一种基于虚拟样机技术的断路器动作特性分析方法

摘要

本发明提供了一种基于虚拟样机技术的断路器动作特性分析方法，包括以下步骤：(1)建立评价断路器动作特性的速度指标体系、位移指标体系和力指标体系；(2)确定指标体系中各指标的特征值；(3)建立断路器的模型，对断路器工作过程进行运动学和动力学仿真，得出各特征值的仿真值；(4)根据仿真值矩阵与参考值矩阵计算出断路器动作特性的偏差矩阵。将该方法应用在断路器的设计阶段可以使设计者综合考虑多个动作特性，与现有技术中仅考虑合闸、分闸速度和合闸、分闸时间这几个动作特性相比，本发明所述的方法综合考虑了十个动作特性，能够指导设计者做出更加优化的设计，有效降低产品的开发风险，为全面提升产品性能奠定基础。

说明书

技术领域

本发明属于断路器领域，具体涉及一种基于虚拟样机技术的断路器动 作特性分析方法。

背景技术

低压断路器(以下简称断路器)又称自动开关，被广泛应用于电路的 失压、欠压、过载、漏电和短路保护，它是电力系统重要的控制和保护设 备，是最常用的工业电器之一。断路器常见的种类有塑壳式断路器、框架 式断路器、限流式断路器、漏电保护式断路器、直流快速断路器等，其结 构一般包括触点系统、操作机构、灭弧室、脱扣器及附件等。

断路器的动作特性是断路器的重要性能指标之一，直接影响断路器的 分断能力、操作性能、稳定性和安全寿命。断路器的动作特性既与操作机 构的类型、参数、连接方式和杆件加工精度等因素相关，也与电工材料的 力学特性有关，是进行断路器设计的基础。

断路器的动作特性包括运动、力学、机械等诸多方面的因素，由于受 测量方法和手段的制约，目前，断路器动作特性仅考虑合闸、分闸速度和 合闸、分闸时间两个方面，其测量方法主要包括两大类：电子断路器动作 特性测量方法和摄像断路器动作特性测量方法。

1、电子断路器动作特性测量方法

该方法的时间测量是利用数字处理器的内部定时器通过分析从断路器 开闸、合闸过程中传来的脉冲信号，从而计算出开闸、合闸时间；速度测 量则通过在被测量部件上安装位移或速度传感器由软件来完成数据处理和 计算，从而得到某点的速度。

由于断路器内部结构复杂，操作机构各组件尺寸较小，许多运动部件 无法安装各种速度或位移传感器。因此，在实际运行过程中，该方法主要 用来测量断路器的合闸、分闸速度和合闸、分闸时间，其他动作特性参数 没有测量。

2、摄像断路器动作特性测量方法

该方法先对断路器运动部件进行标点，再利用高速摄像机对运动过程 进行拍摄得到运动影像并将运动影像输入到计算机内，通过计算机对运动 影像的处理，得到标点的运动指标，根据得到的运动指标分析出断路器的 动作特性参数。

由于断路器内部结构复杂，各杆件之间相互遮挡，在实际测量过程中， 许多操作机构的运动部件无法进行摄像，测量范围受到了限制。另外，利 用摄像的方法，一般用于动作特性中运动参数的测量，例如，轨迹指标、 位移、速度、加速度，不能直接测量力学参数，如合闸力、弹簧力等。

目前，断路器操作机构的设计仅以满足合闸、分闸速度和合闸、分闸 时间为件，没有考虑动作特性中的其他因素，设计效果不理想。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于虚拟样机技术的断路器动作特性分析 方法，该方法可以对断路器的多个动作特性进行全面分析，从而指导断路 器操作机构的设计。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种基于虚拟样机技术的断路器动作特性分析方法，包括以下步骤：

(1)建立评价断路器动作特性的速度指标体系、位移指标体系和力指 标体系；

所述速度指标体系包括用于描述分断速度变化过程的第一速度指标、 用于描述动触头角速度变化过程的第二速度指标、用于描述分断速度与动 静触头分开角度的关系的第三速度指标和用于描述分断速度与开距的关系 的第四速度指标；

所述位移指标体系包括用于描述拉簧转动角度变化过程的第一位移指 标、用于描述动静触头开距变化过程的第二位移指标、用于描述动触头超 行程变化过程的第三位移指标和用于描述动触头转动角度变化过程的第四 位移指标；

所述力指标体系包括用于描述终压力变化过程的第一力指标和用于描 述拉簧作用力变化过程的第二力指标；

(2)确定速度指标体系、位移指标体系和力指标体系中各指标的特征 值；

第一速度指标的特征值为最大分断速度；第二速度指标的特征值为最 大角速度；第三速度指标的特征值为不同分开角度下分断速度的平均值； 第四速度指标的特征值为开距最大时的分断速度；

