程进行计算。而动力学仿真软件(本文采用ADAMS软件)没有提供直接求解流体力的方法,故仅利用ADAMS软件很难正确获得断路器的动力学特性,需要与其他软件一起建立求解方案。由于Matlab软件在求解偏微分方程上具有极高的计算效率,故可以结合ADAMS与Matlab两个软件的优点,采用联合仿真的方法建立断路器虚拟样机模型。

图2为ADAMS与Matlab联合仿真求解压气室反力${{F}_{\text{q}}}$与缓冲阻力${{F}_{\text{h}}}$的结构图。ADAMS可以与Matlab/Simulink控制程序进行数据交换,根据ADAMS中建立的断路器虚拟样机模型,输出这一时刻压气缸与活塞的位移$x$与速度$v$到Matlab中的Simulink控制程序中,利用S-function函数计算出该时刻压气室反力${{F}_{\text{q}}}$与缓冲阻力${{F}_{\text{h}}}$,通过与Matlab的数据交换将这两个力输入到ADAMS中,从而求解下一时刻压气缸与活塞的位移$x$与速度$v$。如此反复迭代,直至仿真结束。

图2

图2   ADAMS与Matlab联合仿真结构图


3.2 ADAMS仿真模型建立

在UG中对配弹簧操动机构的断路器进行三维造型、装配与相关简化处理,之后将三维实体模型以parasolid的格式导入到ADAMS中,对三维模型添加运动作用力(包括摩擦力),并将动弧触头、中间触头、静主触头等相关零部件进行柔性体处理,最终建立断路器的动力学模型。

3.3 Matlab仿真模型建立

根据压气室反力与缓冲阻力的数学模型,针对断路器灭弧室与缓冲器的具体参数,在Matlab/ Simulink模块中建立求解压气室反力与缓冲阻力的控制方案,并将该力输入到ADAMS中,从而进行动力学联合仿真,如图3所示。

图3

图3   Matlab求解压气室反力与缓冲阻力的计算模型


4 虚拟样机仿真应用

4.1 空载行程曲线仿真

断路器空载行程曲线是灭弧室与操动机构设计的依据,利用上述动力学仿真方法对某断路器空载行程曲线进行仿真计算,如图4所示。由图4可知,断路器空载分闸行程的仿真曲线与实测曲线几乎重合,仿真与实测获得的分闸速度分别为8.25 m/s与8.32 m/s,证明上述动力学联合仿真方法在预测断路器空载分闸行程曲线上的准确性。从图4还可以看出,仿真获得的压气室压力最大值为1.14 MPa。空载行程曲线与压气室压力的准确仿真为断路器产品的设计提供了基础与依据。

图4

图4   断路器空载分闸行程曲线


4.2 负载行程曲线仿真

断路器负载行程曲线是决定断路器开断特性的主要因素,采用上述动力学仿真方法可以对断路器的负载行程曲线进行仿真计算。图5~7分别是T100 s开断短燃弧、长燃弧、中燃弧时的负载行程仿真曲线与实测曲线及其开断电流与仿真得到的压气室压力。由图可知,负载行程仿真曲线与实测曲线基本重合,从而证明了上述仿真方法在预测断路器负载行程曲线上的准确性。利用该断路器动力学仿真方法,可以在试验之前获得断路器负载行程曲线,为研究断路器的开断特性及相关结构的优化提供了基础。

图5

图5   T100 s短燃弧行程曲线


图6

图6   T100 s长燃弧行程曲线


图7

图7   T100 s中燃弧行程曲线


4.3 零部件的动态受力分析

零部件的受力分析是强度校核与疲劳寿命分析的前提,是断路器机械寿命与安全运行的保障。通过上述动力学仿真方法,可以方便给出各零部件在断路器操作过程中的动态受力情况。本节仅以绝缘拉杆的动态受力分析为例进行简要说明。

绝缘拉杆是联系断路器和操动机构之间的纽带,起到传递能量和动力及高电压与地之间绝缘的双重作用,因此绝缘拉杆机械性能的好坏对高压断路器动作可靠性有着很重要的影响。下表给出了计算用绝缘拉杆的机械性能参数表。图8给出了绝缘拉杆在断路器空载合、分闸操作过程中沿轴线方向的动态受力情况,规定受力方向沿轴向正方向时,用正值表示,表示绝缘拉杆此时受压;当受力方向沿轴向负方向时,用负值表示,表示绝缘拉杆此时受拉。由图8可知,绝缘拉杆在整个空载合、分闸操作过程,所受的最大压力91.2 kN,该值出现在合闸启动阶段,所受的最大拉力为65.9 kN,该值出现在分闸启动阶段。绝缘拉杆所受到的最大拉力小于表中所列的例行拉力(200 kN),也远小于破坏拉力(300 kN)。按破坏拉力计算该绝缘拉杆的安全系数为

$S={300}/{65.9}\;=4.55$

图8

图8   绝缘拉杆在空载合、分闸过程中的动态受力图


   绝缘拉杆材料的机械性能参数

绝缘拉杆破坏拉力/kN例行拉力/kN
≥300200

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也就是说绝缘拉杆具有较高的安全裕度。

4.4 零部件结构优化

零部件的结构优化,有利于改善断路器的机械特性,有利于发挥零部件的最佳性能,也有利于降低产品的试验次数与生产成本。在断路器机械行程曲线预测与零部件受力分析的基础上,可以对相关零部件进行结构优化,本节仅以弹簧操动机构用缓冲器结构优化为例进行说明。

缓冲器缓冲性能的优劣直接影响到断路器工作稳定性与机械寿命等指标。而当缓冲性能不合适时,最易更改的两个参数为阻尼孔直径与分布位置。本节在保证断路器机械特性不变的情况下,利用动力学仿真方法对这两个参数进行优化。图9给出了缓冲器阻尼孔优化前后分闸缓冲阻力的对比曲线,可以看出,优化后的结构大大降低了缓冲阻力峰值,由优化前的84.2 kN降到了优化后的53.7 kN,从而降低了产品在操作过程中的振动,有利于提高产品机械可靠性,并且缓冲阻力在整个缓冲阶段变化不大,缓冲效率也得到了显著提高。

图9

图9   优化前后分闸缓冲阻力对比曲线


5 结论

(1) 建立压气室压力特性在电弧效应下的热力学模型与缓冲阻力数学模型,获得SF6高压断路器动力学数学模型。通过ADAMS与Matlab/ Simulink联合仿真,建立断路器虚拟样机仿真模型。仿真模型可用于计算断路器机械行程曲线;分析零部件的动态受力情况;优化零部件结构。对高压SF6断路器的设计具有重要的指导意义。

(2) 计算获得了断路器空载行程曲线与负载行程曲线,通过与实测曲线的对比验证了仿真方法的准确性。不仅可用于研究断路器的开断特性,也为进一步优化灭弧室及弹簧操动机构的结构参数提供了很好的支撑。

(3) 分析了零部件的动态受力情况,以绝缘拉杆的动态受力为例进行说明。绝缘拉杆在断路器合、分闸操作过程中受到交变冲击力的作用,所受的最大拉力远小于其破坏拉力,具有较高的安全裕度。

(4) 研究了零部件结构优化,以缓冲器结构优化为例进行说明。优化后的缓冲器结构大大降低了缓冲阻力峰值,在提高产品机械可靠性的同时,也提高了缓冲效率。

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