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研究与分析 ?
真空断路器弹簧操动机构的
动力学仿真分析米
王金龙 ． 姚 进
四川大学 制造科学与工程学院，四川 成都 610065
摘 要：建立了真空断路器弹簧操动机构虚拟样机模型，在凸轮机构接触副碰撞
函数中采用变刚度系数对断路器的分／合闸过程进行仿真分析。仿真得到绝缘拉杆和
动触头的行程及速度特性曲线，同时对断路器进行分／合闸操作试验测得相应 的运动
男，研 究 方 向 为
特性 ，并将仿真结果与试验结果进行对比分析 ，仿真输出与试验结果吻合较好。进一
CAD／CAM ／CAE。
步与凸轮机构接触副碰撞函数采用常数刚度系数动力学仿真结果进行速度及加速度
等瞬态特性 比较分析表明，在弹簧操动机构中引入变刚度系数的虚拟样机模型具有真
实性和必要性。为优化设计、疲劳分析及整体可靠性提供依据和指导。
关键词：真空断路器 ；刚体仿真 ；变刚度系数 ；可靠性
中图分类号：TM561．2 文献标志码：A 文章编号：14 01-0011-05
DynamicsSimulationandAnalysisofSpringOperating
M echanism forVacuum CircuitBreakers
WANGJinlong．
CollegeofManufacturingScienceandEngineering，SichuanUniversity，Chengdu610065，China
Abstract：Byusingautomaticdynamicanalysiso
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高压断路器的操动机构|各​种​操​动​机​构​的​介​绍
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真空断路器操动机构研究与创新.pdf64页
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西南交妞大学研究生学位论文
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断路器操动机构的发展与应用二
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　③油泵低压侧有空气;
　　④油泵大修后，柱塞在组装时没有注入适量液压油或柱塞杆及珠塞座没有擦干净，柱塞间隙配合过大，吸油阀钢珠不复位;一、二级阀密封不严，可能存在阀口磨损或球托翻倒;。
　　(3)处理方法
　　①清洗滤油器及油泵;更换全部密封圈;
　　②检查高压放油阀是否复位，如损坏应更换;
　　③多次打压排出油泵内空气;应重新组装各级分、合闸阀。
　　2.3 液压操动机构压力异常升高或异常降低
　　(1)故障现象;断路器在运行中出现压力异常，严重时导致高压闭锁分、合闸或压力降低至零位。
　　(2)压力异常升高原因分析
　　①微动开关1YLJ(1CK)失灵，使储压罐活塞杆超过1YLJ位置时，电机电源无法切断，继续打压;
　　②储压罐密封圈损坏或者罐壁有磨损，液压油进入储气罐;
　　③压力表失灵或存在误差;
　　④中间继电器“粘住”，其触点断不开;接触器卡滞，电机始终处于运转状态。
　　(3)压力异常降低原因分析
　　①压力表失灵或存在误差;
　　②机构箱内有大量漏油处，阀体被油中脏物“垫起”或胶圈损坏(此时油泵会连续运转);
　　③如储压罐连杆在正常停止位置而压力继续降低，则是压力罐焊缝处可能存在渗漏现象;
　　④氮气缸上单向逆止阀密封不严漏气或储压罐活塞杆头部两个密封圈损坏，使氮气进入油中。
　　(4)处理方法
　　①检查微动开关、压力表、中间继电器、接触器，如损坏应更换，对微动开关触点进行打磨;
　　②检查储压罐，如罐体损坏应更换;更换全部密封圈;
　　2.4 故障现象;压力低于重合闸或合闸闭锁值
　　(1)油压远低于重合闸闭锁值，接近合闸闭锁值。
　　(2)原因分析：CY3型液压操动机构在运行中，当室外温度发生较大变化时，由于氮气的热胀冷缩(航空油的热胀冷缩系数极小，可以忽略不记)现象，使氮气压强随温度变化而变化，即使压力油压随着变化，此时活塞杆几乎不会上下移动。微动开关2YJ的位置是在常温(25℃)下调整好的，在零下10℃时，氮气压强下降2.92 MPa。该装置设定油泵启动值为27.3 MPa，停泵值为27.9 MPa，假设温度降低35℃，则油压降低到24.38 MPa，油泵才能启动打油，但此 时的油压远低于重合闸闭锁值，接近合闸闭锁值，对设备的安全运行构成威胁。
