低壓塑殼斷路器操作機構(gòu)計算機仿真及優(yōu)化設(shè)計

王少民，李志雄，陸佳琳，蘇杭，方舒，何濤

（1.云松電力技術(shù)有限公司，浙江 溫州 325604；2.俊郎電氣有限公司，浙江 溫州 325604；3.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，北京 海淀 100083；4.溫州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 溫州 325000）

塑殼斷路器是低壓配電網(wǎng)最常用的保護電器之一[1]，其性能直接關(guān)系到下游側(cè)供電回路中電氣設(shè)備的運行安全。操作機構(gòu)[2]是塑殼斷路器的最核心部件，負責斷路器的合閘、分閘、自由脫扣及復(fù)位等功能。

低壓斷路器操作機構(gòu)的傳統(tǒng)設(shè)計方法復(fù)雜而煩瑣，通常需要4個方面的工作和流程才能完成。首先，需要計算和建立斷路器操作機構(gòu)各桿件的力學(xué)參數(shù)、尺寸、相互位置等技術(shù)數(shù)據(jù)。其次，需要圖解法作出每個時刻各機構(gòu)的空間運動軌跡及位置。再次，須要進行產(chǎn)品設(shè)計和制作樣機。最后，須要通過樣機實驗來驗證設(shè)計方案的正確性。這個過程往往須要反復(fù)進行、多次優(yōu)化修正，這給斷路器操作機構(gòu)設(shè)計帶來諸多不便。

將計算機輔助設(shè)計（CAD）[3]應(yīng)用于低壓塑殼斷路器操作機構(gòu)的設(shè)計與優(yōu)化，對于提升我國低壓控制電器的自主設(shè)計和數(shù)字仿真水平具有非常重要的意義和作用：（1）通過取代人工，可以大大縮短設(shè)計周期和提高設(shè)計效率；（2）通過虛擬可視化操作，可以隨時調(diào)整產(chǎn)品參數(shù)和改善產(chǎn)品性能；（3）通過Pro/E軟件[4]的三維建模和動態(tài)過程仿真，可以取代常規(guī)的樣機制作和物理實驗驗證，并節(jié)省大量人力、物力和財力。

本文首先分析塑殼斷路器操作機構(gòu)的工作原理，然后介紹塑殼斷路器的性能參數(shù)設(shè)計方法。在此基礎(chǔ)上，重點介紹塑殼斷路器的三維建模過程及仿真結(jié)果，主要包括斷路器零部件繪制、關(guān)鍵部件應(yīng)力分析、斷路器裝配和分解、操作機構(gòu)動作過程仿真。

1 塑殼斷路器操作機構(gòu)的工作原理

塑殼斷路器操作機構(gòu)由動觸頭支架e、下連桿f、上連桿g、跳扣j、鎖扣m等部分組成。動觸頭可繞支點O2轉(zhuǎn)動，跳扣可繞支點A轉(zhuǎn)動，手柄可繞支點O1轉(zhuǎn)動。塑殼斷路器操作機構(gòu)的運動，可以分為分閘、合閘、自由脫扣和再扣4個動作。下面將具體介紹4個動作過程的工作原理。

1.1 分閘、合閘動作

分閘和合閘動作[5]過程如圖1所示。鎖扣m鎖定，使跳扣j固定不動，手柄i在外力作用下繞支點O1逆時針轉(zhuǎn)動，當彈簧h越過支點B點時，通過彈簧拉力使連桿g、f脫離死區(qū)，牽動觸頭分開，完成分閘動作。

圖1 分閘、合閘狀態(tài)示意圖

當手柄反方向運動，并使彈簧越過B支點時，通過彈簧拉力拉動連桿g、f運動，并牽引動觸頭運動，使動觸頭和靜觸頭接觸，完成合閘動作。

1.2 自由脫扣動作

自由脫扣動作[6]是操作機構(gòu)最為復(fù)雜的一個運動過程，可以抽象為一個四桿機構(gòu)變成一個五桿機構(gòu)的過程。在電路過載或短路等情況下，自由脫扣機m脫扣。如圖2所示，m脫扣瞬間，整個系統(tǒng)受彈簧h的拉力、觸頭斥力和重力的作用。跳扣j與手柄i在彈簧h的拉力下分別沿順、逆時針轉(zhuǎn)動，此時C點受跳扣j限制（C點與跳扣j存在限位關(guān)系）使A、B、C三個點相對靜止，此時桿g與桿AB（跳扣j上兩點）可看作一個整體，即整個機構(gòu)為e、f、AB、AO2的四桿機構(gòu)。其驅(qū)動力為彈簧h的拉力。

圖2 脫扣瞬間運動簡圖

如圖3所示，當跳扣j與手柄i運動到一定位置，即彈簧h越過B點。彈簧h的拉力使桿g脫離鎖扣j的限位，桿g相對于鎖扣j順時針運動，此時A、B、C三點不再相對靜止，系統(tǒng)又四桿機構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)橛蒭、f、AB、AO2組成的五桿機構(gòu)。

