考慮電動力效應的高壓斷路器動力學特性仿真分析
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1引言對斷路器的動力學特性進行仿真分析，有利于實現斷路器的優化設計；并且研究斷路器在故障狀態下的動作特性，能夠為斷路器的狀態檢測提供理論依據。對斷路器動力學特性的研究，以往采用的方案是：列出斷路器運動部件的運動學方程和動力學方程組；采用適當的數值求解方法求解方程組；采用可視化仿真方法給出運動部件的運動過程和有關運動參數[1]。這種研究方案對于簡單的運動系統是比較有效的，尤其在低壓電器機構運動特性的研究中得到了成功應用[2-3]。但對于復雜的機械系統，例如高壓斷路器的操動機構，由于部件眾多，各部件之間的約束關系也增多，動力學方程組的復雜性迅速增加，這種方案顯得力不從心，為此需要尋求別的解決方案。
多體動力學仿真軟件的出現為解決這個問題提供了一種很好的手段。ADAMS軟件包是目前世界范圍內使用最廣泛的機械系統仿真分析軟件之一[4]。它可以方便地建立參數化的實體模型，并采用多體系統動力學原理，通過建立多體系統的運動方程和動力學方程進行求解計算[5]。跟傳統的仿真方法相比，采用ADAMS進行仿真避免了繁瑣的建立方程組和求解方程組的工作，使得用戶能夠將主要精力放在所關心的物理問題上，從而極大地提高了仿真效率。本文基于多體動力學原理，利用ADAMS軟件包建立了VS1型真空斷路器操動機構的動力學模型，并用試驗對模型的有效性進行了驗證。同時，本文還建立了真空斷路器電動力計算模型，將開斷[r2]過程中的電動力分為洛侖茲力和霍爾姆力。以上述兩個模型為基礎，對斷路器短路開斷過程進行了仿真，研究了不同開斷條件下電動力對斷路器機械特性的影響，此后采用試驗的方法對仿真結果進行了驗證，從而為斷路器的優化設計和狀態檢測提供了必要的理論依據。2VS1型真空斷路器動力學模型的建立和驗證利用ADAMS建立的VS1型真空斷路器動力學模型如圖1所示。圖中所示模型隱含了大量的運動學方程和動力學方程。ADAMS軟件通過求解這些封裝在內部的方程組實現動力學仿真。　

　為了確定仿真模型是否符合實際情況，本文利用高精度導電塑料角位移和直線位移傳感器分別測試了斷路器分合閘過程中，主軸角位移曲線和絕緣拉桿底部的直線位移曲線。同時，在ADAMS軟件中測試仿真模型的相關參數。圖2給出了分閘過程仿真與實測曲線對比結果。　

　從圖2可以看出，仿真模型的輸出曲線跟實際樣機的輸出曲線吻合得較好。此外，還對仿真模型的其它機械參量進行了測試，這些測試結果都證明了仿真模型的正確性和有效性。3考慮電動力效應的斷路器動力學特性仿真開關電器中的電動力直接影響著電器的工作性能。當發生短路故障時，斷路器要迅速開斷短路電流，在此過程中，動靜觸頭之間產生很大的電動力，這個力必然會影響斷路器的機械特性，尤其是分合閘速度。考慮到各相導體之間的電動力對于分合閘速度的影響并不大，故本文僅分析動觸頭所受到的電動力。動觸頭所受到的電動力由兩部分組成[6]，一部分是由于電流在磁場作用下產生的洛侖茲力（Lorntz-force）FL，另一部分是由于觸頭接觸處電流線收縮產生的霍爾姆力（Holm-force）FH。本文的仿真對象VS1型真空斷路器所用觸頭具有杯狀縱磁結構，如圖3(a)所示。為了計算洛侖茲力，需要建立計算模型，首先作如下假設：　

　（1）電流在導體表面中心位置沿無限細的路徑流動，即忽略導體截面對電動力的影響。（2）動靜觸頭閉合時，其實