高壓隔離開關機械故障剛柔耦合動力學分析

陳勇， 謝洪平， 劉亮， 沈文韜， 黃濤， 李朝勇

(1.國網江蘇省電力工程咨詢有限公司， 南京 210000； 2.南昌大學信息工程學院， 南昌 330031)

高壓隔離開關是電力系統運用最多的開關設備，根據國網公司2015年開關設備運行情況統計，高壓隔離開關設備裝用量超過36×104組[1]。由于長期工作在戶外環境，且大多存在缺陷難以發現、檢修不及時的現象，容易出現各類缺陷或故障。高壓隔離開關典型故障主要包括導電回路發熱、操作失靈、機構銹蝕、卡澀及絕緣子斷裂等[2]。而其中絕緣子斷裂、操作失靈、銹蝕等機械故障所占比重最大，約為70%[3]。文獻[4]研究表明，傳動機構是影響設備運行的薄弱環節，且高壓隔離開關機械故障檢測及防治已成為設備運維單位關注的關鍵問題之一。

當前，針對高壓隔離開關故障檢測方法大多基于兩類。一類以物理模擬試驗數據檢測為基礎，即以通過建立試驗平臺模擬分接開關操作、運行過程中的電機電流、振動或噪聲等狀態量，研究隔離開關故障狀態下各類狀態量的變化規律，從而建立基于上述狀態量的隔離開關故障檢測方法。文獻[5]提出了一種基于振動信號結合支持向量機的斷路器故障診斷方法。文獻[6-7]利用斷路器在開關操作過程中的振動數據來檢測和識別斷路器機械狀態。文獻[8-9]對隔離開關振動信號進行經驗模態分解從而進行故障診斷，但振動信號只對部件松動等缺陷敏感，但對卡澀等缺陷敏感度低，且準確性受傳感器安裝位置和方法影響較大。文獻[10]提出了一種基于轉角行程曲線的隔離開關分合閘不到位的診斷方法，能夠對分合閘不到位、拒動等故障進行有效診斷，對卡澀等隱性故障效果不佳。針對轉角行程信號不能全面反映隔離開關機械狀態信息，文獻[11-12]提出了一種基于隔離開關操作力矩—轉角曲線的比較法來判斷隔離開關機械狀態。文獻[13-15]推導了驅動電機電流與操動轉矩之間的函數關系，提出了一種通過電機電流幅值判斷隔離開關是否卡澀的方法。將機器學習算法用于電網中電氣設備的故障預警及診斷可以在很大程度上遏制故障的發展[16]。文獻[17]運用計算機視覺技術對變電站隔離開關狀態進行監測，但該方法易受外部環境影響。另一類從仿真分析角度出發，即基于多物理場耦合分析方法模擬隔離開關不同故障類型，獲取故障特征量與故障類型間的關聯關系。文獻[18]提出了一種神經網絡診斷模型，針對隔離開關機械故障樣本數據少的問題，采用仿真分析豐富了故障特征庫。

基于上述研究，通過對GW5-126型隔離開關進行剛柔耦合動力學仿真分析，討論了GW5-126型隔離開關動作過程中操動桿轉矩的變化規律，并對隔離開關常見機械故障進行了仿真，對比了故障狀態與正常狀態的部分特征量，可為隔離開關機械故障診斷提供參考。

1 多體動力學理論

多體動力學理論在航天器研究[19]、機械設計[20]等方面運用廣泛。隔離開關主要起到隔離電源、倒閘操作、連通和切斷小電流電路的作用，屬于電網中為數不多的需要頻繁動作的設備，其主要結構既包括絕緣支柱、導電臂等剛性體，也包括開關觸指等柔性體。因此，多體動力學方法是模擬隔離開關的分合閘過程的理論基礎。

1.1 多剛體動力學理論

多體動力學中，廣義坐標的選擇對動力學方程的求解速度影響巨大，可用剛體構件的質心笛卡爾坐標和反映方位的歐拉角作為公共參考坐標系。即

q=[x,y,z,ψ,θ,φ]T=[RT,rT]T

(1)

式(1)中：R=[x,y,z]T為笛卡爾坐標位置，其中[x,y,z]為構件笛卡爾坐標；r=[ψ,θ,φ]T為歐拉角，其中[ψ,θ,φ]為構件歐拉坐標。

同時定義一個歐拉轉軸坐標系，該坐標系到構件質心坐標系的轉換矩陣為B。對于剛性體，假設剛體構件i的質量為mi，其質心的極轉動慣量為Ji，將作用于構件的全部外力向其質心簡化，則可得到外力矢Fi和外力矩Ti。推導得到廣義坐標表示下的剛體構件i的變分運動方程為