圖3 四桿-五桿機構(gòu)臨界狀態(tài)簡圖

如圖4所示，當達到四桿、五桿臨界狀態(tài)后，機構(gòu)在彈簧h的拉力下繼續(xù)運動，從而實現(xiàn)分斷狀態(tài)。在由e、f、AB、AO2組成的五桿機構(gòu)中存在兩個自由度，而整個系統(tǒng)只有一個驅(qū)動力（彈簧h的拉力）。因此，觸頭分斷與手柄無關(guān)，同時系統(tǒng)運動與初始條件（四桿、五桿臨界狀態(tài)）時的運動規(guī)律關(guān)系很大。

圖4 自由脫扣分斷狀態(tài)簡圖

1.3 操作系統(tǒng)的再扣

操作系統(tǒng)的再扣[7]就是使m重新鎖定鎖扣，鎖扣j再次被固定（C、O2兩點固定不動）。此時，系統(tǒng)為e、f、g、CO組成的反四桿機構(gòu)，觸頭的運動再次與手柄i聯(lián)系，在合閘時彈簧h為反四桿機構(gòu)的驅(qū)動力。此時機構(gòu)為分閘狀態(tài)，可以通過搬動手柄i完成手動合閘，如圖5所示。

圖5 操作系統(tǒng)再扣狀態(tài)

2 塑殼斷路器性能參數(shù)優(yōu)化設(shè)計

2.1 塑殼斷路器主要性能指標

2.1.1 觸頭開距

觸頭開距是指動靜觸頭之間的最長距離，即分閘狀態(tài)時動靜觸頭之間的距離。開距的作用是，在一定的短路電流下動靜觸頭斷開，觸頭之間有一定的間隙空間，能把電弧拉長拉細，增加其自然滅弧能力；也為了在規(guī)定的試驗電壓下不被擊穿而引起電弧重燃。原則上觸頭開距越大，電弧越容易被拉長，也就越容易熄滅，但考慮到塑殼斷路器的總體高度已經(jīng)確定，給下觸頭和附件腔留出合適的空間后，確定開距取21 cm較為合適[8,9]。

2.1.2 觸頭超行程

超程的實際測量方法是，在合閘位置時，移去靜觸頭，測量此時動觸頭繼續(xù)運動的距離即為超程。塑殼斷路器操作機構(gòu)設(shè)計時，要保證在斷路器電壽命結(jié)束前，動靜觸頭仍能可靠的接觸。一般規(guī)定，超程設(shè)計范圍為2～4 mm。

2.1.3 觸頭終壓力

斷路器的觸頭終壓力主要取決于觸頭通過較大電流時，不至于因電動斥力產(chǎn)生跳動而引起熔焊。但它有別于采用短路電流產(chǎn)生的很大電動斥力，使得短路電流尚未達到最大值時，觸頭在瞬動機構(gòu)動作之前被斥開，以取得限流的效果。因此，觸頭終壓力是個限定范圍內(nèi)的值。脫扣器設(shè)計值是在12倍額定電流（100 A）即1200 A時開始動作，在電流1200 A時，得電動斥力為5 N，而當電流增大到2400 A（短路電流）時電動斥力為10 N左右。因此，設(shè)定觸頭終壓力為每相大約10 N。

2.2 塑殼斷路器相關(guān)參數(shù)及空間尺寸計算

斷路器手柄處于合閘位置，彈簧力作用線KC與上連桿BC有一定的夾角ALF，稱為合閘安全角，這時下連桿CD上的分力就是觸頭系統(tǒng)的合閘力，該力相對與主軸回轉(zhuǎn)中心O2的轉(zhuǎn)矩就是合閘力矩，如圖6所示。

圖6 合閘力及力矩計算圖

合閘力矩，即下連桿CD受力對O2的轉(zhuǎn)矩，設(shè)合閘時觸頭反力（給定的觸頭初壓力）為Fw，則求出相應(yīng)的反力矩和安全合閘條件。

根據(jù)圖6建立的對應(yīng)坐標系，如圖7所示。

圖7 操作機構(gòu)坐標系

主軸回轉(zhuǎn)中心O2為坐標系原點，給出下列參數(shù)。

點坐標：A、O1、E坐標；B相對于A的坐標（兩種狀態(tài)：再扣和自由脫扣）、F相對于E的坐標。

各杠桿長度：Lab、Lbc、Lcd、Ldo2、Lko1、Lw1o2、Llo1。

結(jié)構(gòu)角度：手柄LO1與垂直方向（Y軸）夾角BTA；觸頭支架DO2與X軸負方向夾角GMA。

彈簧原長L，剛度K=Gd4/(8D32n)，G剪切彈性模量，中徑D2，簧絲直徑d，有效工作圈數(shù)n。

通過受力分析，可以進行合閘力計算，計算出開閘力、脫扣力、再扣操作力等相關(guān)力和力矩。最終，在開距、超程、觸頭壓力確定后，初步確定機構(gòu)各桿件的長度和位置尺寸：Lab=21 mm、Lbc=19.5 mm、Lcd=15 mm、Lo2a=18 mm。

