低压塑壳断路器开断过程的仿真与分析

李兴文，陈德桂，王云峰，汪倩，李志鹏西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室，陕西西安710049Email:[e-mail]摘要：摘要：摘要：摘要：低压塑壳断路器（MCCB）开断过程仿真对于其特性分析有重要意义。应用虚拟样机技术，首先建立了MCCB操作机构运动特性的仿真模型，并用实验验证了模型的正确性；然后耦合电路、电磁场和机械运动方程，考虑电动斥力的作用，分析了电弧电压、合闸相角、预期短路电流、机构开始动作时间以及气动斥力对于MCCB开断过程的影响。结果表明，提出的方法对于MCCB的分析、设计及优化是有效的。关键字：关键字：关键字：关键字：开断特性；气动斥力；操作机构1引言引言引言引言当短路电流产生时，并且其产生的电动斥力超过作用在动导电杆上的预压力时，低压塑壳断路器(MCCB)中动、静触头立即分离并产生电弧。由于电弧的作用使得灭弧室内部的压力升高，这样就在动触头上产生一个净压力，即为气动斥力。此后，在该力和电动斥力的共同作用下，动导电杆进一步运动，接着，操作机构开始动作，并最终带动动导电杆一起运动到最大开距。同时，电弧在动、静触头之间拉长，并在磁吹力/气吹力的作用下进入灭弧栅片且被分割成若干短弧，而后熄灭。可以看出，MCCB开断过程是一个相互耦合的复杂物理现象，尤其是动导电杆的运动状态在很大程度上决定了MCCB的性能。因此，如何描述MCCB的开断过程，并研究各种因素对于其性能的影响对于产品的设计具有重要的意义。对于低压断路器开断过程的研究，国内外学者在实验和理论上均做了大量有益的工作。在实验研究方面，HirofumiTakikawa[1]和MitsuruTakeuchi[2]利用光谱测试的方法研究了孤立触头间弧柱横截面上的温度分布；J.W.McBride研究了微型断路器(MCB)中气流及气体成分对于弧根停滞的影响[3]；在文献[4][5]中，利用二维光纤测试系统和光谱测试的方法实验研究了产气材料对于电弧特性的影响以及气吹式低压断路器中电弧的运动性态。在仿真研究方面，文献[6]建立了平行跑弧道中的电弧磁流体动力学(MHD)模型；文献[7]分析了吹弧磁场对于电弧形状和运动的影响；Gleizes研究了外部磁场和等离子传输特性对于电弧运动的影响[8]；Lindmayer仿真了电弧在栅片中的运动与分割过程[9]；文献[10]研究了灭弧室结构和操作机构对于断路器限流性能的影响；文献[11]对低压断路器操作机构进行了动态仿真及优化设计。但是，由于问题的复杂性，研究低压断路器的开断过程，并考虑各种因素的影响，长期以来，一直是一个较为困难的问题。本文针对一额定电流为63A的MCCB，应用大型虚拟样机软件ADAMS，首先建立了MCCB操作机构运动特性的多体动力学仿真模型，并实验验证了仿真方法的正确性。然后通过对ADAMS的二次开发，耦合电路、电磁场和机械运动方程，考虑电动斥力的作用，建立了MCCB开断过程的仿真模型。基于此模型，分析了预期短路电流数值、电弧电压特性、合闸相角ϕ、机构开始动作时间ts以及气动斥力Fb对于MCCB开断过程的影响。结果表明，提出的方法对于MCCB的分析、设计与优化是有效的。2分析模型及计算方法分析模型及计算方法分析模型及计算方法分析模型及计算方法2.1分析模型分析模型分析模型分析模型图1所示为在ADAMS软件中低压塑壳断路器模型图及其机构示意图。从图中可以看出，其操作机构是典型的五连杆结构。由触头支架f、下连杆g、上连杆h、跳扣k、锁扣m、操作手柄1和分断弹簧2等部分组成。动导电杆的转轴O上有一扭簧，以提供触头预压力。