低压断路器的建模仿真技术
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2.2 单断点塑壳断路器操作机构的仿真分析

2.2.1 单断点塑壳断路器操作机构动态特性的仿真

首先进行手动合闸过程的仿真，以图2-1的塑壳断路器为研究对象，建立三相触头处于分开状态的仿真模型，如图2-3所示，为了进行手动合闸，仿真时要防止跳扣动作，需在跳扣与地之间加一固定约束，其次在手柄上加上操作力，考虑对250A的断路器，一般操作力在40～60N之间，可以一个较小的值开始，逐步增加，直至机构动作为止，事先建立主轴转角和手柄操作力的测量，通过仿真可获得机构刚能动作时这两者随时间的变化曲线，如图2-4所示，图中实线为主轴转角变化（MEA_ANGLE_CONTACT），虚线为操作力变化（SFORCE_7_MEA_1），从图中可见，使机构动作的最小手柄操作力为56N。

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图2-3 分闸位置的模型

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图2-4 断路器合闸过程与操作力的确定

分闸过程的仿真要建立三相触头处于合闸位置的模型，如图2-3所示，分闸过程可由两种操作来实现，一种是依靠脱扣器，另一种是由手柄操作，后者仿真过程类似手动合闸，为防止脱扣器动作要在跳扣与地之间建立固定约束，而由脱扣器动作则要去掉这一固定约束，让跳扣一开始就动作，图2-5为脱扣器动作的分闸过程仿真曲线，图中虚线为主轴转角与时间关系，实线为角速度随时间的变化曲线，在角速度曲线上可看到有两个突变点，分别为t1和t2，当主轴旋转到走完超程，即到达t1瞬间，主轴开始接触动导电杆，并带动动导电杆向触头分断方向旋转，由于突然加了负载，因而转速在t1有一个突降。当主轴转动到瞬间t2，跳扣k与其限位轴图2-2发生碰撞，跳扣k的运动被限制不再转动，此后C点成为固定点，机构运动从五连杆变为四连杆如图2-6所示。在瞬间t2前，机构运动为由O1O2、k、h、g、f构成的五连杆系统（图2-6a），到t2瞬间跳扣被限位轴限制，变成由O1C、h、g、f构成的四连杆系统（图2-6b），四连杆系统的运动速度较五连杆慢，所以图上的速度曲线在瞬间t2有一个降低。通常限位轴或限位挡块是和手柄杠杆连在一起，在t2瞬间以后，当跳扣与限位轴或挡块接触后，在开断过程后期可依靠开断弹簧力，让手柄杠杆和固定在其上的手柄移动到中间位置，塑壳断路器手柄处于中间位置是指示断路器由于故障而脱扣。

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图2-5 脱扣器动作的分闸过程仿真曲线

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图2-6 主轴转动过程中由五连杆到四连杆的转变

a）t2前为五连杆系统 b）t2后为四连杆系统

为了确定仿真模型是否符合实际情况，与塑壳断路器样机的物理特性是否一致。设计了一组实验，分别测试了断路器手动分合闸和脱扣分断过程中主轴角位移曲线。实验中采用WDD35D4型精密导电塑料角位移传感器测量角位移。测量角位移的实验线路如图2-7所示，角位移传感器是通过轴套与断路器触头支架的主轴相连的。

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图2-7 测量角位移的实验线路

图2-8给出了脱扣分闸过程触头支架主轴角度变化仿真与实测曲线对比结果，机构动作时间约为9ms。从图2-8中可以看出，仿真模型的输出曲线与实际样机的输出曲线吻合得较好，证明了仿真模型的正确性。由于动触头臂到达最大角度与档块碰撞后，造成曲线最后阶段的起伏变化。考虑到我们关心的主要是断路器机构的分断速度，对触头臂与挡块碰撞后的运动不作深入研究。因此，以动触头臂运动到最大角度为仿真结束时刻。由图2-8可见仿真过程中考虑和不考虑摩擦力对仿真的准确性影响很大，轴间和有接触零部件之间的摩擦力与这些零部件加工工艺有关，要准确计算摩擦力，除依靠有关手册上介绍的摩擦系数和阻尼系数外，更重要的是通过大量实验来确定。

