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永磁式真空断路器的仿真建模与故障分析发布时间:2017-9-14 | 来源:浙江武高电力科技有限公司

AMS 软件分析了整个机构的分合闸动作特性 。 仿真研究找出了断路器电特性、力特性和机构运动特性的相互关系。 相比于传统的弹簧机构真空断路器而言,永磁机构真空断路器结构简单,可靠性高。 但对于机械特性的仿真研究而言 , 弹簧机构只需要使用多体动力学软件 ( 如 ADAMS) 进行一体化仿真 ,永磁机构还需要结合电磁场和电磁力的仿真 ,更加复杂 。 提升 ,而智能电力设备作为智能电网的节点基础 ,不仅要具有传统电力设备强电控制功能 , 还要具有 在线监测和智能诊断的功能 。 加强对智能电力设备 运行状态的监测与诊断 , 提前发现潜在故障 ,对 电力系统的安全运行具有非常重大的意义 。 真空断路器在中压配电网中应用非常广泛, 担任着重要的角 色 [6-8] 。 对其机 械特性 进 行 深 入 研 究, 配合在线监测技术实现断路器运行状态的目前 , 对永磁真空断路器的机械特性仿真研究还较 少 。 沈阳工业大学 、 西南交通大学 、 西华大学等单位 开展了相关研究 , 但主要针对永磁机构的设计与优 化[19-21]。 笔者主要针对机械状态的在线诊断 , 对永磁 机构开展仿真研究。 研究工作模拟了分闸电流过 小 , 合闸电流过小 , 分闸弹簧刚度系数过大 , 分闸弹 簧刚度系数过小 , 一相分闸弹簧脱落及油缓冲失效 等 6 种故障情况 , 得到了故障情况下主轴角位移行 程曲线和控制线圈电流波形的变化规律 。 采用四参 数法等分析方法获取了关键的机械状态特征参数 , 为断路器机械状态的在线诊断提供了判断依据 。 笔 者的研究方法对于永磁式真空断路器的在线监测 与故障诊断具有推广应用价值 。 [22] 图2 永磁机构结构及合闸时刻磁场分布图 Fig. 2 Configuration of permanent magnet actuator and its magnetic field distribution at closing moment 1 仿真模型的建立与实验验证 使用 ADAMS 软件建立的断路器多体动力学模 的输入参数 , 就可以在多体动力学模型中获得准确 的分合闸电动力 。 为了验证仿真模型 , 将仿真得到的绝缘拉杆 ( 见 图 1) 分合闸行程曲线与实验进行对比 , 结果见图 型见图 1 。 3 、4 。 图3 图1 断路器多体动力学模型 合闸行程曲线的仿真与实验对比 Fig. 3 Comparison of numerical and experimental Fig. 1 Multi-body model of the circuit breaker closing-displacement curves for insulating bar 采用双线圈单稳态永磁机构 , 同时控制断路器 3 相分合闸操作线圈部分没有放到多体动力学模型中 。 线圈和永磁体 作用于动铁心的电磁力 , 是通过 ANSOFT 软件分析 得到 , 并作为模型参数输入到多体动力学模型中 。 应 用 ANSOFT 软 件 建 立 的 永 磁 机 构 电 磁 力 计 算模型与典型磁场分布见图 2 。 应用图 2 所示的电磁力仿真模型 , 将分合闸线 圈电流和动静铁心距离作为输入参数 , 即可求取动 铁心获得的电磁力 。 将不同电流 、 不同动铁心位置 下获得电磁力做成网格数据 , 导入到 ADAMS 仿真 软 件中 , 可 以 得 到 以 分 合 闸 电 动 力 为 应 变 量 , 以 分 合闸电流和动静铁心之间的距离为自变量的曲面 。 在此基础上 , 将实验测试得到的分合闸线圈电流曲 线通过 AKISPL 插值函数拟合 , 作为 ADAMS 软件 Fig. 4 图4 分闸行程曲线的仿真与实验对比 Comparison of numerical and experimental opening-displacement curves for insulating bar 图 3 、4 中 , 同一时刻仿真与实验结果的差异不 超过 5%( 滤除实验结果的毛刺后比较 ) , 说明仿真能 够较为真实地反映断路器分合闸特性 , 验证了仿真 模型的正确性 。 · 38 · 2014年 5 月 第 50 卷 第 5 期 2 典型故障的仿真分析 永磁式真空断路器运行过程中出现的常见故 闸弹簧力最大约 3 000 N 。 因为分闸弹簧的存在 , 使 得分闸线圈电流下限降幅大于合闸线圈电流 。 2.2 分闸弹簧故障 针对分闸弹簧刚度系数过大、 过小以及一相 障有永磁机构的线圈电路故障 、 分闸弹簧故障 、 油 缓冲器失效故障等 。 笔者针对这些故障 , 通过仿真 求取故障状态下线圈电流波形与分合闸过程中的 主轴 角 位 移 行 程 曲 线 , 与 正 常 情 况 进 行 对 比 , 为 机 械状态的智能诊断提供依据 。 分闸弹簧脱落的故障类型 , 进行仿真研究 。 分闸弹 簧的刚度系数标准值为 34 N/mm 。 研究发现 , 当分 闸 弹 簧 刚 度 系 数 增 加 到 正 常 至 120 % 以 上 时 ( K = 40.8 N/mm) , 不 能 可 靠 合 闸 ; 当 分 闸 弹 簧 刚 度 系 统 减 小 到 正 常 值 的 60 % 以 下 时 ( K =20.4 N/mm) , 不 能 可靠分闸 。 刚度系数分别为 20.4 、 34 、 40.8 N/mm 时 的合闸与分闸主轴角位移曲线对比图见图 6 。 2.1 永磁机构的线圈电路故障 永磁机构的线圈电路故障主要反映为电流过 小 / 过大 、 通流时间过短 / 过长几种类型 。 线圈电流过 大与通流时间过长会导致线圈烧坏 , 产品中有明确 的阈值规定 [23-24]。 对于线圈电流过小和通流时间过 短 , 产品则缺乏定量指标 。 为此 , 笔者仿真研究了电 流的下限阈值 。 断路器合闸线圈的标准电流为 30 A(平均值),分 闸线路的标准电流为 2 A。 仿真发现 ,当合闸线圈电 流低于标准电流 80%(即 24 A)时 ,断路器不能完成合 闸操作; 当分闸线圈电流低于标准电流 60%(即 1.2 A) 时,断路器不能完成分闸操作 。 考虑到实际应用中断 路器摩擦力参数的不确定性 ,比如产品相互之间的差 异 ,长期静置后摩擦力增大等 , 分合闸线圈电流的下 限阈值应设置得更高 ,以留足裕量 。 标准电流与下限 电流时分合闸角位移行程曲线对比见图 5。 图6 分闸弹簧刚度系数对角位移曲线影响 Fig. 6 Influence of stiffness factor of opening spring on the angular displacement curve 一相分闸弹簧脱落后 , 对合闸而言少了反力 , 对 分 闸 而 言 少 了 动 力 ,因 此 合 闸 速 度 会 增 大 ,分 闸 速度会降低 。 角位移行程曲线见图 7 。 2.3 油缓冲器故障 油缓冲器漏油过多导致液压缓冲力严重不足 , 视为油缓冲器失效 。 这时 , 在分闸后期由于没有足 够的缓冲力 , 会使得分闸结束时动触头运动速度过 大 , 分闸弹跳程度和次数会增加 。 油缓冲失效时的 分闸角位移行程曲线见图 8 。 图5 正常与下限电流时的角位移曲线 3 基于主轴角位移曲线的断路器故障诊断 从图 5-8 可以看出 , 正常与故障情况下角位移 Fig. 5 Angular displacement curves for standard and floor level coil currents 行程曲线具有明显的差异 , 甚至对不同故障类型也 有所不同 。 虽然如此 , 如何通过在线监测系统判别 故 障 ,并 区 分 故 障 类 型 ,仍 然 是 当 前 断 路 器 智 能 化 研究的重要课题 [25-26]。 合闸过程中的驱动力主要是动铁心电磁力 , 而 分闸过程中的驱动力包括动铁心电磁力和分闸弹 簧力 。 仿真得到的分闸电动力最大值为 4 700 N , 分 研究与分析 王帮田,姜亚军,张 杰,等. 永磁式真空断路器的仿真建模与故障分析 · 39 · 器发生漏油导致分闸回弹较大的情况下, 第 4 阶 段 将 有 一 定 斜 率 [23] 。 合闸过程与分闸过程的力作用时序基本相反 , 因此同理可将合闸过程也分为 4 个阶段 。 在此基础 上 , 可将分合闸角位移行程曲线按照上述 4 个阶段 进行参数化描述 , 见图 9 。 