(2)

對于理想約束系統，變分運動方程中約束力虛功等于0，則系統變分運動方程可簡化為

(3)

式(3)中：Q為剛柔耦合多體系統的廣義動力陣。

結合位形約束方程Φ(q,t)=0，其中，Φ為約束方程，t為時間，同時引入拉格朗日乘子矢量λ，運用鏈式微分法，可得多剛體系統的微分代數方程為

(4)

1.2 剛柔耦合多體動力學理論

在工程實際中，復雜的機械系統中的部分構件采用彈性材料，將構件全部作為剛體進行研究已經無法合理地解釋系統復雜的動力學問題，因此在對多體系統進行多體動力學分析時必須同時考慮構件的大范圍運動和構件本身的變形，這類系統被稱為剛-柔耦合多體系統。

根據虛功原理，剛柔耦合多體系統中構件i的動力學變分方程為

(5)

令M=HTZH為剛-柔耦合多體系統的廣義質量陣，其中，Z為系統廣義質量陣，H為系統轉換矩陣，Q=HT(Fa+Fi+Fe-Zh)為剛柔耦合多體系統的廣義動力陣，h為系統質心坐標系下的歐拉坐標陣，Fa、Fi、Fe分別為系統廣義慣性力陣、廣義動力陣及廣義彈性力陣，則可得到剛柔耦合多體系統的動力學方程為

(6)

1.3 多體動力學求解方法

對于動力學方程的數值計算主要使用積分算法，其主要步驟是如下。

步驟1根據泰勒展開式和隱含向后差分的Gear積分多項式估計tn+1時刻的狀態向量yn+1。

步驟2將估計出的狀態變量帶入系統方程，如滿足系統方程，則估計出的狀態向量yn+1為系統在tn+1時刻的狀態；若不滿足系統方程，則用牛頓拉夫遜法進行迭代，直至精度滿足要求。

步驟3對狀態向量的預測值與校正值進行比較，根據其誤差是否滿足要求來判斷是否接受該解，并對其積分步長進行優化。

步驟4重復上述過程，直到求解時間達到所設置的時間。

2 GW5-126高壓隔離開關仿真模型

2.1 GW5-126結構及建模

GW5-126高壓隔離開關(簡稱GW5-126)呈50° V形結構，主要由支柱絕緣子、導電部分、接地部分和底座組成。其中，底座由鑄鐵底和兩個軸承座組成，兩個傘齒輪嚙合傳動，主要起固定和傳動作用；支柱絕緣子由兩個瓷絕緣子組成，兩個絕緣子之間呈50°角，主要起支撐和傳動作用；導電部分主要包括導電臂、觸指、觸頭、接線座，主要起導電和隔離作用；接地部分主要由接地閘刀和接地觸指組成，主要用于對導電臂進行接地操作。某典型GW5-126型高壓隔離相關結構參數如表1所示。整體模型如圖1所示。

圖1 GW5-126多體動力學模型Fig.1 Geometric model of GW5-126

模型建立過程中，GW5-126存在大量細小固定件和特殊外形，為降低建模難度，對模型進行了適當簡化，主要包括：①忽略所有螺栓等固定構件，在仿真模型中用固定副代替；②對于支柱絕緣子、底座等不影響隔離開關運動特性的構件外形進行了簡化處理；③接地部分對隔離開關分合閘過程無影響，可不對其進行建模；④操動機構箱未建模，仿真直接在操動桿上施加等效驅動，將其作為操動機構輸出轉矩。

表1 GW5-126結構參數Table 1 Structural parameters of GW5-126

2.2 隔離開關觸頭模型

在隔離開關動作過程，開關觸頭除隨著支柱絕緣子大范圍運動外，還會隨著觸頭閉合而發生形變。因此，觸頭觸指是隔離開關模型中的重要柔性體，而觸頭觸指的接觸狀態也是隔離開關機械故障的重要表征參量。本位采用三維建模軟件建立觸指部分的幾何模型，如圖2所示。