3 塑殼斷路器的三維建模

3.1 斷路器零部件繪制

塑殼斷路器動觸頭支架的實體模型如圖7所示，可以通過Pro/E的建模命令完成繪制。

3.2 斷路器關(guān)鍵部件應(yīng)力分析

采用Pro/E軟件，可以對塑殼斷路器的各個部件進行應(yīng)力分析。本文以斷路器脫扣器的一個面的反射命令為例，展示其應(yīng)力的空間分布，如圖8所示。如果顯示的條紋間隔較為均勻且沒有突然的跳動，說明不存在應(yīng)力集中問題。否則，如果存在應(yīng)力集中的問題，就必須結(jié)合設(shè)計要求，在不影響產(chǎn)品性能的前提下對零件參數(shù)進行動態(tài)調(diào)整。

圖8 動觸頭支架實體模型圖

3.3 塑殼斷路器Pro/E動態(tài)仿真

3.3.1 斷路器的裝配和分解

Pro/E為我們提供了裝配和分解，所有零件裝配起來了如圖9所示。裝配圖可以給人直觀的產(chǎn)品效果，可以更好地發(fā)現(xiàn)裝配時各個零件的安裝關(guān)系。

圖9 條紋狀應(yīng)力空間分布分析圖

3.3.2 操作機構(gòu)動作過程仿真、分析及應(yīng)用

動作過程仿真：三維模型的動態(tài)仿真能讓設(shè)計者看清操作機構(gòu)的整體運動狀態(tài)，各零件間的相互運動關(guān)系，是否有干涉，而Pro/E的測量分析為產(chǎn)品提供了良好的性能驗證途徑。

首先，生產(chǎn)分析的測量結(jié)果，彈出測量結(jié)果對話框。其次，創(chuàng)建測量目標，系統(tǒng)提供了速度、加速度、沖力、沖量等一系列相關(guān)測量目標。最后，獲得分析測量結(jié)果，如圖10所示。

圖10 模型分解與裝配

圖11 分析測量結(jié)果圖

仿真結(jié)果分析及應(yīng)用：由圖10可知，曲線表示搖臂和跳扣之間的相互作用力，是在塑殼斷路器合閘的過程中測得的。由測量結(jié)果可以獲得下列參數(shù)變化規(guī)律和設(shè)計成果：

由于彈簧一開始處于拉伸狀態(tài)，隨著搖臂的轉(zhuǎn)動彈簧長度開始縮短，彈簧力開始逐漸減?。?/p>

在t=1.4 s時，相互作用力急劇上升，其原因是跳扣處存在一個曲率較大的圓弧。當圓弧曲率越大時，相互作用力就越大；相互作用力越大，所需要的合閘力也就越大。

根據(jù)上述仿真過程及結(jié)果，通過動態(tài)調(diào)整跳扣中曲率較大圓弧的曲率大小，并調(diào)整合閘力的大小，對低壓塑殼斷路器的跳扣進行優(yōu)化設(shè)計。經(jīng)實測和工程驗證，所設(shè)計跳扣能在合閘力作用下平順、可靠地被鎖扣鎖住，確保低壓供用電系統(tǒng)中塑殼斷路器的靈敏可靠動作。

4 結(jié)束語

塑殼斷路器的操作機構(gòu)是實現(xiàn)其功能和性能的關(guān)鍵。本文利用計算機輔助設(shè)計專業(yè)軟件和仿真工具開展塑殼斷路器的優(yōu)化設(shè)計，主要工作與結(jié)論如下：

低壓塑殼斷路器的工作原理及動作過程須要根據(jù)新型配電網(wǎng)建設(shè)和發(fā)展的實際不斷進行更新；

采用Pro/E專業(yè)軟件，可以有效進行斷路器的三維建模、尺寸優(yōu)化和動作機構(gòu)應(yīng)力分析；

再進行計算機三維動態(tài)建模和仿真之前，須要預(yù)先建立斷路器操作機構(gòu)及關(guān)鍵零件的幾何關(guān)系和受力分析數(shù)學(xué)模型；

通過運動過程的動態(tài)仿真，可以獲得操作機構(gòu)及零件的最優(yōu)尺寸、結(jié)構(gòu)關(guān)系和整體運動特性，進而對跳扣裝置進行優(yōu)化設(shè)計，保證低壓塑殼斷路器的靈敏和可靠動作；

計算機輔助設(shè)計和仿真，可以取代常規(guī)的樣機制作和物理實驗驗證，顯著減少設(shè)計周期、提高設(shè)計效率、并節(jié)省大量人力、物力和財力。