翟鹏飞 杨秋玉 栾骏飞

（1. 河南基泰电气有限公司 2. 武汉大学电气工程学院 3. 江苏南瑞泰事达电气有限公司）

0 引言

断路器是电力系统中最重要的电气设备之一，在电网中起保护与控制作用，其运行状态直接影响整个电力系统的稳定性和供电的可靠性[1-3]。当高压断路器发生故障时，将对其保护的线路、设备造成直接危害，严重时，将造成大面积停电[4]。据统计，由于高压断路器故障所导致的非计划停电事故，占事故次数及停电时间总量的60%以上[5]。特别是高压断路器重要的储能元件——弹簧类故障，近年来，关于高压断路器由于弹簧故障而不能正常工作的报道已屡见不鲜：合闸弹簧断裂造成断路器不能动作故障[6-7]、合闸弹簧疲劳造成断路器合闸速度较慢故障[8]、合闸弹簧释放能量不足发生拒分、拒合故障等。

高压断路器一般较少动作，大量故障样本的获取比较困难，通过试验能够模拟故障的类型也很受限，且模拟的大都是极端类故障。例如模拟分闸弹簧失效故障，很多研究者直接将分闸弹簧去掉，而实际上，分闸弹簧失效是一个缓慢的过程，这样极端的模拟试验与断路器实际故障情况相差甚远。

本文采用基于 ADAMS的虚拟样机技术对高压断路器进行仿真分析，模拟实际高压断路器随运行时间的增长及动作次数的增多导致的合闸弹簧力逐渐减小过程，仿真分析了合闸弹簧力衰减对高压断路器运动特性的影响。

1 高压断路器动力学模型的建立

1.1 高压断路器技术参数及动力学模型建立

高压断路器主要技术参数见表1。

表1 12kV高压断路器主要技术参数

图1所示为12kV高压断路器处于分闸位置的结构图，此时，合闸弹簧已完成储能（被拉伸），由合闸弹簧储能保持掣子将其锁定。

高压断路器合闸所需能量由合闸弹簧储能提供，电机通过带动齿轮传动、棘轮传动等使合闸弹簧储能。机构储能后，当接到合闸信号时，机构解除储能保持，合闸弹簧释放能量，通过凸轮、拐臂、连板等带动绝缘拉杆使动触头向上运动并压缩触头弹簧，断路器进入合闸状态。合闸动作完成后，当接到分闸信号，机构解除分闸约束，由触头簧和合闸时储存的能量使灭弧室动静触头分离而实现分闸操作。

图1 12kV高压断路器结构

1.2 高压断路器合闸弹簧能量分配数学模型建立

断路器完成分合闸功能，操动机构提供的动力必须大于完成动作遇到的阻力，且动力所做的功必须大于阻力所做的功，负载特性与动力特性尽可能相配。

合闸过程分为合闸前后两个阶段，动、静触头碰撞前，操动机构主要克服分闸弹簧力 Fe和摩擦阻力Ff做功，储能杠杆与驱动杆碰撞前后有能量损失；动、静触头碰撞后，操动机构主要克服触头阻力 Fz、分闸弹簧力 Fe、触头弹簧力 Ft、摩擦阻力 Ff、合闸时触头间的涌流产生的电动斥力 Fd做功。动、静触头碰撞前后有能量耗损。合闸时，合闸弹簧力是动力。

触头碰撞前，合闸合成负载力：

分闸时，在分闸的接触行程阶段，分闸弹簧力和触头弹簧力都是动力。随着分闸时间的推移，触头弹簧对分闸运动不起作用，动触头只在分闸弹簧力作用下运动。分闸时的负载合成力包括真空灭弧室的自闭力Fp、零部件摩擦力Ff、缓冲器提供的缓冲力Fh、电动力Fd等，可以得到分闸负载合成力为：

其中，分闸和合闸过程中都有电动力，电动力由两部分组成，一部分是电流在磁场作用下产生的洛伦兹力Fl；另一部分是由于触头接触处电流线收缩产生的霍尔姆力 Fm。在分闸时，有自闭力的存在。所谓自闭力是在无外力作用下，动触头在大气压的作用下，对内腔产生的一个使其与静触头闭合的力，其大小取决于波纹管的端口直径。

断路器运动过程中，合闸弹簧、分闸弹簧和触头弹簧的弹簧力影响着断路器的运动特性。一般，弹簧力可按下式计算：

式中，F0为弹簧预作用力；l为弹簧两端变形后的长度；dl/dt为弹簧两端相对速度；C为弹簧阻尼系数；k为弹簧劲度系数；l0为弹簧两端加预力后的长度。

弹簧操动机构的能量来源是储能电动器的电能，主要通过弹簧和传动机构，将电能最终转变成动触头的机械能。合闸时，合闸弹簧把已储存的能量传递给分闸弹簧和触头弹簧，即一部分用于分闸弹簧，另一部分用于合闸。用于合闸的这部分能量在传递过程中经过触头弹簧，触头弹簧吸收了一部分能量，用于保持触头压力，并把另一部分转化为动触头的动能，使动触头做功，即：