圖2 觸指柔性體模型Fig.2 Flexible body model of touch finger

2.3 動力學仿真參數

為精確模擬GW5-126型隔離開關的分合閘過程，采用動力學仿真軟件需對仿真模型參數進行設置，主要包括材料參數、運動約束及運動控制。

2.3.1 材料參數

結合圖1中的隔離開關主要構件，對其設置相應材料參數，用于計算模型的質量、轉動慣量等關鍵參數，GW5-126模型中涉及的材料及其相應參數如表2所示。

表2 GW5-126模型主要材料屬性Table 2 Material properties of GW5-126 model

2.3.2 運動約束

動力學模型是能否實現動力學仿真及仿真質量好壞的關鍵。在GW5-126分合閘過程中，各個構件之間的存在不同的相對運動關系，為了真實的模擬GW5-126分合閘過程，需要對各構件之間添加相應的運動副。對軸承與底座、銷釘與連桿連接頭等轉動部位之間添加旋轉副，其他相對固定的構件之間添加固定副，運動副添加位置如表3所示。

在隔離開關運動過程中，轉動部位之間存在摩擦力。為了考慮摩擦力對隔離開關仿真模型的影響，需對各轉動副設置摩擦參數，參考文獻[21]，設置有軸承關節摩擦因數設為靜摩擦0.004，動摩擦0.003；無軸承關節摩擦因數設為靜摩擦0.03，動摩擦0.025。在GW5-126分合閘過程中，在嚙合階段，觸指與觸頭之間存在接觸力，仿真時使用Impact函數方法設置接觸力。

表3 運動副位置

2.3.3 運動控制

GW5-126的工作過程(合閘)為操動機構帶動操動桿逆時針旋轉90°，操動桿通過齒輪帶動A相主動側順時針旋轉90°，A相主動側通過齒輪帶動A相從動側逆時針旋轉90°完成A相合閘，同時A相主動側通過連桿帶動B、C兩相主動側順時針旋轉90°，類似地完成B、C兩相合閘，分閘過程與合閘過程相反。GW5-126使用的CJ5B型電動機構輸出轉角90°，分合閘時間均為5 s。

結合上述建模及參數設置過程，所采用的仿真流程如圖3所示。

圖3 仿真流程圖Fig.3 Simulation flow chart

3 仿真分析結果

基于多體動力學理論，開展GW5-126型隔離開關動力學仿真分析，得到正常狀態下開關運動過程如下。

3.1 隔離開關運動狀態

根據CJ5B型電動機構性能設置仿真總時間為5 s，仿真步數為1 500，仿真結果如圖4所示。

圖4 GW5-126開關運動狀態仿真結果Fig.4 Motion state simulation of GW5-126

從圖4中可以看出，所建立的GW5-126動力學仿真模型，其仿真過程與GW5-126動作過程吻合較高，能夠較好地反映GW5-126合閘過程中的運動過程。4.59 s時，外側觸指與觸頭開始接觸；4.79 s時，外側觸指形變達到最大值；4.91 s時，內側觸指開始與觸頭接觸；5.00 s時，合閘完成，仿真結束。

3.2 隔離開關運動特性

隔離開關作為動態設備，除圖4所示運動狀態能反映其動作過程外，操動力矩能夠在很大程度上反映其運行狀態。為了能夠更好地理解GW5-126機械狀態與操動力矩之間的關系，對仿真得到的力矩曲線進行分析，如圖5所示。

圖5 正常情況仿真結果曲線Fig.5 Curve of simulation results under normal conditions

可以看出，GW5-126合閘過程可以分成兩個階段：①0～4.59 s，觸頭與觸指未發生接觸，操動轉矩主要與重力、摩擦力等因素有關，此階段為嚙合前階段；②4.59～5 s，觸頭與觸指開始接觸，操動轉矩主要與重力、摩擦力、觸指接觸力有關，此階段為嚙合后階段。

3.3 仿真結果討論分析

在嚙合前階段，隔離開關傳動需克服導電臂重力和軸承處的摩擦力產生的阻力矩，忽略摩擦力的影響，將GW5-126主動側導電臂及觸指部分看成一個整體，對GW5-126主動側導電臂進行受力分析，受力圖如圖6所示。

在導電臂重心處構建一個坐標系，其x軸與運動軌跡相切，與運動方向相反；其y軸與支柱絕緣子軸線平行，方向向下；其z軸指向支柱絕緣子軸線。將導電臂重力向3個坐標軸分解，分別為Gx、Gy、Gz，可以看出，導電臂重力產生的阻力轉矩為

MG1=LzGx=LzGcosα

(7)

