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1、低压塑壳断路器开断过程的仿真与分析摘要：低压塑壳断路器（ MCC）B 开断过程仿真对于其特性分析有重要意义。 应用虚拟样机技术，首先建立了 MCCB操作机构运动特性的仿真模型，并用实 验验证了模型的正确性；然后耦合电路、电磁场和机械运动方程，考虑电动斥 力的作用，分析了电弧电压、合闸相角、预期短路电流、机构开始动作时间以 及气动斥力对于MCC前断过程的影响。结果表明，提出的方法对于 MCCB勺分 析、设计及优化是有效的。关键字：开断特性；气动斥力；操作机构1 引言当短路电流产生时，并且其产生的电动斥力超过作用在动导电杆上的预压 力时，低压塑壳断路器（MCCB中动、静触头立即分离并产生电弧。由于
2、电弧的 作用使得灭弧室内部的压力升高，这样就在动触头上产生一个净压力，即为气 动斥力。此后，在该力和电动斥力的共同作用下，动导电杆进一步运动，接着， 操作机构开始动作，并最终带动动导电杆一起运动到最大开距。同时，电弧在 动、静触头之间拉长，并在磁吹力 / 气吹力的作用下进入灭弧栅片且被分割成若 干短弧，而后熄灭。可以看出，MCCBff断过程是一个相互耦合的复杂物理现象， 尤其是动导电杆的运动状态在很大程度上决定了MCCB勺性能。因此，如何描述MCCB勺开断过程，并研究各种因素对于其性能的影响对于产品的设计具有 重要的意义。对于低压断路器开断过程的研究，国内外学者在实验和理论上均做了大量 有益的
3、工作。在实验研究方面， Hirofumi Takikawa 和 Mitsuru Takeuchi 利 用光谱测试的方法研究了孤立触头间弧柱横截面上的温度分布； J.W. McBride 研究了微型断路器（MCB）中气流及气体成分对于弧根停滞的影响；在文献中，利 用二维光纤测试系统和光谱测试的方法实验研究了产气材料对于电弧特性的影 响以及气吹式低压断路器中电弧的运动性态。在仿真研究方面，文献建立了平 行跑弧道中的电弧磁流体动力学（MHD模型；文献分析了吹弧磁场对于电弧形状 和运动的影响； Gleizes 研究了外部磁场和等离子传输特性对于电弧运动的影 响； Lindmayer 仿真了电弧在栅片中
4、的运动与分割过程；文献 研究了灭弧室 结构和操作机构对于断路器限流性能的影响；文献对低压断路器操作机构进行 了动态仿真及优化设计。但是，由于问题的复杂性，研究低压断路器的开断过程，并考虑各种因素 的影响，长期以来，一直是一个较为困难的问题。本文针对一额定电流为 63 A 的MCCB应用大型虚拟样机软件 ADAMS首先建立了 MCCB操作机构运动特性 的多体动力学仿真模型，并实验验证了仿真方法的正确性。然后通过对 ADAMS 的二次开发，耦合电路、电磁场和机械运动方程，考虑电动斥力的作用，建立 了 MCCBff断过程的仿真模型。基于此模型，分析了预期短路电流数值、电弧 电压特性、合闸相角？、机构
5、开始动作时间ts以及气动斥力Fb对于MCCBff 断过程的影响。结果表明，提出的方法对于 MCCB勺分析、设计与优化是有效 的。2 分析模型及计算方法2.1分析模型图1所示为在ADAM漱件中低压塑壳断路器模型图及其机构 示意图。从图中可以看出，其操作机构是典型的五连杆结构。由触头支架 f 、下连 杆g、上连杆h、跳扣k、锁扣m操作手柄1和分断弹簧2等部分组成。动导 电杆的转轴 O 上有一扭簧，以提供触头预压力。当短路电流到来时，作用在动 导电杆上的电动斥力超过预压力时，动导电杆即被斥开，并在电动、气动斥力 及触头压簧的共同作用下绕轴 O 运动；同时，脱扣器动作，使得锁扣 m 转动， 在分断弹簧