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图2-8 脱扣分闸过程中仿真与实测曲线的对比

1—实测曲线 2—不考虑摩擦力的仿真曲线 3—考虑主轴摩擦力后的仿真曲线

2.2.2 ADAMS软件中触头参数的测量方法

低压断路器中关于触头的参数主要有三个：触头终压力、触头超程以及触头开距。触头终压力是指动触头和静触头完全闭合时，加在接触面上的压力，它的作用是保证触头通过额定工作电流时，触头温升不超过允许值以及通过规定的过载或短路电流时触头不发生熔焊；触头超程是指当触头完全闭合后，若将静触头移去，动触头所能移动的距离，它的作用主要是保证触头在磨损以后还能可靠接触；触头开距是指触头处于打开位置时动、静触头之间的最短距离，它的主要作用是保证可靠地熄灭电弧以及触头处于打开位置时，保证触头间隙的可靠绝缘。

了解了上述触头参数的定义和作用后，就可以利用ADAMS软件对这三个参数进行测量。以某型号250A塑壳断路器为例（见图2-9），具体说明测量方法。需要注意的是进行的测量工作，是在虚拟样机的所有约束已经添加完成，模型的自由脱扣过程已经仿真结束的基础上进行的。

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图2-9 某型号250A塑壳断路器触头部分

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图2-10 测量触头压力的后处理界面

（1）触头终压力的测量

在ADAMS软件中，对虚拟样机进行仿真的时候，动静触头之间存在一个“接触（CONTACT）”约束，使得动静触头在触头压力的作用下紧密闭合。在本模型中，动触头和静触头之间的“接触”约束是CONTACT_1，根据定义，这个“接触”力的大小就是触头压力。按触头压力的定义，有两种测试方法，一种由脱扣器进行分闸，作一次开断过程的仿真，然后进入ADAMS软件后处理界面，左上角下拉框中选择plotting选项，然后根据图2-10颜色加深部分所示选择相应的选项，最后单击Add Curves，便可以得到触头压力的测量曲线，如图2-11虚线所示，仿真开始，触头处于闭合位置，对应的测量值即为触头终压力，随着主轴的旋转，触头压力逐步降低，当触头走完超程，这一瞬间的触头压力即为初压力，如图2-11所示测得的触头终压力为16.6N，触头初压力为11.4N，另一种测量方法是让断路器处于合闸位置，建立一个跳扣与大地之间的固定约束，使跳扣不能动作，在此条件下作一次仿真，由于机构没动作，所测得的CONTACT_1即为触头终压力，如图2-11的实线所示，两种方法测得的触头终压力值相同。

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图2-11 触头压力测量曲线

（2）触头超程的测量

触头超程是指当触头完全闭合后，若将静触头移去，动触头所能移动的距离。在AD- AMS软件中，不需要移去静触头，只要移去动静触头之间的“接触”约束——CONTACT_1，就可以测量触头超程。继续保持机构不动作，删除CONTACT_1（或使之无效），创建一个地面的标记MARKER作为测量的参考点，其坐标与断路器处于闭合状态时动触头的质心坐标相同。定义一个点到点的测量，在ADAMS软件界面主菜单中选择Build—Measure—Point to point—New，在弹出的对话框中的To MARKER和From MARKER中分别选择动触头的质心和刚刚建立的MARKER点，定义一个点到点距离的测量，确定之后就可以运行一次仿真过程，由于动静触头之间的约束已经不存在，可以看到动触头在触头压力的作用下向静触头的方向转动，直到走完整个超程，就可得到动触头的超程测量曲线如图2-12所示，对该断路器测得的超程为5.75mm。

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图2-12 超程测量曲线

（3）触头开距的测量

触头开距是指触头处于打开位置时动、静触头之间的最短距离，闭合位置动、静触头之间的距离为零。在ADAMS软件中触头开距实际上就是动触头处于闭合位置和打开位置时两个位置之间的距离。与测量触头超程同样的方法，创建一个地面的MARKER作为测量的参考点，其坐标与断路器处于闭合状态时动触头的质心坐标相同。取消跳扣与大地之间的固定约束，恢复CONTACT_1，运行一次自由脱扣的仿真过程，定义一个点到点的测量。在AD- AMS软件界面主菜单中选择Build—Measure—Point to point—New，在弹出的对话框中的To MARKER和From MARKER中分别选择动触头的质心和刚刚建立的MARKER点的质心，确定之后就可以得到触头开距的测量曲线如图2-13所示，图2-13测得的超程为25.7mm。

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图2-13 触头开距测量曲线

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