式中，Whz为合闸弹簧输出功；Eft为分闸弹簧储存的能量；Ef为合闸时传动机构的能量损失；Wct为触头弹簧所做的功；Edc为动触头碰撞前所具有的功能；Ep为触头弹簧所储存的用于保持触头压力的能量。

操动机构合闸储能弹簧的输出功 Whz与弹簧劲度系数k及弹簧变形量有关，在不考虑弹簧阻尼的情况下，有：

式中，Δl为储能时合闸弹簧的变形量；Δl0为合闸后弹簧的变形量。

在合闸时，三相触头弹簧输出功如下：

式中，k为弹簧劲度系数；Δx为触头弹簧变形量；F0为操动机构提供给每一相触头弹簧的预力，为弹簧预作用力，此处不再考虑弹簧阻尼。

合闸过程中，假设动触头的实时速度为 vdx，在动、静触头碰撞前，包括复杂多杆机构和绝缘拉杆在内的运动系统的归一化质量为 md，则根据能量守恒定律和动能定理，有：

在碰撞前，vdx随时间增大，碰撞前瞬间达到最大。在动、静触头碰撞前后，两者在触头弹簧压力作用下保证一定的合闸压力，最终，动触头实时速度vdx=0，即动触头的动能最终在弹簧阻尼的作用下耗尽，转换成热能等其他形式的能量。

以上即为断路器合闸时合闸弹簧能量分配原理。

2 合闸弹簧力对高压断路器性能参数影响分析

2.1 正常工况下仿真分析

按照高压断路器的实际工况，定义各零件材料、添加各约束，建立高压断路器动力学模型。所建模型的合、分闸行程曲线和速度曲线如图2所示。

图2 合、分闸行程和速度曲线仿真图

为了获得与实际相符的虚拟样机模型，将仿真模型与产品技术参数比较，比较结果见表2。

表2 合、分闸理论值和仿真值对比

从表2可以看出，该高压断路器仿真模型的合闸时间、分闸时间、平均合闸速度和平均分闸速度均与理论值相近，且符合产品出厂技术参数范围，由此证明所建立仿真模型的正确性。

2.2 合闸弹簧力衰减对高压断路器性能参数影响仿真分析

断路器合闸所需的能量是由合闸弹簧提供的，合闸弹簧随着断路器操作次数的增多和运行时间的增长，其应力松弛现象[9-13]越来越严重，当合闸弹簧所能提供的能量不能满足断路器合闸所需的最小能量时，合闸就不能进行到底[14]。

为了模拟合闸弹簧应力松弛过程，分别仿真合闸弹簧力下降5%、10%、12%、14%、14.5%、14.8%、15%情况下的绝缘拉杆行程、速度和合闸弹簧力的变化，如图3～图5所示。

图3 合闸弹簧力曲线

图4 绝缘拉杆行程曲线

图5 绝缘拉杆速度曲线

从图中可以看出，随着合闸弹簧应力松弛的不断增加（合闸弹簧力变化如图3所示），合闸时，断路器绝缘拉杆行程和速度也不断变化（如图 4、图 5所示）。

从图6可以看出，合闸速度刚开始减小缓慢，当合闸弹簧力衰减超过5%时，合闸速度急剧减小；当合闸弹簧力衰减至14%时，合闸速度又趋于平缓减小阶段。

图6 合闸速度、合闸时间变化曲线

与此对应，合闸时间也不断变化，在合闸弹簧力开始衰减的10%内，合闸时间急剧增大；而后在合闸弹簧力衰减的10%～14.5%内，合闸时间也呈线性增大，最后趋于平缓变化。

此型号高压断路器要求合闸速度不能低于0.8m/s，从图7可以看出，当合闸弹簧力衰减至10%左右时，合闸速度已不能满足该要求。

图7 合闸速度变化曲线

3 结束语

本文通过对高压断路器进行动力学仿真，分析了合闸弹簧由于动作次数的增多及运行时间的增长导致的力衰减对高压断路器运动参数的影响。

结果表明，高压断路器合闸速度受合闸弹簧的影响较大，而合闸速度是高压断路器的关键参数，合闸速度直接影响高压短路器触头熔焊、机械冲击等电气机械特性。

为此，可通过监测合闸弹簧状态，建立合闸弹簧力（或合闸弹簧出力变化特性等）与高压断路器关键参数（如合闸速度）之间的关系，预测高压断路器性能（特别是合闸能力），可实现高压断路器故障预警与故障诊断，对工程实际具有重要的意义。