西门子3AP1-FG断路器动作速度测试方法仿真分析_刘银.pdf

西门子 -断路器动作速度测试方法仿真分析刘银（广东电网有限责任公司茂名供电局）摘要：文章针对西门子公司生产的 -型高压断路器的工作速度，采用多种测试方法进行了对比评测。对断路器模型进行简化后，应用 进行建模仿真。通过对不同测试点、不同跟踪变量的仿真数据进行分析，评价各种测试方法相对于不可测的断路器断口触头真实运动数据的测量偏差情况，并探讨角度传感器、线性传感器以及高速摄影在现场作业应用中的优缺点。关键词：断路器；分合闸速度测试；运动仿真；高速摄影 引言作为供电系统里的一名变电设备运维工作者，在进行传统的断路器分合闸速度测试时，不仅要面对机械传感器安装调试时的麻烦，还要面对测试结果稳定性差的困惑，这就促使我针对各种测试点从传感器原理上去寻找数据上的分析解释。经过对保有量相对较多的西门子公司生产的 -型高压断路器的深入研究，本文计划通过使用 软件简化模型仿真分析的方式，对各种测试方法进行评测，预期能够对现场测试作业起到一定的数据指导作用，希望从事断路器检修或调试的相关人员能够从本文获得参考和帮助。断路器分合闸速度测试方法简介断路器的分合闸速度是断路器机械特性参数中重要的指标参数，它影响着断路器的灭弧能力和机械耐久性 。如果速度过慢将会导致拉弧时间过长而损伤触头，严重的可能导致电弧不能熄灭，造成断路器故障；如果速度过快则断路器机构将承受过大的冲击，会造成相关机械零件的机械疲劳，进而引发零件失效，导致断路器动作异常。（注：分闸速度指断路器触指刚刚分开时刻起，向后至 过程的平均速度，即刚分速度。合闸速度指断路器触指刚刚接触时刻起，向前 过程的平均速度，即刚合速度。）然而由于断路器动作时间一般只持续 ，非常短暂，这对于整个过程的测试精度和抗干扰能力均提出了很高的要求。同时由于断路器断口密封在 气室内，无法直接测量，只能通过机构箱的其他联动部件间接测量。目前使用的常规传感器一般为接触式传感器，主要有角度传感器和线性传感器，而本文论述的非接触式测试方法是通过高速摄影技术来实现。下面就将针对角度传感器、线性传感器和高速摄影三种测试方法进行分析。（）角度传感器方法使用角度传感器需要先将磁铁和万向杆固定在断路器机构箱壁上，然后经过万向杆将传感器安装至传动机构的转动轴上，一般情况下会安装在断路器操动机构的驱动轴上，如图 所示。图 断路器机构示意图该测试方法为使用最多的方法，但缺点也很明显，测试结果易受到振动影响导致多次重复测试结果一致性差；使用磁铁方式与机构相连时，会使运动中心无法对齐，从而导致测试结果不稳定；如果使用螺电气技术与经济 研究与开发 丝安装方式，则多次的安装将造成螺牙磨损，导致下次测量困难。（）线性传感器方法使用线性传感器一般为使用夹具将传感器安装在相间连杆上，如图 所示。该方法传感器安装简便，但不能测量分相机构，同时测试数据也存在重复测试结果一致性差的问题。图 断路器相间连杆示意图（）高速摄影方法使用高速摄影理论上对于可以拍摄得到的活动部件，均可以将其作为测试对象，采用非接触式测量。可以以驱动轴为测量对象来测量角速度，也可以分闸储能轴为测量对象来测量线性速度。本方法仍在测试中，具有很好的应用前景。不但克服了多次重复测试结果一致性差的问题，测试数据为慢放视频，保存后可对其进行多次分析，无需重复操作断路器分合闸，减少测试对断路器的机械损耗 。根据上述分析，可以得到三种测试方法对比的情况汇总，见表。表三种测试方法对比测试方法安装位置推广情况安装难易测试场景测试数据角度传感器驱动轴技术成熟使用多困难分相、联动机构均可重复一致性差线性传感器相间连杆技术成熟使用多一般只可测联动机构重复一致性差高速摄影机构箱外非接触应用测试中容易分相、联动机构均可重复一致性好，可重复分析 西门子 -断路器简化模型西门子公司 -断路器为三相联动弹簧操作机构，外观如图 所示。该型断路器由合闸储能机构提供动能，通过驱动轴和分闸储能连杆进行断路器分合闸操作（见图 ），通过相间连杆完成三相同时操作。为对机构进行直观分析，本文使用了 -软件进行仿真分析 。为突出原理分析，可将主要传动机构简化为连杆和滑块机构的组合，其中将断口触头和分闸储能轴简化为线性移动滑块，将驱动轴杆及其他连接机构均简化为简易连杆，如图 所示。对于储能机构、机架、从动的 相断口触头等结构，由于不影响分析，所以省略未画出。