第一位移指标的特征值为拉簧转动角度的变化范围；第二位移指标的 特征值为开距的最大值；第三位移指标的特征值为超行程的最大值；第四 位移指标的特征值为动触头转动角度的变化范围；

第一力指标的特征值为最大终压力；第二力指标的特征值为最大拉簧 作用力；

(3)采用多体系统动力学理论建立断路器的模型，并应用断路器的模 型对断路器工作过程进行运动学和动力学仿真，得出速度指标体系、位移 指标体系和力指标体系中各指标的特征值的仿真值；

将每个特征值的仿真值x_i保存在一个矩阵中，该矩阵为：

X＝(x_i)_10×1，i＝1，...，10；

(4)根据矩阵X＝(x_i)_10×1，i＝1，...，10与参考值矩阵

X_C＝(x_iL，x_iH)_10×2，i＝1，...，10，计算出断路器动作特性的偏差矩阵： ΔX＝(Δx_i)_10×1，i＝1，...，10；

$\Delta x_i=\left(\begin{array}{c}{x}_i-x_{\mathrm{iL}},x_i<x_{\mathrm{iL}}\\ 0,x_{\mathrm{iL}}\le x_i\le x_{\mathrm{iH}}\\ x_i-x_{\mathrm{iH}},x_i>x_{\mathrm{iH}}\end{array}\right);$

其中Δx_i越大表明与x_i对应的动作特性越好，Δx_i越小表明与x_i对应 的动作特性越差；Δx_i为零，表明与x_i对应的动作特性满足要求。

进一步的，步骤(3)中所述模型包括结构模型、运动模型和约束模型。

本发明所述的断路器动作特性分析方法，通过建立包含多个评价指标 的速度指标体系、位移指标体系和力指标体系，利用虚拟样机技术仿真得 到各指标特征值的仿真值，并将仿真值与参考值进行比较，从而得到动作 特性的分析结果。将该方法应用在断路器的设计阶段可以使设计者综合考 虑多个动作特性，与现有技术中仅考虑合闸、分闸速度和合闸、分闸时间 这几个动作特性相比，本发明所述的方法综合考虑了十个动作特性，因此 能够指导设计者做出更加优化的设计，有效降低产品的开发风险，为全面 提升产品性能奠定基础。

附图说明

图1为塑壳式断路器操作机构的结构示意图；

图2为基于虚拟样机技术的断路器动作特性分析方法的流程图；

图3为第一速度指标的仿真过程曲线；

图4为第二速度指标的仿真过程曲线；

图5为第三速度指标的仿真过程曲线；

图6为第四速度指标的仿真过程曲线；

图7为第一位移指标的仿真过程曲线；

图8为第二位移指标的仿真过程曲线；

图9为第三位移指标的仿真过程曲线；

图10为第四位移指标的仿真过程曲线；

图11为第一力指标的仿真过程曲线；

图12为第二力指标的仿真过程曲线；

图中各标号的含义如下：

手柄-1，跳扣-2，上连杆-3，B轴-4，动触头-5，触头块-6，A轴-7，静 触头-8，主转轴-9，C轴-10，基座-11，锁扣-12，脱扣受力杆-13，牵引杆-14， 下连杆-15，拉簧-16，杠杆-17，连杆轴-18。

具体实施方式

本发明提供了一种基于虚拟样机技术的断路器动作特性分析方法，下 面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细的说明。

本实施例以一种典型的塑壳式断路器为例进行说明，但本发明不局限 于某个特定的断路器结构。如图1所示，该塑壳式断路器的操作机构包括 手柄1、跳扣2、上连杆3、B轴4、动触头5、触头块6、A轴7、静触头8、 主转轴9、C轴10、基座11、锁扣12、脱扣受力杆13、牵引杆14、下连杆 15、拉簧16、杠杆17和连杆轴18。其中，跳扣2和锁扣12各通过一根销 轴安装在基座11上，跳扣2通过B轴4与杠杆17的一端相连。脱扣受力 杆13和牵引杆14各通过一根销轴安装在基座11上。锁扣12与脱扣受力 杆13之间设置有第二扭簧，基座11与牵引杆14之间设置有第三扭簧。上 连杆3的下端通过一根连杆轴18与下连杆15的上端相铰接，连杆轴18与 下连杆15通过C轴10相连，下连杆15的下端通过A轴7与动触头5相连。 手柄1通过杠杆17安装在基座11上；拉簧16的上端挂接在手柄1上，下 端挂接在连杆轴18上。触头块6固定安装在动触头5上，动触头5与安装 在基座11上的主转轴9铰接，并可绕主转轴9转动，主转轴9与动触头5 之间还设置有第一扭簧，从而可实现与静触头8的接触或非接触。该操作 机构在断路器的工作过程中有三种状态：合闸状态、分闸状态和自由脱扣 状态；当转动手柄1时，通过拉簧16和下连杆15可以带动动触头5转动， 实现合闸和分闸；而当断路器的保护装置动作时，会使跳扣2和锁扣8之 间解扣，拉簧16的储能被释放，也会带动动触头5转动，实现自由脱扣。