当短路电流到来时，作用在动导电杆上的电动斥力超过预压力时，动导基金项目：教育部博士点基金资助项目（20020698008），西安交通大学博士论文基金电杆即被斥开，并在电动、气动斥力及触头压簧的共同作用下绕轴O运动；同时，脱扣器动作，使得锁扣m转动，在分断弹簧的作用下，跳扣k绕O2轴顺时针转动，使得B点向左运动，从而通过g带动主轴绕O1点向上转动，直到动导电杆和主轴运动到最大转角位置。可以看出，动导电杆的运动状态取决于由导电回路产生的电动力、电弧产生的气动力、机构之间的相互作用。2.2电动斥力的计算电动斥力的计算电动斥力的计算电动斥力的计算在文献[12]中，我们提出了考虑非线性铁磁栅片及电流收缩的影响，计算低压塑壳断路器中电动斥力的计算方法。即应用三维有限元分析，引入圆柱导电桥模型作为接触点来模拟触头间的电流收缩，即可统一计算作用在触头间的Holm力和动导电杆上的Lorentz力，并以作用在动触头上的预压力为约束，通过迭代计算，可计算出触头的斥开时间和对应的电流。仿真整个断路器的开断过程时，需要动导电杆在不同打开位置、不同电流时的电动斥力数值。当触头打开后，Holm力已不存在，仅需计算Lorentz力FL的大小。因此，以打开角度、电流值为自变量，应用上述方法，计算出FL为函数的二维网格。在仿真开断过程中，采用插值的方法，计算出一定电流和打开角度时的力。图2所示为分析模型的电动斥力计算结果。需要指出的是，该结果是根据力矩等效原则，将动导电杆上的受力等效作用在动触头的中心点上，方向垂直于动导电杆。此外，从图中可以看出，打开角度为10°和20°时力的数值差别不大。栅片动导电杆主轴手柄跳扣Y动导电杆(a)低压塑壳断路器模型(b)机构简图图图图图1低压塑壳断路器模型及其机构图低压塑壳断路器模型及其机构图低压塑壳断路器模型及其机构图低压塑壳断路器模型及其机构图051015202530351357911电流(kA)电动力(N)10203040图图图图2电动斥力电动斥力电动斥力电动斥力和电流及打开角度之间的关系曲线和电流及打开角度之间的关系曲线和电流及打开角度之间的关系曲线和电流及打开角度之间的关系曲线2.3气动斥力的计算气动斥力的计算气动斥力的计算气动斥力的计算对于气动斥力来讲，很多研究人员已经对其进行了一些研究，但是，均是基于诸多假设，通过一些简单的公式计算得到的[13]-[15]。其中最主要的假设是认为电弧能量的70％是通过辐射消耗的，而且辐射散射系数和压力及温度有关，通过经验曲线或者其他的简化处理，通过式(1)计算出的。其中，η为通过辐射消耗的能量占总电弧能量的比例，I×U为电弧的输入功率，ε0为辐射散射系数，Aarc为电弧或者灭弧室的截面积，s为动静触头之间的距离，A为触头的截面积，P0为一个标准大气压的值。00arcarcIUAFPAsηε⋅⋅⋅=⋅⋅(1)可以看出，气动斥力和电弧的输入功率及触头的截面积成正比例，而和灭弧室或者电弧的直径及触头开距成反比。在本文中，采用式(1)计算作用在动导电杆上的气动斥力，以研究气动斥力对于开断过程的影响。但是，值得指出的是，在3000A-8000A电流时，电弧温度一般为16500-18500K，这时ε0这一与压力和温度有关的物理量一般可取为3×1011W/m3[15]。然而，在更为宽广的电流范围内，如何较为准确的估量气动斥力的数值，不是式(1)能够解决的问题。在下一步的工作中，可以从两方面进一步深入研究气动斥力：一方面，可通过电弧的三维磁流体动力学模型分析灭弧室中的压力分布，进而得到该力；另一方面，可依靠模型灭弧室，采用实验的方法得到气动斥力与输入功率、灭弧室结构等之间的关系。2.4电弧电压定义及电路方程求解电弧电压定义及电路方程求解电弧电压定义及电路方程求解电弧电压定义及电路方程求解电弧电压的特性比较复杂，与电弧的长度及电弧进入栅片的情况有关。图3所示为研究模型在预期短路电流有效值为8kA时的一个典型电弧电流和电弧电压波形，电弧电压峰值为390V。可以看出，电弧电压由一个近似线性的上升阶段和平台期组成。