而本次仿真分析的对象为图 中的断口触头、驱动轴、相间连杆和分闸储能轴四个部件。图 西门子 -断路器外观图电气技术与经济 研究与开发 图 简化仿真模型 空间位移映射情况分析断口触头的运动特性是断路器机构速度测试的目标，但由于断口触头被密封，导致速度测试只能通过其他联动的部件间接测得。联动的部件经过一系列的传导后，空间位移均存在着不同程度的线性变换，而在实际测量中，无论是角度测量还是线性测量均采用了比例变换。空间线性变换与比例变换的偏差将直接影响测试结果，难以反映真实情况 。为反映空间线性变换与比例变换的偏差，可通过空间位移映射来进行分析。对驱动轴添加等速马达进行仿真，得到了四个观测位置的位移数列 。通过以下三个步骤可获得映射偏差：步骤一：通过 （，），获得零基位移数列；步骤二：通过 （，），获得一百间隔映射位移数列；步骤三：通过 （-）（，），获得映射偏差率数列 ，其中 为三种测试方法下的一百间隔映射位移数列（作为对比数据），为断口触头的一百间隔映射位移数列（作为参考数据）。最终得到曲线如图 所示。从曲线中可以看到，三个测试位置的位移均与实际断口位移存在差异，但是整体上相间连杆线性位移与实际断口位移差异最小，储能杆线性位移次之，驱动拐臂偏差最大。驱动拐臂在前半程对应断口位移为正偏差，且偏差超过；后半程则为负偏差，且偏差在.以下；对于相间连杆和储能轴全程为负偏差。（注：图中纵坐标为偏差比值轴，横坐标为时间轴，其数值均为仿真参考数值，图形为示意图，数据并不是实际断路器动作时间刻度）图 三种测试方法对断口触头映射的偏差率由此可以推断，相间连杆和储能轴测得的速度均略小于真实断口速度，而驱动拐臂测试的速度与实际速度的偏差则取决于刚分和刚合时刻在曲线的位置，测得的速度偏差具有不确定性。基于实测动作曲线的合闸速度仿真评测为了真实评估不同测试方法下测试速度结果与真实断口速度的偏差，本文取用了通过高速摄影获得的位移曲线（如图 所示），将其作为 中线电气技术与经济 研究与开发 性马达的数据点，并同时观测三种方法的测试结果。对于测出的结果同样按照第 章的三个步骤进行空间映射，计算得出相对于断口触头的偏差率。通过仿真可见，不同测试方法测得的速度确实存在偏差（如图 所示），对测得的速度进行空间映射和偏差率计算后得到速度偏差，如图 所示。其中驱动拐臂测量的速度结果明显小于其他两种方法，在相间连杆测量的速度最接近真实速度，而储能轴处的线性速度则介于前两者之间。从偏差率绝对值看，驱动拐臂角度传感器测得的速度小于真实速度 以上，而其他两种方法则小于 。（注：图中纵坐标为位移轴，横坐标为时间轴，其数值均为仿真参考数值，图形为示意图，数据并不是实际断路器动作位移和时间刻度）图 断路器合闸位移仿真曲线（注：图中纵坐标为速度轴，横坐标为时间轴，其数值均为仿真参考数值，图形为示意图，数据并不是实际断路器动作速度和时间刻度）图 各种测试方法测得的速度曲线电气技术与经济 研究与开发 （注：图中纵坐标为偏差比值轴，横坐标为时间轴，其数值均为仿真参考数值，图形为示意图，数据并不是实际断路器动作时间刻度）图 各种测试方法测得的速度偏差曲线进一步对比可知，在实际测试中，同一台断路器使用相间连杆线性传感器测量出的速度要大于储能轴处测出的速度，而驱动拐臂处使用角度传感器测出的速度最小。结束语通过以上数据对比，可以得知最能够真实反映断路器断口触头动作速度的测试方法是在相间连杆安装线性传感器，使用高速摄像测试储能轴速度的方法次之，两种方法偏差都能够满足工程应用要求。在驱动拐臂处安装角度传感器的方法测量偏差较大，只能作为参考，且对于使用驱动拐臂处测量速度结果偏低的不合格断路器，可以使用其他两种方法再次测量。如果其他方法复测合格，则断路器的机械特性仍然满足要求；但如果其他两种方法测得的结果也不合格，则需要重视断路器是否存在机械隐患，以免发生拒动风险。再结合传感器安装情况的对比，在驱动拐臂处测角度的方法既费时费力，测试结果也不甚理想，是应该淘汰的测试方法，而方法二和方法三操作简单结果、真实性好，建议推广使用。参考文献 杨朔，谢凌东，周宏辉，等基于线阵相机的断路器分合闸速度测量系统 浙江电力，（）：-刘银基于 高速摄影的断路器分合闸速度测试方法研究 机电信息，（）：-詹迪维 宝典（第 版）北京：机械工业出版社，刘寅立 数值计算案例分析 北京：北京航空航天大学出版社，（收稿日期：-）电气技术与经济 研究与开发