基于ADAMS的雙斷點塑殼斷路器操作機構的仿真

李 蕊，章 程，沙新樂，孔凡良，徐 凱

應用研究

基于ADAMS的雙斷點塑殼斷路器操作機構的仿真

李 蕊1，章 程1，沙新樂1，孔凡良2，徐 凱1

（1. 武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064；2. 武漢長海電氣科技開發有限公司，武漢 430064）

為提高某型低壓塑殼斷路器分斷能力，基于creo 2.0輔助設計平臺建立雙斷點塑殼斷路器操作機構的三維模型，通過ADMAS仿真平臺建立約束類型和運動副等運動關系，對其進行了動力學仿真。研究分斷彈簧剛度對斷路器分合閘動作時間的影響，為新一代塑殼斷路器操作機構的優化提供參考。

塑殼斷路器 雙斷點 分斷能力 動力學

0 引言

低壓斷路器是低壓配電線路的重要組成部分,對配電系統的安全運行起著至關重要的作用[1,2]。操作機構是低壓斷路器的關鍵機械結構，通過操作手柄和各種脫扣方式完成動靜觸頭間分、合閘動作，直接關系到斷路器的分斷能力。為提高斷路器短路分斷時的限流能力，需要保證短路分斷過程中短路電流未到達極限值時短路電弧能熄滅，需要提高動觸頭的分閘速度，縮短斥開時間[3]。提高低壓斷路器的分斷速度，能在動靜觸頭分開時使電弧電壓快速升高，有利于減小電弧停滯時間和減小觸頭燒蝕程度，能夠使電弧快速進入滅弧室熄滅[4]。

如今，虛擬樣機技術在低壓斷路器的設計領域被廣泛的運用。相比研究周期長，花費大的傳統設計方法，虛擬樣機技術設計方法能縮短開發周期，明顯降低前期成本并提高產品質量。本文基于虛擬樣機技術ADAMS軟件平臺，創建了額定電流為100 A的雙斷點塑殼斷路器的操作機構動力學模型，并進行仿真。在此基礎上，研究分斷彈簧剛度對斷路器分合閘動作時間的影響，為新一代塑殼斷路器操作機構的優化提供參考。

1 雙斷點斷路器操作機構的動力學模型建立

操作機構三維模型在creo 2.0三維輔助設計平臺上建立，主要由連桿機構組成，因為接觸類型包括旋轉副、碰撞、固定等，故需要精準建模。模型尺寸要與實體幾何構件一致，賦予材料等屬性后，模型的質量、質心、慣性矩和轉動慣量等基本與實際構件一致，仿真測試結果可靠性可根據實際測試結果進行對比。

利用creo 2.0建立額定電流100A的雙斷點塑殼斷路器操作機構分閘位的力學模型及簡化模型如圖1所示。

圖1(a) 動力學仿真三維模型

圖1(b) 操作機構簡化模型

低壓塑殼斷路器的操作機構是五連桿機構。由橋型觸頭f、下連桿g、上連桿h、跳扣k、鎖扣m、操作手柄及分斷彈簧組成。如圖1(b)所示，操作機構處于分閘位置，跳扣k被鎖扣m限位，C點固定不動。當手柄繞著O2點逆時針轉動，分斷彈簧被拉長，水平方向彈簧力分量使上連桿h繞著C點轉動的同時，下連桿g帶著橋型觸頭f繞著O1點旋轉，上連桿h和下連桿g之間夾角開始增大，當上下連桿呈直線處于死點位置時，動靜觸頭完全閉合，操作機構處于穩定靜止狀態。隨著手動分閘，操作手柄繞著O2點順時針轉動，隨著分斷彈簧的彈簧力作用方向與上連桿位置錯開，在彈簧力水平分量的作用下，上下連桿脫離死點位置，下連桿帶動橋型觸頭繞O1點轉動，使其從合閘位置轉動至分閘位置。操作機構短路分閘是因為，當短路電流使鎖扣m順時針轉動，分斷彈簧釋放儲能，跳扣k繞O3逆時針轉動，此時C點為活動點，連桿脫離死點位，動靜觸頭分開，操作機構再次成為五連桿機構。由于五連桿機構有2個自由度，觸頭繼續分斷與手柄位置無關，機構處于自由脫扣狀態。

利用creo2.0完成零件的建模與裝配，將裝配體文件以.x_t后綴名導出，利用ADAMS模塊將該文件導入，形成沒有約束的幾何模型。在ADAMS操作頁面，對模型進行簡化并對所有零件賦予材料定義，根據樣機操作機構運動情況，對模型的接觸、連接、約束等條件進行設置。本文建立的動力學仿真模型包含27個零件，定義28個約束（10個轉動副和18個固定副），15個作用力（9個接觸力，3個彈簧力，2個驅動力及1個重力）。

