DW450-1600操作机构在65 kA短时耐受时的强度分析.pdf

研究与探讨徐琛君（），男，工程师，主要从事低压断路器的设计研发工作。操作机构在 短时耐受时的强度分析徐 琛 君（上海电器股份有限公司人民电器厂，上海 ）摘要：基于 动力学仿真，建立 低压断路器的仿真模型。基于 电磁场仿真，建立低压断路器合闸状态下的触头系统仿真模型，计算出 短时耐受下触头系统所受电动斥力。再将 求出的电动斥力数据耦合至 动力学仿真，计算出 短时耐受下 操作机构的受力情况。最后基于 有限元仿真，建立 操作机构的仿真模型，对操作机构零部件进行强度分析。结果表明，操作机构在 短时耐受电动斥力的作用下受力情况有明显影响。关键词：低压断路器；操作机构；短时耐受；仿真中图分类号：文献标志码：文章编号：（）：引言低压断路器主要用于分配电能和保护线路、电源及用电设备免受过载、欠电压、漏电、接地等故障的危害，具有高精度的选择性保护，提高了供电可靠性。评判低压断路器的分断能力有个关键的指标：为额定极限短路分断能力，为额定运行短路分断能力，为额定短时耐受电流。其中，指标需要低压断路器在合闸状态下承受短路电流 不允许斥开。国内外的学者在研究低压断路器在短时耐受下的影响往往只考虑电动斥力对于动触头系统中接触片上触头弹簧的作用，没有考虑到电动斥力对于低压断路器操作机构的影响。本文根据低压断路器在 短时耐受下电流产生的电动斥力，利用 电磁场仿真计算出 短时耐受下触头系统所受电动斥力，利用 动力学仿真计算合闸状态下 短时耐受下 操作机构的受力情况，利用 有限元仿真计算出 短时耐受下 操作机构零部件的屈服强度，最后耦合研究 短时耐受电流的电动斥力对 操作机构的影响 。低压断路器模型本文研究的对象是某 框架断路器，其中操作机构为行业内统一设计的通用 操作机构。在常用 软件中建立模型，考虑到研究 短时耐受下电动斥力对操作机构的影响，进行短时耐受试验时为三相通电，断路器的状态为合闸状态，建立三极操作机构、动触头系统、静触头系统和灭弧室在合闸状态模型。断路器模型右视图如图 所示。断路器模型俯视图如图 所示。仿真计算以及有限元分析 短时耐受电动斥力仿真计算 框架断路器的动触头系统由多研究与探讨图 断路器模型右视图图 断路器模型俯视图片平行的接触片并联组成，作用在动触头系统上的电动斥力为两个斥力，第一种斥力是由动、静触头合闸后形成回路产生的洛伦兹力，第二种斥力是动、静银点接触时由于电流收缩产生的霍尔姆力。对于洛伦兹力，可以把动触头接触片分为多个单元，则对任何一个单元 对于转轴 的转矩 为力臂 和力密度 的向量积，在整个动触头接触片区域对 进行积分，得到作用在其上对于转轴 的等效电动斥力公式 为：（）（）式中：对转动轴的力矩；等效电动斥力；力臂。对于霍尔姆力，动、静触头在微观下仅是点接触，在这些接触点上就会造成电流收缩集中，霍尔姆力计算公式为 槡（）式中：流经收缩区导体的电流；跟触头表面接触状况有关的系数，取 ；材料的布氏硬度；接触力。本文所研究的 框架断路器触头银点材料为 ，故 取 ，取 。在 中导入 框架断路器的模型，对合闸状态下的模型进行处理，由于只计算 短时耐受情况下的电动斥力，将模型中的操作机构去除；考虑到灭弧室中铁磁材料栅片产生的磁场力对电动斥力的影响，保留灭弧室中所有铁磁材料的模型；根据实际软联结的截面积添加软联结的模型；删除模型中无关影响的绝缘零件、工艺倒角、凸台、孔和螺纹孔；削平动触头系统接触片上银点的圆弧面，使其与静触头上银点保持平行。在 中搭建导电桥模型，用近似霍尔姆力，导电桥位于每片接触片上银点的中心，高度为 ，半径由经验拟合公式计算确定。导电桥模型如图 所示。将处理好后的模型以 格式导出，打开 选择 ；进入 模块点击上方任务栏中 选择 后再将 模型导入，模型导入界面如图 所示；选择默认计算类型静磁场模块；给所有实体添加材料属性，静母排、动母排、软联结和接触片选择铜 ，灭弧室、动触头两侧板、静触头上引弧片选择钢 ，动、静银点选择银 ，接触片转轴选择不锈钢 ；添加求解区域，修改求解区域参数，电流流入和流出方向研究与探讨图 导电桥模型图 模型导入界面为 ，其余设为 。添加激励，根据 中第 （）中试验电流在第一个周波中最大峰值应不小于 倍额定短时耐受电流，对应电流值的 值按表 选择，当电流大于 时，为 。所以本文考虑到 短时耐受电流峰值为第一个波的 倍冲击电流，故用 有效值电流的 倍峰值冲击电流作为激励，选择动母排表面添加流入电流，选择静母排表面添加流出电流；将坐标系移动到接触片转轴中心；选择接触片，添 加 ，选 择 ，类 型 选 择 ，修改转轴对话框，将其改为移动到旋转中心的坐标系，并选择旋转方向，选择银点和导电桥，添加 ，选择 ，类型选择 ；添加网格化参数，选择实体添加 ，根据影响程度和实体大小可选择不同的网格大小；在 添加求解设置，设置为默认即可。点击 验证计算模型与设置，全部通过后点击计算 。电动斥力计算结果如表 所示。