如图2所示，本发明所述的基于虚拟样机技术的断路器动作特性分析 方法，包括以下步骤：

(1)建立评价断路器动作特性的速度指标体系、位移指标体系和力指 标体系；

(2)确定速度指标体系、位移指标体系和力指标体系中各指标的特征 值；

具体的讲，所述速度指标体系包括四个速度指标，四个速度指标从不 同角度描述了动触头在合闸、分闸过程中的运动速度特性，这些运动特性 是衡量断路器分段能力的重要方面。第一速度指标用于描述分断速度与时 间的关系，即动触头离开静触头时各个阶段的动触头速度。第一速度指标 的特征值为动触头速度的最大值即最大分断速度(用符号V_F表示)。第二 速度指标用于描述动触头角速度与时间的关系，即合闸分闸过程中动触头 的角速度变化。第二速度指标的特征值为角速度的最大值即最大角速度(用 符号ω_D表示)。第三速度指标用于描述分断速度与动静触头分开角度的关 系，即在不同分开角度下动触头的速度。第三速度指标的特征值为不同分 开角度下分断速度(动触头速度)的平均值(用符号V_R表示)。第四速度 指标用于描述分断速度与开距的关系，即在不同开距大小下的动触头速度。 第四速度指标的特征值为开距最大时的分断速度(用符号V_D表示)。

所述位移指标体系包括四个位移指标，四个位移指标从不同角度描述 了合闸、分闸过程中动触头相对静触头的距离变化等位移特性。第一位移 指标用于描述拉簧转动角度的变化，即在合闸、分闸过程中拉簧所转动的 角度，第一位移指标的特征值为拉簧的角度变化范围(用符号θ_T表示)。第 二位移指标用于描述动静触头开距的变化，即分闸过程中动触头与静触头 的距离变化，第二位移指标的特征值为动静触头开距的最大值(用符号D_J表示)。第三位移指标用于描述动触头的超行程的变化，即合闸过程中动触 头超出静触头的距离。第三位移指标的特征值为超行程的最大值(用符号 D_C表示)。第四位移指标用于描述动触头转动角度的变化，即动静触头接触 面中心点和主转轴形成的角度在合闸、分闸过程中的变化，第四位移指标 的特征值为动触头转动角度的变化范围(用符号θ_D表示)。

所述力指标体系包括两个力指标，两个力指标从不同角度描述了在合 闸、分闸过程中关键部件的受力情况。第一力指标用于描述终压力的变化， 即动触头在合闸后动静触头的相互作用力的变化。第一力指标的特征值为 终压力的最大值(用符号F_Z表示)。第二力指标用于描述拉簧作用力的变化， 即在整个合闸、分闸过程中的拉簧作用力的变化，第二力指标的特征值为 拉簧作用力的最大值(用符号F_T表示)。

速度指标体系、位移指标体系和力指标体系的结合，能更全面的反应 断路器的操作机构的各个零部件协同运动、受力的详细特征。速度指标体 系、位移指标体系和力指标体系中10个指标构成了本发明所述的评价指标 体系PS＝(V_F，ω_D，V_R，V_D，θ_T，D_J，D_C，θ_D，F_Z，F_T)，该指标体系为断路 器的零部件设计和整体机构设计提供了基础。

(3)采用多体系统动力学理论对断路器进行建模，并应用断路器模型 对断路器工作过程进行运动学和动力学仿真，得出各指标特征值的仿真值；

本实施例借助ADAMS和UG对该图1中所示的断路器操作机构进行 建模和仿真，具体包括下述子步骤：

(3.1)采用多体系统动力学理论对断路器操作机构进行建模，其中包 括结构模型、运动模型和约束模型；

断路器操作机构的运动可分为分闸、合闸、自由脱扣和再扣四个动作。 本实施例根据分闸、合闸、自由脱扣和再扣的运动过程规律及各个部件之 间的关系，建立其动力学模型，具体来说就是在结构模型的基础上建立约 束模型、运动模型和材料模型。各约束、力载荷及柔性连接配对表如表1-5 所示。具体建模过程为本领域的公知技术，本发明中不再赘述。

表1固定副配对表

  1   静触头   地面   2   主转轴   A轴   3   跳扣   B轴   4   动触头   触头块   5   顶盖   手柄   6   基座   地面