2 分斷彈簧剛度對分斷能力的影響·

2.1 模型驗證

根據建立的動力學仿真模型，初期分析了動觸頭分合閘開距與時間的關系，并與通過高速攝影機捕捉到的實際樣機分合閘時間進行誤差分析。動力學仿真模型中分斷彈簧的彈簧剛度與樣機中分斷彈簧的彈簧剛度相同，=26.8 N/mm。

根據圖2觸頭分合閘開距-時間仿真曲線來看，動觸頭初始位置為分閘位，當受力開始合閘，曲線出現拐點a，直至到達拐點b時開距為0，故a-b區間為合閘區間，同理c-d是分閘區間。根據仿真曲線測得分合閘時間，與實際樣機分合閘時間相比，誤差分別為2.5%和5.2%。這是因為仿真模型施加的載荷是彈簧力、接觸力以及手動合閘力，而實際樣機中斷路器主要載荷為彈簧力、電動力、摩擦力、觸頭壓力、緩沖力等，故仿真分合閘時間測量值小于實際分合閘時間測量值。

表1 仿真分合閘時間與實際分合閘時間分析

2.2 分斷彈簧剛度對分合閘速度的影響

分斷彈簧剛度是影響短路分斷速度的主要因素之一，在統一的動力學模型仿真條件下，通過修改彈簧剛度系數研究分合閘時間及動觸頭角速度變化。如圖2所示，隨著彈簧剛度系數增大，動觸頭的角速度也隨之增大，速度-時間仿真曲線出現后移現象，說明手動合閘力也隨彈簧剛度增加而增加。仿真結果表明，分斷彈簧剛度系數為30、35和40 N/mm時，動觸頭完全合閘所用時間分別為5.1、4.7和4.5 ms，動觸頭到達最小開距時間減小了7.3%、14.5%和18.2%。在分斷彈簧剛度系數為26.8 N/mm時，合閘力為53 N，隨著彈簧剛度系數增加至30、35和40 N/mm時，合閘力也增加到58、65和74 N，增幅分別為9.4%、22.6%和39.6%。

圖2 塑殼斷路器開距-時間關系圖

通過仿真，獲得不同彈簧剛度系數條件下斷路器分閘時動觸頭角速度-時間曲線，如圖3所示。隨著彈簧剛度系數增大，動觸頭分閘時角速度呈現增大趨勢，相應的分閘時間呈現減小趨勢。仿真結果表明，彈簧剛度系數為30、35和40 N/mm時，動觸頭達到最大開距時間分別為3.6、3.4和3.1 ms，分別減少7.7%、12.8%和20.5%。

圖3（a） 斷路器動觸頭合閘角速度

圖3（b） 斷路器動觸頭分閘角速度

3 結語

利用ADAMS軟件建立塑殼斷路器的動力學仿真模型，對斷路器操作機構進行分閘合閘仿真，通過定義不同的彈簧剛度系數，分析其對操作機構分合閘的影響。分析結果表明，增大彈簧剛度系數，雖然能減小分閘時間，但相應的合閘時間和手動合閘力都會增大，故單純通過提高彈簧剛度而增強斷路器的分斷能力是不可取的，應該兼顧手動合閘力的變化情況。通過ADAMS軟件進行仿真優化，能夠減少產品研發周期，對產品所涉及的重要參數有指導性意義。

[1] 王澤濤, 遲長春, 張夢成, 等. 基于ADAMS的低壓塑殼斷路器操作機構的優化設計[J]. 電工電氣, 2019(8).

[2] 王澤濤, 遲長春, 張夢成, 等. 塑殼斷路器操作機構關鍵部件應力仿真與優化[J]. 上海電機學院學報, 2019.

[3] 王澤濤, 遲長春, 張夢成, 等. 基于ADAMS的低壓塑殼斷路器操作機構的優化設計[J]. 電工電氣, 2019(8).

[4] 張波, 陳德桂. 旋轉雙斷點塑殼斷路器機構的動態仿真與優化[J]. 電器與能效管理技術, 2007(13): 5-7.

Simulation of Operating Mechanism of Double-break Molded Case Circuit Breaker Based on ADAMS

Li Rui, Zhang Cheng, Sha Xingle, Kong Fanliang, Xu Kai

（1. Wuhan Institute of Marine Electrical Propulsion, Wuhan 4300064, China; 2. Wuhan Changhai Electrical Technology Development Co., Ltd., Wuhan 430064, China）

TM561

A

1003-4862(2021)04-0036-03

2020-09-22

李蕊（1993-），女，助理工程師。研究方向：空氣式直流開斷技術研究。E-mail: 527495209@qq.com