魏明明，鄭雪欽，楊長洲,易榮先

(1.廈門理工學(xué)院電氣工程與自動化學(xué)院，福建 廈門 361024；2.ABB(中國)有限公司廈門分公司，福建 廈門 361006)

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基于ADAMS的新型PT保護(hù)裝置快速脫扣機(jī)構(gòu)

魏明明1，鄭雪欽1，楊長洲2,易榮先1

(1.廈門理工學(xué)院電氣工程與自動化學(xué)院，福建 廈門 361024；2.ABB(中國)有限公司廈門分公司，福建 廈門 361006)

基于SOLIDWORKS建立新型PT保護(hù)裝置快速電磁脫扣機(jī)構(gòu)模型，并在機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)自動分析(automaticdynamicanalysisofmechanicalsystem，ADAMS)中建立快速脫扣機(jī)構(gòu)虛擬樣機(jī)，通過對虛擬樣機(jī)進(jìn)行理論力學(xué)分析、動力學(xué)仿真，得到快速脫扣機(jī)構(gòu)在臨界脫扣時預(yù)壓緊彈簧力與分閘力的關(guān)系曲線，發(fā)現(xiàn)小的預(yù)壓彈簧力(20N)需要大分閘力(60N)才能脫扣.樣機(jī)脫扣實驗驗證了此種關(guān)系.此機(jī)構(gòu)有效節(jié)省了整體裝置因復(fù)雜連桿機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的成本.

快速脫扣機(jī)構(gòu)；預(yù)壓緊彈簧；PT保護(hù)；三維建模；ADAMS仿真

10kV配電網(wǎng)系統(tǒng)直接關(guān)系著電力用戶的切身安全，其安全性、可靠性、穩(wěn)定性至關(guān)重要.電壓互感器作為系統(tǒng)中重要的測量與監(jiān)控設(shè)備，為系統(tǒng)的安全與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供了保障[1].目前，系統(tǒng)中通常采取在電壓互感器一次側(cè)串聯(lián)熔絲的方式，以保護(hù)電壓互感器內(nèi)部故障或與系統(tǒng)連接線的故障.熔絲故障電流快速熔斷特性很好地保障了電壓互感器在故障電流時能夠快速切除，以保證電壓互感器自身和系統(tǒng)不受影響.然而，根據(jù)現(xiàn)場運(yùn)行經(jīng)驗，隨著系統(tǒng)容量不斷增大，用于保護(hù)電磁式電壓互感器的熔絲經(jīng)常發(fā)生不動作或是熔絲出現(xiàn)異常熔斷現(xiàn)象，嚴(yán)重時導(dǎo)致電壓互感器的燒毀，對系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)可靠運(yùn)行帶來極大的威脅[2-4].

雖然熔絲結(jié)構(gòu)簡單，但熔斷器的單次開斷特性帶來的頻繁更換將造成不同程度的停電事故，且熔斷器熔絲更換麻煩，價格昂貴.熔斷器開斷過程容易影響環(huán)境，嚴(yán)重時甚至發(fā)生爆炸事故.因此有必要研究設(shè)計一套新的保護(hù)裝置以實現(xiàn)對電壓互感器的有效、多次、可靠開斷保護(hù).本文通過SOLIDWORKS建立了PT新型保護(hù)裝置快速脫扣機(jī)構(gòu)的3D模型，在ADAMS中建立了新型PT保護(hù)裝置虛擬樣機(jī)型，并對脫扣裝置進(jìn)行了力學(xué)分析和動力學(xué)仿真，為PT新型保護(hù)裝置設(shè)計提供了一定的理論依據(jù).

1 新型保護(hù)裝置建模

所設(shè)計電壓互感器一次側(cè)新型保護(hù)裝置參考模型如圖1所示，它主要由真空滅弧室、快速電磁脫扣機(jī)構(gòu)和保護(hù)對象電壓互感器構(gòu)成.

所設(shè)計的快速電磁脫扣機(jī)構(gòu)如圖2所示，勵磁線圈串聯(lián)在電壓互感器一次回路中，當(dāng)PT一次高壓側(cè)出現(xiàn)電流過大時，電磁線圈在機(jī)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生磁通，電磁滑塊在此磁通作用下受到電磁吸力向下壓縮彈簧運(yùn)動，脫扣小球因受到電磁滑塊預(yù)壓力減小而釋放分閘拉桿，完成分閘操作.