6、的作用下，跳扣 k 绕 O2 轴顺时针转动，使得 B 点向左运动，从而 通过 g 带动主轴绕 O1 点向上转动，直到动导电杆和主轴运动到最大转角位置。可以看出，动导电杆的运动状态取决于由导电回路产生的电动力、电弧产 生的气动力、机构之间的相互作用。2.2 电动斥力的计算在文献中，我们提出了考虑非线性铁磁栅片及电流收 缩的影响，计算低压塑壳断路器中电动斥力的计算方法。即应用三维有限元分 析，引入圆柱导电桥模型作为接触点来模拟触头间的电流收缩，即可统一计算 作用在触头间的 Holm 力和动导电杆上的 Lorentz 力，并以作用在动触头上的 预压力为约束，通过迭代计算，可计算出触头的斥开时间和对应
7、的电流。仿真整个断路器的开断过程时，需要动导电杆在不同打开位置、不同电流 时的电动斥力数值。当触头打开后， Holm 力已不存在，仅需计算 Lorentz 力 FL 的大小。因此，以打开角度、电流值为自变量，应用上述方法，计算出 FL 为函数的二维网格。在仿真开断过程中，采用插值的方法，计算出一定电流和 打开角度时的力。分析模型的电动斥力计算结果。需要指出的是，该结果是根 据力矩等效原则，将动导电杆上的受力等效作用在动触头的中心点上，方向垂 直于动导电杆。打开角度为 10和 20时力的数值差别不大。2.3 气动斥力的计算对于气动斥力来讲，很多研究人员已经对其进行了一 些研究，但是，均是基于诸多
8、假设，通过一些简单的公式计算得到的。其中最 主要的假设是认为电弧能量的 70是通过辐射消耗的，而且辐射散射系数和压 力及温度有关，通过经验曲线或者其他的简化处理，通过式 (1) 计算出的。其中， n为通过辐射消耗的能量占总电弧能量的比例，IxU为电弧的输入功率，& 0为辐射散射系数， Aarc 为电弧或者灭弧室的截面积， s 为动静触头之间的距离， A 为触头的截面积， P0 为一个标准大气压的值。(1) 可以看出，气动斥力和电弧的输入功率及触头的截面积成正比例，而和 灭弧室或者电弧的直径及触头开距成反比。在本文中，采用式 (1) 计算作用在动导电杆上的气动斥力，以研究气动斥力 对于开断过程的
9、影响。但是，值得指出的是，在 3 000A-8 000A 电流时，电弧温度一般为 16500- 18500K,这时& 0这一与压力和温度有关的物理量一般可取为 3XlO11W/m3。 然而，在更为宽广的电流范围内，如何较为准确的估量气动斥力的数值，不是式 (1) 能够解决的问题。在下一步的工作中，可以从两方面进一步深入研究气动 斥力：一方面，可通过电弧的三维磁流体动力学模型分析灭弧室中的压力分布， 进而得到该力；另一方面，可依靠模型灭弧室，采用实验的方法得到气动斥力 与输入功率、灭弧室结构等之间的关系。2.4 电弧电压定义及电路方程求解电弧电压的特性比较复杂，与电弧的长 度及电弧进入栅片的情况
10、有关。研究模型在预期短路电流有效值为 8 kA 时的 一个典型电弧电流和电弧电压波形，电弧电压峰值为390 V。可以看出，电弧电压由一个近似线性的上升阶段和平台期组成。因此，在本仿真过程中，采用 参数化的方法定义电弧电压，。并研究其特性对于开断特性的影响。其中 t0 对应触头打开时间，取决于作用在动导电杆上的力和触头预压力 之间的关系， t1 对应于电弧电压上升到常数值 U0 所需的时间。 ts 为脱扣器 和传动部件动作所需的时间，也即机构开始动作的时刻。电路方程可用式 (2)所示的微分方程来表示，其中 L、R 分别为回路电感和 电阻， U 为电源电压有效值， 为合闸相角，电弧电压 Uarc
11、可用上述定义来得 到。根据低压电器国家试验标准规定的电流与功率因数之间的关系，以及电源 电压数值，即可确定L和R。这样应用龙格-库塔法即可求得电弧电流的数值。 并假设电流第一次过零时电弧即熄灭。2.5开断过程仿真ADAM漱件根据机械系统建模，自动建立系统的拉格朗 日运动方程，对每个物体，包括刚体和柔体，可列出带乘子的拉格朗日方程及 其对应的约束方程。ADAMS通过对多体系统动力学方程的求解，即可求得系统 中各部分的位移，速度和加速度等与机械运动有关的物理量。如前所述，低压 塑壳断路器的开断过程是一个复杂的机电耦合的物理现象。要仿真这一过程， 就必须耦合电路、电磁场和机械运动方程进行求解。本文通