表 电动斥力计算结果霍尔姆力洛伦磁力电动斥力 电动斥力与动力学耦合仿真计算将 框架断路器模型导入 中，电动斥力数据已经在 中计算求出，可删除灭弧室模型，点击运动仿真模块，新建仿真，点击动态然后确定，求解器选择 求解器。首先定义连杆。点击连杆选择操作机构主轴后确定，同样方法定义操作机构主轴和动触头系统连接连杆、触头支持和两侧板、接触片和银点、上连杆、下连杆、鸟头连杆、双刀扣片为连杆；然后设置旋转副，点击旋转副，选择触头支持定义旋转中心以及矢量方向，矢量方向采用右手定则，大拇指为箭头方向，四指为旋转方向，同样方法定义操作机构主轴、鸟头连杆和双刀扣片；选择接触片，定义旋转中心和矢量方向，基本连杆选择触头支持，同样方法定义操作机构主轴和动触头系统连接连杆、上连杆和下连杆；为每个旋转副添加阻尼器系数为 。然后添加 接触力。添加动、静银点之间的 接触力、添加下连杆和储能轴之间的 接触力、添加双刀扣片和分闸半轴之间的 接触力、添加鸟头连杆和双刀扣片滚子之间的 接触力；再添加弹簧，添加接触片与触头支持之间的触头弹簧，添加上连杆与机构之间的返力簧。研究与探讨添加求解方案设置运动时间和步数，设置重力大小和方向，点击确定；最后点击求解运算 。点击上方任务栏中分析 运动 图表，选择主轴悬臂与连杆旋转副查看各方向上力幅值。求得悬臂受到向左的力为 ，向上的力为 。将 计算出的电动斥力代入 运动仿真中重新计算，设置添加电动斥力合力在接触片银点中心位置，重新求解后得到悬臂受到的力变化情况，悬臂受到向左的力为 ，向上的力为 。断路器操作机构的有限元分析将 操作机构模型导入 并对模型进行处理，考虑到对操作机构主轴和悬臂进行分析，模型只保留操作机构主轴以及悬臂，保留操作机构固定主轴的铜支架，添加主轴两侧铜支架。主轴模型如图 所示。用投影曲线命令将操作机构固定主轴的铜支架轮廓线投影至主轴上，用分割面命令将 个铜支架、个悬臂与主轴接触面分割出。图 主轴模型模型处理完之后进入高级仿真模块，新建 ，对所有实体指派材料属性，主轴为 钢，悬臂为 钢，支架为铜支架。然后对所有实体进行网格划分，完成后新建 ，求解方案勾选迭代求解器。然后设置面与面黏合参数，将悬臂与主轴表面黏合，设置面与面接触参数，将铜支架与主轴表面接触；再添加力，将动力学仿真计算出的力添加在悬臂上；最后设置固定约束在铜支架的安装孔上，点击求解进行运算。运算完成后双击左侧信息栏 ，查看结果，从位移以及应力结果中可以看到最大位移为 ，最大应力为 。最大位移云图如图 所示，最大应力云图如图 所示。图 最大位移云图图 最大应力云图 试验验证现有的 框架断路器不管是触头弹簧压力还是操作机构都是按照原先 的短时耐受进行设计的，因此在进行 短时耐受试验时经常失败，甚至导致断路器烧毁。本文通过 电磁场仿真计算出 短时耐受下触头系统所受电动斥力，动力学仿真计算合闸状态下 短时耐受下 操作机构的受力情况以及 有限元仿真计算出 短时耐受下 操作机构零部件的屈服强度，将这 个仿真软件耦合后研究 短时耐受电流的电动斥力对 操作机构的影响，从结果中可以看到 操作机构在电动斥力下，主轴和悬臂都有一定程度的形变，从位移数据结果上看到，最大位移在最左侧悬臂孔上为 ，从应力数据结果上看到最大应力均在个悬臂的孔上约为 。由于主轴材料为 钢其屈服强度为 ，而悬臂材料为 钢其屈服强度为 ，悬臂所受应力已经超过其屈服强度。为避免在电动斥力下 操作机构主轴悬臂的失效，断路器的超程减小，造成触头压力变小，动、静银点斥开导研究与探讨致断路器的烧毁，根据仿真结果对 框架断路器进行优化，提高动触头弹簧压力来匹配 短时耐受时电动斥力冲击，并且加厚主轴悬臂厚度，从 增加到 。进行低压大电流单相摸底试验，优化后的 框架断路器承受住了 的电动斥力。通过单相低压大电流摸底试验后，按照优化方案进行了全电压 三相电流的摸底试验，经过优化后的 框架断路器通过了 的短时耐受试验，结合试验结果验证了仿真结果的准确性。结语通过仿真软件耦合后研究 短时耐受电流的电动斥力对 操作机构的影响，根据仿真结果对 框架断路器进行优化，确保断路器能在 短时耐受下承受住电动斥力的冲击，本文根据仿真结果提高动触头弹簧压力并加厚主轴悬臂厚度。采用仿真与试验相结合的方法，加工试验样机并进行试验验证，优化后的 框架断路器能成功承受住 三相 短时耐受电动斥力的冲击，验证了文本研究的准确性以及可行性。，：，纽春萍，陈德桂，张敬菽 电动斥力作用下低压断路器分断特性的研究 电工技术学报，（）：张广智，尹佳灿，赵鹏 万能式断路器触头系统电动稳定性的仿真计算 电器与能效管理技术，（）：中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局 低压开关设备和控制设备 第 部分：断路器：北京：中国标准出版社，徐晓东，连云飞，高飞 基于 的万能式断路器动力学仿真 电器与能效管理技术，（）：收稿日期：（，）：，：；