2 新型保護(hù)裝置的電磁脫扣機(jī)構(gòu)理論力學(xué)分析

在電磁脫扣裝置處于閉合狀態(tài)時，機(jī)構(gòu)內(nèi)各元件應(yīng)處于靜態(tài)平衡位置，因此可對各機(jī)構(gòu)原件進(jìn)行靜態(tài)受力分析.初始條件及各參數(shù)設(shè)定：分閘拉桿分閘力F分，預(yù)壓彈簧預(yù)壓力F預(yù)，觸頭自閉力F自閉，動觸頭重力G動，分閘拉桿重力G分，小球、電磁滑塊重力G球、G滑，小球?qū)瓧U的作用力F1～F6，小球?qū)涨坏淖饔昧7，小球?qū)﹄姶呕瑝K的作用力F8，規(guī)定作用力與反作用力均取F′.

2.1 分閘拉桿受力分析

電磁脫扣機(jī)構(gòu)在合閘位置時靜態(tài)受力分析如圖3所示.

由拉桿處于靜態(tài)平衡位置分析可知，其在X、Y軸方向上受力處于平衡，且由對稱性可知，6個小球在X軸分力相互抵消，合力為零，所以在Y軸方向上有：

(1)

式中，θ1為小球?qū)瓧U作用力與Y軸方向夾角.因此由式(1)可得：

(2)

2.2 電磁滑塊受力分析

在Y軸方向上有：

(3)

即：

(4)

2.3 小球受力分析

X軸方向：

(5)

Y軸方向上：

(6)

式中，θ3為空腔作用點(diǎn)與小球球心連線與Y軸的夾角，可通過實際機(jī)構(gòu)模型測量得到.將式(5)代入式(6)消去F7可得：

(7)

再將式(4)代入式(7)可得：

(8)

聯(lián)立式(6)、式(8)可得：

(9)

代入脫扣小球和電磁滑塊重力G球=0.05 N、G滑=0.4N、F保持=150 N、F分=300N，可得裝置保證合閘所需預(yù)壓緊力為：

(10)

因此可以由式(10)計算得到不同分閘力情況下脫扣裝置保證合閘所需預(yù)壓緊力值，如表1所示.

表1 不同分閘力下裝置合閘所需預(yù)壓緊力

3 電磁脫扣裝置ADAMS仿真分析

為了仿真得到電磁脫扣裝置在合閘狀態(tài)預(yù)壓彈簧力和分閘彈簧力的關(guān)系，將SOLIDWORKS模型導(dǎo)入到ADAMS中，并設(shè)置相關(guān)材料及約束關(guān)系，建立起電磁脫扣裝置的虛擬樣機(jī)[5-7]，其模型如圖4所示.

為了保證PT新型保護(hù)裝置在正常運(yùn)行狀態(tài)時能夠可靠地閉合，對所設(shè)計的初始分閘彈簧預(yù)壓力，需匹配相應(yīng)的初始預(yù)壓緊彈簧預(yù)壓力，彈簧勁度設(shè)置為10N/mm，初始預(yù)壓力設(shè)置為150N.通過仿真求解脫扣裝置能夠保持鎖扣狀態(tài)下預(yù)壓彈簧預(yù)壓值.通過參考預(yù)壓彈簧力理論計算值，仿真得到脫扣機(jī)構(gòu)臨界動作所需預(yù)壓力.當(dāng)設(shè)置預(yù)壓緊彈簧預(yù)壓力為75N時，勁度系數(shù)設(shè)置為5N/mm，仿真得到動觸頭速度和位移曲線如圖5所示.

圖5中，當(dāng)分閘彈簧力設(shè)置為150N，預(yù)壓緊力設(shè)置為75N時，動觸頭在5ms時速度明顯增大，且在15ms左右時速度達(dá)到最大值1.8m/s.同時，動觸頭位移不斷增大，在大約25ms時保持不變，說明完成脫扣動作.當(dāng)繼續(xù)增大預(yù)壓緊彈簧力至80N時，仿真結(jié)果如圖6所示，從圖6中可以看出，在仿真剛開始時，動觸頭速度和位移出現(xiàn)微小變化，說明此時動觸頭在分閘力作用下出現(xiàn)輕微震動，但后面觸頭速度幾乎為零，位移幾乎不變，說明在80N預(yù)壓力下，分閘力為150N時無法完成脫扣動作.