式(7)中：Lz為導電臂重心到旋轉軸距離；α為重力G與分力Gx的夾角。

導電臂重力在其他兩軸方向的分力只產生對支柱絕緣子的彎矩。同理可得從動側導電臂MG2。

嚙合前操動桿轉矩為

T=MG1+MG2

(8)

在嚙合前階段，忽略軸承摩擦力，α隨轉動逐漸增大，Gx逐漸減小，操動桿轉矩也逐漸減小。在嚙合后階段，因為外側觸指的形變在合閘過程中先增大后減小，操動轉矩先升高后減小再略微升高。而后由于內側觸指開始與觸頭接觸，使得操動桿力矩略微升高。

實測結果經機構箱減速比換算后，得到的實測結果與仿真結果具有較好的一致性，其曲線對比情況如圖7所示。

圖6 導電臂受力分析Fig.6 Force analysis of conductive arm

圖7 正常狀態下仿真與實測曲線對比Fig.7 The contradistinction between simulation result and experiment result in normal status

4 隔離開關機械故障模擬

基于上述仿真模型，重點開展隔離開關機械故障模擬分析，研究卡澀、三相不同期等故障下開關的運動狀態，旨在通過仿真分析手段研究轉矩、接觸力等狀態參量的變化規律。

4.1 軸承卡澀模擬

隔離開關在運行一段時間后，軸承等部位容易發生潤滑油流失、干涸或金屬構件銹蝕等現象，造成卡澀缺陷。卡澀缺陷是隔離開關常見缺陷之一，嚴重時可能造成隔離開關拒動。仿真時，可通過改變轉動副的摩擦因數來模擬軸承不同程度的卡澀情況，仿真結果如圖8所示。

由圖8可以看出，卡澀時操動桿力矩明顯大于正常狀態，但曲線走勢基本不變。選取A相主動側軸承10倍摩擦因數時的曲線與正常狀態下的部分特征量對比，結果如表4所示。

圖8 卡澀與正常狀態轉矩對比Fig.8 The contradistinction of torque wave between stucking status and normal status

表4 卡澀與正常狀態特征量對比Table 4 Comparison of characteristic between stucking status and normal status

由表4可以看出，卡澀與正常狀態下的觸頭與觸指嚙合時間及操動桿轉矩峰值時間基本不變，說明在不發生拒動的情況下，卡澀對GW5-126動作進程基本沒有影響，但對操動桿轉矩值影響明顯。

4.2 三相不同期缺陷模擬

隔離開關安裝或調試過程中，受作業人員狀態和經驗的影響，常造成隔離開關調試不當，容易引起隔離開關三相不同期缺陷。仿真時，可以通過調節AB相間連桿和BC相間連桿的長度來模擬三相不同期缺陷。以AB相間連桿縮短10 mm為例，仿真結果如圖9所示。

圖9 三相不同期仿真結果Fig.9 Simulation results of inconsistent

對比圖5和圖9可知，嚙合前階段，操動桿轉矩與正常情況類似，但B、C兩相外側觸指與觸頭嚙合時間要比正常提前，A相與正?；鞠嗤Ｌ崛B相間連桿縮短10 mm情況下的部分特征與正常情況對比，結果如表5所示。

表5 三相不同期與正常狀態特征量對比Table 5 Comparison of characteristic between inconsistent status and normal status

從表5可知，嚙合前，操動桿轉矩與正常情況下相似，合閘完成后，A相觸指與觸頭配合依然良好，但B、C兩相過合閘，內側觸指接觸力明顯大于外側觸指接觸力。A、B相間連桿長度主要影響B、C兩相合閘，對A相的影響不大。

5 結論

對某GW5-126型高壓隔離開關進行了動力學仿真計算，分析了GW5-126合閘過程中操動桿轉矩的變化規律，并仿真模擬了GW5-126軸承卡澀、三相不同期兩種典型機械故障，得出如下主要結論。

(1)仿真結果與理論基本相符，對隔離開關典型機械故障診斷具有一定參考價值。針對隔離開關典型機械故障智能檢測樣本較少的問題，可嘗試使用仿真結果擴充樣本數量。

(2)與GW4型隔離開關不同，GW5-126型合閘前期操動桿轉矩呈下降趨勢，這是由于重力產生的阻力轉矩隨合閘過程逐漸下降。

(3)通過典型機械故障仿真模擬所得到的轉矩波形可知：卡澀缺陷主要影響轉矩值，對合閘進程、轉矩波形趨勢影響不大；三相不同期缺陷主要影響嚙合時間，轉矩峰值和轉矩峰值時間。