12、过对ADAMS软件进行二次开发完成了这种耦合问题。如图 5所示, 通过二次开发接口，可从 ADAM鋪获得t时刻的动导电杆转动的角度 a t和 位移st，连同此时刻的电弧电流等通过接口程序计算出 t + t时刻的电动斥 力值作为模型机械运动方程的一个参数，并返回到 ADAMS。从而通过这种双 向的迭代计算，即可仿真出其整个开断过程。值得指出的是，仿真过程中，在计算t +t时刻的电气及机械参数时， 需要t时刻的参数计算结果，而 ADAMS身没有存储这些数据的功能，所以本 文采用写数据文件的方法解决了这个问题。此外，电流、电压等和时间的关系 也是采用该方法而获得。3操作机构仿真与实验首先在 ADAM
13、漱件中建立虚拟样机模型并施加约束, 进行仿真分析。同时，为了确定机构的摩擦及阻尼系数，以及验证仿真模型的正确性，在 断路器主轴上安装了角位移传感器，实验测试了研究模型在自由脱扣情况时主 轴转角随时间的变化过程，实验和仿真的结果。可以看出，仿真结果和实验曲 线比较吻合。这样，基于建立的模型，通过对 ADAMS勺二次开发，耦合电路和电磁场方 程，即可研究各种因素对于断路器开断过程的影响。4几种因素对于MCCB开断过程的影响 4.1 电弧电压的影响改变电弧电压的上升时间 (速度) ，分别计算 t1为2和4ms时MCCB的开断过程。具体计算条件如表 1所示。 机构主轴和动导电杆的转动角速度随时间的变化
14、曲线、 (c) 中1 和 2 分别 为两者的电弧电流和电压曲线。 (1) 在电动斥力的作用下，动导电杆先于机构 运动；(2) 在动导电杆开始运动时，电动斥力的数值在 A 点有一个突降，这是 因为由于电流收缩引起的 Holm 消失引起的； (3) 机构主轴开始高速运动后，在 B 点跟上动导电杆的运动，而此时动导电杆的存在必然增大机构运动的负荷， 因此在 B 点时机构运动速度有所降低，随后机构带动动导电杆一起运动； (4) 减小 t1 ，也就是说电弧运动速度较快，长度也较长，使得电弧电压上升加快， 从而限流效果更加明显。 同时，由于电流较小，相应地，产生的作用在动导电 杆上的电动斥力也减小，从而使
15、得机构带动动导电杆一起运动的负担加重，降 低了机构的动作速度。此外，提高电弧电压的峰值，也就是 U0,也可以产生同样的影响。4.2合闸相角的影响根据表1所示的计算条件，t1 = 4 ms时，改变合闸 相角的值。从图中可以看出： (1) 增大合闸相角，触头的斥开时间提前，短路电流峰 值时间也提前； (2) 增加合闸相角，由于电动力衰减较快，动导电杆返回趋势越 来越明显，从图 8(b) 中可以看出，动导电杆的运动速度有一段下降区间，直到 A 点后，机构带着动导电杆一起运动。4.3 预期短路电流有效值的影响假设电弧电压特性不变，改变预期短路电 流的有效值，分别计算1、2.5、10 kA时MCC的开断
16、过程。具体计算条件如表2所示：图9为计算的结果。其中(a)(b)(c)分别为I = 1kA、2.5kA和10kA 时的电动斥力、机构主轴和动导电杆的转动角速度随时间的变化曲线。(1) 当I二1kA时，由于电流较小，产生的电动斥力不足以克服触头预压力 而使触头打开，只有当机构的转角超过超程以后，在机构的带动下，动导电杆 才开始运动； 当I = 2.5kA时，动导电杆在电动斥力的作用下，试图开打， 但是由于打开后Holm即消失，作用在动导电杆上的力急速下降，动导电杆即回 落，直到机构开始动作并带动其一起运动；(3)当I = 10kA时，产生的电动斥 力足以使动导电杆高速运动； (4) 存在一个临界电流，使得动导电杆处于是否回 落运。4.4 机构开始动作时间 ts 的影响在 4kA 预期电路电流有效值时，改变机 构开始动作的时间ts，分别计算ts = 4ms和9ms时开断过程。其中1和2分 别为ts = 4ms时主轴和动导