為了能夠得到分閘彈簧預(yù)壓力和預(yù)壓彈簧預(yù)壓力的關(guān)系，通過在仿真過程中設(shè)置不同預(yù)壓彈簧力的值，得到裝置臨界脫扣狀態(tài)時所需分閘彈簧預(yù)壓力值.同時為了能夠更加清楚了解不同預(yù)壓彈簧勁度系數(shù)對脫扣特性的影響，分別進(jìn)行了兩組不同預(yù)壓彈簧勁度仿真，所得結(jié)果如圖7所示.

4 實驗驗證

為了得到PT新型保護(hù)裝置在正常工作作態(tài)時預(yù)壓緊彈簧力與分閘彈簧力的關(guān)系，需對電磁脫扣裝置[8-9]進(jìn)行臨界脫扣驗證實驗，裝配好的脫扣裝置如圖8所示.圖8(a)為預(yù)壓裝置實物圖，圖8(b)為將預(yù)壓裝置裝入后實物圖.

利用DTL-彈簧抗壓強(qiáng)度測試儀對所購兩種不同規(guī)格預(yù)壓緊彈簧勁度系數(shù)K1、K2和分閘彈簧勁度系數(shù)K3進(jìn)行測量，測量方法為利用彈簧拉力在垂直方向拉預(yù)壓緊彈簧，并記錄不同壓縮量下彈簧拉力計的值，結(jié)果如表2所示.由表2中所測數(shù)據(jù)可以得到：K1=1.86 N/mm，K2=2.32N/mm，K3=7.56 N/mm.

表2 彈簧勁度實驗數(shù)據(jù)表

表3 預(yù)壓開斷實驗數(shù)據(jù)表

通過對電磁脫扣裝置理論分析、動力學(xué)仿真及實驗結(jié)果繪制曲線(如圖8所示).可以看到，相同預(yù)壓緊力下，實驗所得脫扣所需分閘力相對較大，與仿真和理論分析結(jié)果之間存在較大差值.造成這一原因可能是因為零部件尺寸較小，尤其是電磁空腔內(nèi)小球接觸處尺寸較為精細(xì)，在進(jìn)行加工過程中可能存在小瑕疵，造成脫扣更困難，即增大脫扣所需分閘力.同時通過觀察兩組仿真曲線結(jié)果，可以看到預(yù)壓緊彈簧勁度對于裝置的脫扣性能影響不大.

5 結(jié)論

本文通過SOLIDWORKS建立了PT新型保護(hù)裝置快速脫扣機(jī)構(gòu)3D模型，并在ADAMS中建立了新型PT保護(hù)裝置虛擬樣機(jī)型，通過對脫扣裝置理論力學(xué)分析，實現(xiàn)了脫扣裝置的動力學(xué)仿真，得到了脫扣裝置在不同預(yù)壓彈簧力作用下所需分閘彈簧力，并通過對樣機(jī)進(jìn)行脫扣實驗得到相關(guān)數(shù)據(jù).最后，通過對比理論分析、仿真和實驗所得結(jié)果，確定滿足要求的分閘彈簧力和保證裝置不脫扣所需的預(yù)壓緊力，為PT新型保護(hù)裝置設(shè)計提供了依據(jù).

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(責(zé)任編輯 雨 松)

A Fast Trip Actuator for a New PT Protector Based on ADAMS

WEI Mingming1，ZHENG Xueqin1，YANG Changzhou2，YI Rongxian1

(1.SchoolofElectricalEngineeringandAutomation，XiamenUniversityofTechnology,Xiamen361024，China;2.ABBChina，XiamenBranch，Xiamen361006，China)

AfastelectromagnetictrippingmechanismofnewPTprotectiondevicewasmodeledbasedonSOLIDWORKS，andavirtualprototypeofitestablishedinADAMS(automaticdynamicanalysisofmechanicalsystem).Byanalyzingthetheoreticalmechanicsanddynamicsimulationofthevirtualprototype，therelationshipcurvebetweenthepreloadspringforceandtheopeningforcewasacquired.Itwasconcludedthatasmallpreloadspringforce(20N)needsalargebrakeforce(60N)torelease.AreleaseexperimentVerifiesthatthenewmechanismcancouldreducethecostforcomplexlinkagefortheentiredevice.

fastactuator；preloadspring;PTprotection;3Dmodelling;ADAMSsimulation

2016-05-26

2016-08-24

魏明明(1990-)，男，碩士研究生，研究方向為高電壓技術(shù)與絕緣.通訊作者：鄭雪欽(1975-)，女，副教授，博士，研究方向為電機(jī)控制及電力電子技術(shù)應(yīng)用.E-mail:zhengxq219@163.com

TM451;TP

A

1673-4432(2016)05-0030-06