表2转动约束副配对表

  1   下连杆   C轴   2   牵引杆   地面

  3   下连杆   主转轴   4   杠杆   基座   5   动触头   主转轴   6   脱扣受力杆   地面   7   主转轴   地面   8   跳扣   地面   9   锁扣   地面   10   上连杆   下连杆   11   上连杆   跳扣

表3碰撞约束副配对表

  1   动触头   基座   2   跳扣   脱扣受力杆   3   锁扣   牵引杆轴   4   杠杆   B轴   5   动触头   主转轴   6   牵引杆   脱扣受力杆   7   动触头   静触头   8   动触头   A轴   9   牵引杆   跳扣   10   牵引杆   锁扣   11   跳扣   杠杆   12   跳扣   锁扣   13   杠杆   基座   14   上连杆   B轴

表4力载荷配对表

  序列   名称   受力构件

  1   合闸力   手柄   2   脱扣力   脱扣受力杆   3   锁扣力   手柄   4   开闸力   手柄   5   二次合闸力   手柄   6   机构验证力   主转轴   7   固定手柄力   手柄   8   C轴处摩擦力   转动约束副   9   基座杠杆处摩擦力   转动约束副

表5柔性连接配对表

  序列   配对机构1   配对机构2   属性   1   杠杆   C轴   拉簧   2   杠杆   C轴   拉簧   3   主转轴   动触头   第一扭簧   4   锁扣   脱扣受力杆   第二扭簧   5   牵引杆   基座   第三扭簧

(3.2)利用上述断路器操作机构的三个模型在ADAMS环境下对断路 器工作过程进行运动学和动力学仿真，得到各性能指标的过程曲线(如图 3-12所示)，根据过程曲线得出各指标的特征植的仿真值。具体仿真过程为 本领域的公知技术，本发明中不再赘述。

将每个特征值的仿真值x_i保存在一个矩阵中，该矩阵为： X＝(x_i)_10×1，i＝1，...，10；其中x₁为第一速度指标的特征值，单位为m/s； x₂为第二速度指标的特征值，单位为rad/s；x₃为第三速度指标的特征值， 单位为m/s；x₄为第四速度指标的特征值，单位为m/s；x₅为第一位移指 标的特征值，单位为rad；x₆为第二位移指标的特征值，单位为mm；x₇为 第三位移指标的特征值，单位为mm；x₈为第四位移指标的特征值，单位 为rad；x₉为第一力指标的特征值，单位为N；x₁₀为第二力指标的特征值， 单位为N。

(4)根据矩阵X＝(x_i)_10×1，i＝1，...，10与参考值矩阵 X_C＝(x_iL，x_iH)_10×2，i＝1，...，10，计算出断路器动作特性的偏差矩阵： ΔX＝(Δx_i)_1×10，i＝1，...，10；

$\Delta x_i=\left(\begin{array}{c}{x}_i-x_{\mathrm{iL}},x_i<x_{\mathrm{iL}}\\ 0,x_{\mathrm{iL}}\le x_i\le x_{\mathrm{iH}}\\ x_i-x_{\mathrm{iH}},x_i>x_{\mathrm{iH}}\end{array}\right);$

其中Δx_i越大表明与x_i对应的动作特性越好，Δx_i越小表明与x_i对应 的动作特性越差；Δx_i为零，表明与x_i对应的动作特性满足要求。

参考矩阵X_C＝(x_iL，x_iH)_10×2，i＝1，...，10可以根据经验法获得，即利用 专家或者工程人员的知识和经验，确定各评价指标特征值的合理范围，由 每个指标特征值的最小值x_iL和最大值x_iH组成本发明所述的参考矩阵。对 于CDM1-100型的断路器，其参考矩阵为((8.5，9.0)，(250.0，300.0)， (4.0，5.0)，(8.6，9.2)，(0.5，0.6)，(18.0，22.0)，(3.0，3.6)， (0.6，0.7)，(5.5，6.5)，(75.0，85.0))。

偏差矩阵ΔX＝(Δx_i)_1×10，i＝1，...，10就是本发明所述的断路器动作特 性的分析结果。所述偏差矩阵可以作为断路器改进设计的依据，也可以指 导设计者对断路器进行更完善的设计，偏差矩阵中的Δx_i不是越大越好，因 为Δx_i过大，会使断路器的稳定性受到一定的影响，因此设计者需综合考虑。

本发明不仅局限于上述具体实施方式，本领域一般技术人员根据本发 明公开的内容，可以采用其它多种具体实施方式实施本发明，因此，凡是 采用本发明的设计结构和思路，做一些简单的变化或更改的设计，都落入 本发明保护的范围。