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考虑电动斥力的低压直流断路器动力学仿真及应力分析

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低压电器(2013No.6) ・研究与分析・ 考虑电动斥力的低压直流断路器 动力学仿真及应力分析 马子文,涂煜 (中国船舶重工集团公司第712研究所,湖北武汉430064) 摘要:以多体系统动力学为基础,建立低压直流断路器的动力学模型。将机械 马子文(1982一), 男,工程师,主要从 事开关电器的设计 与开发。 运动方程和电路、电磁场方程耦合求解,从而实现考虑电动斥力的断路器分断过程仿 真。通过有限元分析软件Ansys与多体动力学分析软件ADAMS的协同仿真,建立断路 器的刚一柔耦合动力学模型,完成关键零件在断路器短路故障分断过程中的强度分析, 为断路器设计中关键零件的设计和优化提供一条有效的途径。 关键词:低压直流断路器;电动斥力;柔性体;应力 中图分类号:TM 56l文献标志码:A文章编号:1001-5531(2013)06-0010-05 Dynamic Simulation and Stress Analysis of DC Low Voltage Circuit Breaker Considering Electrodynamic Force MA Ziwen.TU (7 1 2th Research Institute,China Shipbuilding Industry Corporation,Wuhan 430064,China) Abstract:A dynamic model of DC low vohage circuit breaker was established on the basis of the dynamics of multi—body system.Coupling the motion equations and the circuit equations with the magnetic field equations,the breaking process of the circuit breaker considering eleetrodynamie force was simulated.A rigid—lfexible coupling moulded case circuit breaker simulation moulded was developed by use of the software ADAMS for mufti—body dynamics and Ansys for finite element analysis,and the stress distributing characteristics in the key parts of the model for the breaking process were analyzed.The approach proposed will provide a method for the design and optimization of the key parts. Key words:DC low voltage circuit breaker;electrodynamic force;flexible body;stress 0 引 言 低压断路器是低压配电支路的关键设备,分 零部件的机械应力超过其许用应力时,动触头会 发生塑性变形甚至断裂。对此,本文将应用弹性 动力学理论,采用结合多体动力学机械系统仿真 软件ADAMS和有限元分析软件Ansys的方法,对 低压断路器进行分闸过程仿真,分析重要零部件 的应力在断路器分闸过程中的动态响应分布,为 断速度和机械寿命是影响其性能的2个主要方 面。低压断路器的机械寿命主要取决于断路器的 可动零部件及与之相联的零部件的机械强度。目 前,低压断路器正朝着小型化、高分断的方向发 展,使得在断路器的设计中进行断路器的应力分 断路器的设计和优化提供必要的理论依据。 析变得越发重要¨ 。低压断路器在使用过程 中,当遇到短路电流而脱扣分断时,其动触头会受 到电动斥力的作用而快速分断。当动触头到达分 闸位置时,会与止挡零件发生激烈碰撞;当动触头 涂一1 低压断路器分闸过程的动力学仿 真及验证 1.1仿真模型的建立 本文以额定电流为4 000 A的某万能式低压 煜(1982一),男,工程师,主要从事开关电器的设计与开发。 10— ・研究与分析・ 低压电器(2013No.6) 直流断路器为研究对象,且仅分析低压断路器的脱 扣分闸过程。为了简化模型、便于分析计算,仿真 模型只包括断路器的触头系统和分闸机构。将三 维CAD软件Pro/E中建立的模型转换成ADAMS 识别的格式文件,然后导入到ADAMS中,在 ADAMS的环境下正确定义零部件的密度、负载及 约束关系,建立完成后的多刚体动力学模型。 1.2模型的试验验证 为了验证仿真模型的正确性,搭建了一个断 路器机械特性测试回路,回路中的电源为1.5 V 干电池。