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考慮電動力效應(yīng)的高壓斷路器動力學(xué)特性仿真分析
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1引言對斷路器的動力學(xué)特性進(jìn)行仿真分析，有利于實(shí)現(xiàn)斷路器的優(yōu)化設(shè)計(jì)；并且研究斷路器在故障狀態(tài)下的動作特性，能夠?yàn)閿嗦菲鞯臓顟B(tài)檢測提供理論依據(jù)。對斷路器動力學(xué)特性的研究，以往采用的方案是：列出斷路器運(yùn)動部件的運(yùn)動學(xué)方程和動力學(xué)方程組；采用適當(dāng)?shù)臄?shù)值求解方法求解方程組；采用可視化仿真方法給出運(yùn)動部件的運(yùn)動過程和有關(guān)運(yùn)動參數(shù)[1]。這種研究方案對于簡單的運(yùn)動系統(tǒng)是比較有效的，尤其在低壓電器機(jī)構(gòu)運(yùn)動特性的研究中得到了成功應(yīng)用[2-3]。但對于復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)，例如高壓斷路器的操動機(jī)構(gòu)，由于部件眾多，各部件之間的約束關(guān)系也增多，動力學(xué)方程組的復(fù)雜性迅速增加，這種方案顯得力不從心，為此需要尋求別的解決方案。
多體動力學(xué)仿真軟件的出現(xiàn)為解決這個(gè)問題提供了一種很好的手段。ADAMS軟件包是目前世界范圍內(nèi)使用最廣泛的機(jī)械系統(tǒng)仿真分析軟件之一[4]。它可以方便地建立參數(shù)化的實(shí)體模型，并采用多體系統(tǒng)動力學(xué)原理，通過建立多體系統(tǒng)的運(yùn)動方程和動力學(xué)方程進(jìn)行求解計(jì)算[5]。跟傳統(tǒng)的仿真方法相比，采用ADAMS進(jìn)行仿真避免了繁瑣的建立方程組和求解方程組的工作，使得用戶能夠?qū)⒅饕Ψ旁谒P(guān)心的物理問題上，從而極大地提高了仿真效率。本文基于多體動力學(xué)原理，利用ADAMS軟件包建立了VS1型真空斷路器操動機(jī)構(gòu)的動力學(xué)模型，并用試驗(yàn)對模型的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證。同時(shí)，本文還建立了真空斷路器電動力計(jì)算模型，將開斷[r2]過程中的電動力分為洛侖茲力和霍爾姆力。以上述兩個(gè)模型為基礎(chǔ)，對斷路器短路開斷過程進(jìn)行了仿真，研究了不同開斷條件下電動力對斷路器機(jī)械特性的影響，此后采用試驗(yàn)的方法對仿真結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，從而為斷路器的優(yōu)化設(shè)計(jì)和狀態(tài)檢測提供了必要的理論依據(jù)。2VS1型真空斷路器動力學(xué)模型的建立和驗(yàn)證利用ADAMS建立的VS1型真空斷路器動力學(xué)模型如圖1所示。圖中所示模型隱含了大量的運(yùn)動學(xué)方程和動力學(xué)方程。ADAMS軟件通過求解這些封裝在內(nèi)部的方程組實(shí)現(xiàn)動力學(xué)仿真。　

　為了確定仿真模型是否符合實(shí)際情況，本文利用高精度導(dǎo)電塑料角位移和直線位移傳感器分別測試了斷路器分合閘過程中，主軸角位移曲線和絕緣拉桿底部的直線位移曲線。同時(shí)，在ADAMS軟件中測試仿真模型的相關(guān)參數(shù)。圖2給出了分閘過程仿真與實(shí)測曲線對比結(jié)果。　

　從圖2可以看出，仿真模型的輸出曲線跟實(shí)際樣機(jī)的輸出曲線吻合得較好。此外，還對仿真模型的其它機(jī)械參量進(jìn)行了測試，這些測試結(jié)果都證明了仿真模型的正確性和有效性。3考慮電動力效應(yīng)的斷路器動力學(xué)特性仿真開關(guān)電器中的電動力直接影響著電器的工作性能。當(dāng)發(fā)生短路故障時(shí)，斷路器要迅速開斷短路電流，在此過程中，動靜觸頭之間產(chǎn)生很大的電動力，這個(gè)力必然會影響斷路器的機(jī)械特性，尤其是分合閘速度。考慮到各相導(dǎo)體之間的電動力對于分合閘速度的影響并不大，故本文僅分析動觸頭所受到的電動力。動觸頭所受到的電動力由兩部分組成[6]，一部分是由于電流在磁場作用下產(chǎn)生的洛侖茲力（Lorntz-force）FL，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（Holm-force）FH。本文的仿真對象VS1型真空斷路器所用觸頭具有杯狀縱磁結(jié)構(gòu)，如圖3(a)所示。為了計(jì)算洛侖茲力，需要建立計(jì)算模型，首先作如下假設(shè)：　

　（1）電流在導(dǎo)體表面中心位置沿?zé)o限細(xì)的路徑流動，即忽略導(dǎo)體截面對電動力的影響。（2）動靜觸頭閉合時(shí)，其實(shí)

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