高压断路器系统建模与仿真研究

摘要

随着我国经济的高速发展，电力需求快速增长，同时电力系统的可靠性要求也越来越高。高压断路器作为保障电网正常运行的关键部件，对其研发设计具有重要的实际应用价值。
　　高压断路器的开断性能主要由其电气性能与机械动力学性能决定。国内外高压断路器的研究通过理论分析、实验测试以及计算机仿真技术取得了巨大进展。然而目前大部分研究把高压断路器各部分分割开来独立分析，并没有从整体上对高压断路器这类多能域耦合系统进行研究。本文以此为研究背景，从系统建模的角度出发，利用虚拟样机技术建立高压断路器机械、气动、电子控制相结合的完整仿真模型。
　　以六氟化硫瓷柱式高压断路器为研究对象，首先对其操动机构、传动机构以及灭弧室三个主要部分的结构组成和工作原理进行了介绍，在此基础上对高压断路器各部分间的相互作用及能量关系进行了分析，建立了高压断路器的整体工作原理图。根据高压断路器多能域耦合的特性及其研究设计流程，选择AMESim软件作为建模仿真平台。
　　将操动机构开、合闸部分简化成由弹簧驱动的曲柄滑块机构，配以凸轮机构、脱扣/制动机构，添加控制系统以完成操动机构模型。将传动机构视为两个平行四杆机构的组合，利用多接口物块元件模拟连杆和拐臂，物块间采用铰链连接。将灭弧室简化为活塞结构，对其机械和气动两部分分别建模。最后将各部分在全局坐标中进行装配连接，形成高压断路器整体多能域耦合模型。
　　针对高压断路器弹簧操动机构内的接触碰撞问题进行深入分析，分别对凸轮类非协调性曲面接触问题及铰链类协调性曲面接触问题，结合经典接触理论，探求AME-Sim模型中接触参数的合理定义方法。
　　研究优化大质量弹簧在AMESim中的建模方法，以期能更准确地模拟弹簧动态性能对操动机构运动输出的影响。从频域与时域两个反映弹簧动态性能的角度，对连续弹簧进行理论分析，对离散弹簧模型进行仿真分析，通过两者对比研究AMESim中离散弹簧模型模拟真实弹簧的准确性。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题研究背景

1．2 高压断路器的发展与研究现状

1．2．1 高压断路器发展过程

1．2．2 高压断路器国内外研究重点

1．3 国内外高压断路器动力学研究

1．4 课题的意义及主要工作内容

1．5 论文章节安排

1．6 本章小结

2 一种高压断路器的结构原理及系统仿真软件

2．1 六氟化硫瓷柱式高压断路器

2．1．1 弹簧操动机构

2．1．2 传动机构与灭弧室

2．1．3 高压断路器整体结构

2．2 系统仿真软件

2．2．1 虚拟样机技术

2．2．2 多能域耦合系统仿真软件

2．2．3 基于键合图理论的AMESim仿真软件

2．3 本章小结

3 高压断路器系统建模

3．1 弹簧操动机构建模

3．1．1 开(合)闸部分

3．1．2 凸轮机构

3．1．3 操动机构整体模型

3．2 传动机构与灭弧室建模

3．2．1 传动机构

3．2．2 灭弧室

3．3 高压断路器整体模型

3．4 本章小结

4 接触碰撞问题的参数定义

4．1 非协调性配合曲面接触参数定义

4．2 协调性配合曲面接触参数

4．3 阻尼系数的合理定义

4．4 接触参数定义过程

4．5 本章小结

5 弹簧模型优化

5．1 弹簧固有频率与振动形式的理论计算

5．1．1 理想稳定状态

5．1．2 非稳定状态

5．2 弹簧离散模型

5．2．1 弹簧离散模型固有频率计算

5．2．2 弹簧离散模型各有效圈振动形式

5．3 本章小结

6 总结与展望

致谢

参考文献