对标准分合闸角位移曲线 的 4 个阶段分别求取斜率 , 得到 4 个阶段的平均角 速度 (v1-v4) , 作为故障识别的关键参数 。 图7 一相分闸弹簧脱落下的角位移曲线 Fig. 7 Angular displacement curve for the detach of an opening spring 图9 4 参数法分析图 Fig. 9 图8 油缓冲失效故障分闸角位移曲线 Schematic diagram of 4 parameters method 针对正常与故障情况下的合闸与分闸角位移 行程曲线 , 用四参数法得到的关键参数见表 1 、2 。 表 Fig. 8 Angular displacement curve for oil buffer failure 根据受力情况的不同, 把分闸过程分为 4 个 阶段: 第 1 阶段为从主轴开始运动到三相触头都 断开为止, 这一阶段操动机构运动过程主要受触 头弹簧分闸动力、 分闸弹簧分闸动力、 动铁心电 磁力和摩擦阻力的作用; 第 2 阶段为三相触头断 开时刻到主轴上的缓冲拐臂跟油缓冲器刚接触 1 、2 中数据说明 , 可以在一定监测误差的条件下 , 通 过四参数法对分合闸角位移行程曲线进行分析 , 在 线诊断断路器的机械状态 , 识别断路器故障 。 比如 : 对于油缓冲器失效故障 , 在分闸曲线中得出的参数 v4=-0.43, 与正常情况及其他故障类型有明显差异 , 可用于准确识别此类故障 。 (油 缓 冲 器 尚 未 起 作 用), 这 一 阶 段 只 有 分 闸 弹 簧 的分闸动力、 动铁心的电磁力和摩擦阻力作用; 第 3 阶段为从油缓冲器被压缩时刻到油缓冲器被 压缩到最大行程位置为止。 油缓冲器受压缩后产 生一个反力, 以减缓主轴的转动速度, 油缓冲器 被压缩到最大行程时, 分闸锁扣装置已经将断路 器分闸位置锁住。 该部分包括了分闸弹簧分闸动 力、动铁心电 磁力、油缓冲 器 阻 力 和 摩 擦 阻 力 ;第 4 结语 真空断路器作为中压配电网的关键设备 , 在线 获取它的运行状态对于提高配电网安全性非常重 要[27]。 笔者采用 ADAMS 和 ANSOFT 软件相结合 , 对 永磁真空断路器的电特性 、 力特性和机构运动特性 进行了系统的仿真分析 , 得出了这些特性的相互关 系 。 根据在线监测获得的永磁线圈电流波形和主轴 角位移曲线 , 笔者提出了 4 参数法等机械故障诊断 方法 , 并给出了关键的故障判据 。 利用这些判断方 法和 判 据 , 可 以 对 永 磁 线 圈 电 流 过 小 、 分 闸 弹 簧 弹 4 阶段为从油缓冲器被压缩到最大行程时刻到断 路器分闸过程终止时刻。 在真空断路器正常工作 状态下, 第 4 阶段斜率可以忽略不计, 在油缓冲 · 40 · 2014年 5 月 第 50 卷 第 5 期 表1 合闸角位移行程曲线的 4 参数法分析结果 一相分闸弹簧 脱落 合闸电流 分闸电流 Tab. 1 平均角速度 · /(° ms ) -1 Analysis result by 4 parameters method of closing angular displacement curves 分闸弹簧刚度系 分闸弹簧刚度系 数 40.4 N/mm 数 20.4 N/mm 油缓冲失效 正常情况 24 A 0.18 1.32 1.80 0.02 1.2 A 0.35 1.76 2.49 0.02 v1 v2 v3 v4 0.35 1.76 2.49 0.02 0.25 1.51 2.17 0.01 表2 0.41 2.09 3.01 0.01 0.34 1.76 2.53 0.02 0.42 2.07 3.06 0.00 分闸角位移行程曲线的 4 参数法分析结果 一相分闸弹簧 脱落 合闸电流 分闸电流 Tab. 2 Analysis result by 4 parameters method of opening angular displacement curves 平均角速度 · /(° ms-1) 正常情况 分闸弹簧刚度系 分闸弹簧刚度系 数 40.4 N/mm 数 20.4 N/mm 油缓冲失效 24 A


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