因此，在本仿真过程中，采用参数化的方法定义电弧电压，如图4所示。并研究其特性对于开断特性的影响。其中t0对应触头打开时间，取决于作用在动导电杆上的力和触头预压力之间的关系，t1对应于电弧电压上升到常数值U0所需的时间。ts为脱扣器和传动部件动作所需的时间，也即机构开始动作的时刻。电路方程可用式(2)所示的微分方程来表示，其中L、R分别为回路电感和电阻，U为电源电压有效值，ϕ为合闸相角，电弧电压Uarc可用上述定义来得到。根据低压电器国家试验标准规定的电流与功率因数之间的关系[16]，以及电源电压数值，即可确定L和R。这样应用龙格-库塔法即可求得电弧电流的数值。并假设电流第一次过零时电弧即熄灭。02sin(),0arctdiUtLiRUidtϖϕ=+=++=(2)电流电压UarctU0t0t1ts图图图图3典型电弧电流和电压实验曲线典型电弧电流和电压实验曲线典型电弧电流和电压实验曲线典型电弧电流和电压实验曲线图图图图4电弧电压定义电弧电压定义电弧电压定义电弧电压定义2.5开断过程仿真开断过程仿真开断过程仿真开断过程仿真ADAMS软件根据机械系统建模，自动建立系统的拉格朗日运动方程，对每个物体，包括刚体和柔体，可列出带乘子的拉格朗日方程及其对应的约束方程。ADAMS通过对多体系统动力学方程的求解，即可求得系统中各部分的位移，速度和加速度等与机械运动有关的物理量[17]。如前所述，低压塑壳断路器的开断过程是一个复杂的机电耦合的物理现象。要仿真这一过程，就必须耦合电路、电磁场和机械运动方程进行求解。本文通过对ADAMS软件进行二次开发完成了这种耦合问题。如图5所示，通过二次开发接口，可从ADAMS中获得t时刻的动导电杆转动的角度αt和位移st，连同此时刻的电弧电流等通过接口程序计算出t＋△t时刻的电动斥力值作为模型机械运动方程的一个参数，并返回到ADAMS中。从而通过这种双向的迭代计算，即可仿真出其整个开断过程。值得指出的是，仿真过程中，在计算t＋△t时刻的电气及机械参数时，需要t时刻的参数计算结果，而ADAMS本身没有存储这些数据的功能，所以本文采用写数据文件的方法解决了这个问题。此外，电流、电压等和时间的关系也是采用该方法而获得[18]。ADAMS电流、电磁场计算程序αt，stFt+△t图5计算方法3操作机构仿真与实验操作机构仿真与实验操作机构仿真与实验操作机构仿真与实验首先在ADAMS软件中建立如图1(a)所示的虚拟样机模型并施加约束，进行仿真分析。同时，为了确定机构的摩擦及阻尼系数，以及验证仿真模型的正确性，在断路器主轴上安装了角位移传感器，实验测试了研究模型在自由脱扣情况时主轴转角随时间的变化过程，图6所示为实验和仿真的结果。可以看出，仿真结果和实验曲线比较吻合。这样，基于建立的模型，通过对ADAMS的二次开发，耦合电路和电磁场方程，即可研究各种因素对于断路器开断过程的影响。t(s)0.00.0010.0020.0030.0040.0050.00650.037.525.012.5转角(度)仿真结果实验结果图图图图6主轴转角随时间变化曲线主轴转角随时间变化曲线主轴转角随时间变化曲线主轴转角随时间变化曲线4几种因素对于几种因素对于几种因素对于几种因素对于MCCB开断过程的影响开断过程的影响开断过程的影响开断过程的影响4.1电弧电压的影响电弧电压的影响电弧电压的影响电弧电压的影响改变电弧电压的上升时间(速度)，分别计算t1为2和4ms时MCCB的开断过程。具体计算条件如表1所示。图7为计算的结果。其中(a)(b)分别为t1＝4ms和2ms时的电动斥力、机构主轴和动导电杆的转动角速度随时间的变化曲线、(c)中1和2分别为两者的电弧电流和电压曲线。表1计算条件Tab.1Calculationconditonst1(ms)ts(ms)U0(V)I(kA)ϕ(°)cosθ424220500.7从