　　(3)改进措施;设备制造厂在解决这个问题时，采用在贮压筒下部安装一个发热器，但在实际运行中，天气冷时发热器由于长期频繁加热，容易烧毁，实用价值不是很大。建议采用下述两种方法消，效果较好。
　　①文献[1]采取消用微动开关2YJ控制油泵启动，改用接在油路上的压力开关1YK控制;取消用微动开关1YJ控制油泵停运，改用接在油路上的压力开关2YK控制。在实际应用中，由于油路压力开关1YK、2YK的启停参数具体设定时，控制系统的滞后较大，并受扰动的因素较多易造成压力异常，故采用2YJ和1YK，1YJ和2YK串联的方式控制油泵的启停，提高了油压控制系统的可靠性。
　　②根据文献[1]对贮压筒进行改造，如图2所。在贮压筒上部加装一个调压活塞贮压筒顶部改用密封盖板密封，密封盖板与贮压筒用加密封垫螺栓联接，在调压活塞与密封盖板之间加一个调压弹簧，其空间充灌润滑脂(注意要保留一定空间)。调压弹簧对调压活塞作用的压强值为原装置油泵停运时的油压值，即调压弹簧的弹力选择为调压活塞截面积与原装置油泵停运时的油压值的乘积。
　　当由于装置油渗漏或断路器操作中使用了一定体积的压力油时，活塞同样正常向下移动。为保证油泵能正常打油补充，此措施可以在油压下降时，由于调压活塞两边压差的作用，调压活塞向下运动，压缩氮气体积，提高氮气压强，保证了油压基本恒定。当环境温度改变时，氮气压强改变，调压活塞亦能上、下运动自动调节氮气压强，保证油压基本恒定。
　　润滑脂主要用来作为调压活塞与贮压筒内壁间的密封，防止氮气泄漏，当运行时间过长，调压弹簧弹力降低时，可拆开密封盖板更换调压弹簧。使用该改进装置，任何情况下油压基本恒定，提高了断路器运行中的安全可靠性。
　　3 永磁操动机构的发展概况
　　自1989年英国曼彻斯特大学系统与能量组为GEC公司设计了第一台永磁操动机构模型起，永磁操动机构就成了世界各国开发的热点。永磁操动机构的显著优点是：结构简单零部件少，可靠性高及操作能耗小。当其与真空断路器配合使用，组成自动重合器系统，应用于变电站(开关柜)和柱上开关，使配电网的可靠性和自动化程度有很大提高。在欧洲市场已出现以电池作为操作能源，可10年免维护的永磁操动机构及控制系统。上世纪末，国际上永磁操动机构的发展概况大致如下：
　　ABB Calor Emag开关设备公司，在1997年开发了一种新型利用永磁操动机构的VM1型真空断路器。操动机构是永磁方形双线圈结构，仅用7个活动元件代替了由数百个零件组成的传统结构。在10万次操作寿命中不需维修，是传统操动机构的3倍。目前VM1真空断路器的额定电压为12175和24kV，额定电流为A，额定开断电流为25～50kA。
　　英国IPEC公司的永磁操动机构采用圆粒形双线圈结构，并且把永磁体由静铁芯移到了动铁芯。
　　荷兰Holec 公司的MMS型真空断路器采用的永磁操动机构其特点是：合闸、合闸保持和分闸的磁路是分开的，只有合闸位置靠永磁体保持，机构的终止位置是分闸位置，分闸操作仅靠开关触头的弹簧力和分闸弹簧力，通过合闸线圈使之释放能量。它的短路开断电流为31.5kA，分合闸时间偏差不超过1ms。
　　国内在近一、二年里，一些高等院校、研究机构及从事高压断路器产品开发制造的公司，正开展永磁操动机构的研制，也已开发出了一些初级阶段的产品，还未形成系列化产品，性能也很不稳定。
　　根据专家的估计，国际上这一领域内系统的理论还远未成熟，还有许多实验研究工作要做。国内的理论及实验研究工作还刚刚起步。因此这种使用新材料、新工艺及新原理，使真空断路器的磁力驱动装置实现低能耗，高可靠性的永磁操动机构的研究发展前景及市场前景将是十分宽阔的。
　　传统的电动弹簧操动机构及电磁操动机构，由于它们的结构复杂，可靠性低，能耗大，成为提高真空断路器的可靠性和提高其免维护水平的障碍。同时，由于断路器是实现配电网控制的关键电气设备，因而传统操动机构也制约了配电网自动化，运动化和智能化的发展。
　　而永磁操动机构比传统操动机构，其结构大为简单，合、分闸能耗大大降低，从而能极大的提高了真空断路器的运行可靠性和免维护水平，并为配电网实现自动化、运动化、智能化提供了必要的技术条件。
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