当断路器处于合闸及分闸位置时,示波 器显示电压为零,当断路器处于分闸过程时,示波 器显示为电池电压,如图1所示。利用该测试回 路,通过测量示波器中电压波形的第一个方波来 测量断路器的分闸时间,即动触头与静触头分离 起至动触头首次到达分闸止挡位置为止的时间 间隔 图1断路器机械特性测试回路 本文研究的低压直流断路器的触头系统为转 动拍合式结构,在ADAMS中通过测量动触头杆的 转轴角位移及角速度来测量断路器的分闸时间。 脱扣分闸过程中,动触头杆转轴角度随时间变化的 仿真曲线如图2所示。由图2可见,由于碰撞的影 响,分闸时会产生分闸弹跳,测量动触头杆角位移 变化最大的时间间隔即为断路器的分闸时间。为 了验证仿真结果,利用机械特性测试回路测量断路 器的实际分闸时间,测量结果如图3所示。图3 中,电压波形的第一个方波的时间间隔为分闸 时间 3 500.0 38O.O 3 000.0 -角速度/ ~’’ ’ ’ 。。。。。 。。‘‘: 375.O 二2 500.0 2 000.0 : , 角位移 370l0盖 1 500.0 365.0 o 1 o00l0 / , ・ 500 0 . 360.0 r\\八. . 355.O 0.01 0.O2 0.03 0.04 0.05 时间/s 图2断路器分闸仿真曲线 图3机械特性测试回路测量波形图 测量3次断路器分闸时间,仿真结果与试验 结果如表1所示。由表1可知,仿真结果与试验 结果吻合得比较好。可见,测试结果证明了仿真 模型的有效性和正确性。 表1分闸时间的仿真结果与试验结果对比表 2 考虑电动斥力的断路器短路分断 过程仿真 2.1 电动斥力数学模型的建立 当主电路的电流超过断路器的整定值时,断 路器的脱扣器使动触头杆迅速脱扣,动触头杆将 在电动斥力及分闸弹簧的共同作用下快速分闸。 在动、静触头未分开前,作用在动触头杆上的电动 斥力包括触头问的力,由于电流收缩产生的霍姆 力 和导电回路产生的洛仑兹力 ,当动、静触 头分开后, 消失,而 一直存在,直至电弧熄 灭。动、静触头问电流收缩产生的n的计算 式 为 Fn= ,In f ̄HT rr2。 (1) 式中 。——真空磁导率 ,一-一流经收缩区导体的电流 ——跟触头表面接触状况有关的系数, 范围在0.3~0.6 材料的布式硬度 r——触头半径 ——接触压力 一1 1— 低压电器(2013No.6) 由于本文所研究的断路器触头为银镍合金, 故式中日取850 N/mm , 取0.45,r为13.8 mm; 为330 N。在分断短路电流过程中,F 仅存在 于超行程阶段,并随着,和F 不断变化;动、静触 头分开后,该力就不存在了。 断路器导电回路上,F 一直存在,直至电弧 熄灭,与电流近似成平方关系。本文采用Ansys 计算回路洛仑兹力。由于涡流对电动斥力的影 响很小 ],因此采用恒定场来计算电流密度和 磁通密度分布。首先,根据导电回路进行三维 电流密度分布仿真,此时仅需要对导电部分进 行剖分;然后对同一模型将电流分布当作激励, 对整个模型区域进行剖分,计算其产生的三维 磁场;最后,计算出作用在每一个单元上的电动 斥力 ,即 F =J ×B (2) 式中 ——每个单元的电流密度 B ——单元磁感应强度 对于该断路器而言,动触头是在对转动轴的 力矩M的作用下打开的。对任何一个单元i来 说,其对于转轴的转矩 为d 和力密度 的向 量积。那么在整个动导电杆区域对F 进行体积 积分运算,则可得到作用在其上相对于转轴的力 矩为 M=IJV  d ×F d (3) 在导电体区域,也就是触头导电回路中,电流 密度.,满足的边界条件为 rotf、  r0tTl_0,/ J=rotT (4) 式中 ——导体的电导率 卜矢量电位 fTdl=, (5) 式中 卜__流过导体的电流 在得到电流密度.,的分布后,整个场域中根 据磁通密度B和.,之间的关系,即可得到B的分 布。B和.,的关系式为 rotl、  r0 l=I,,B=rotA (6) 式中 ——磁导率 A——矢量磁位 三维模型的有限元剖分图如图4所示。 一1 2一 ・研究与分析・ 图4断路器导电回路有限元剖分图 为简化计算,不考虑电弧形状对断路器分断 特性的影响,认为动、静触头间弧柱的截面积与触 头截面积尺寸相等。断路器导电回路电流密布分 布图,如图5所示。 图5断路器导电回路电流密度分布图(,=20 kA) 根据以上洛仑兹力矩的计算模型,可计算出 随触头转角 和回路电流i 变化的洛仑兹力矩 数值,也即M =.厂(Ot,i,)的二维数据网格。不同 触头转角下,洛仑兹力矩随电流变化的曲线关系 如图6所示。 g 600 Z \ 窖400 200 0 20 40 6O 80 1OO /kA 图6不同触头转角下洛仑兹力矩 随电流变化的曲线关系 2.2考虑电动斥力的分断过程分析 断路器的短路分断过程是一个涉及电场、磁 场及机械运动的复杂过程,本文通过对ADAMS ・研究与分析・ 低压电器(2013No.6) 进行二次开发,将机械运动方程和电路、电磁场方 程耦合求解,从而实现断路器的分断过程仿真。 对试验短路分断电流(预期电流10 kA)进行 拟合,拟合波形如图7所示。 拟合曲线计算公式为 ,( )=一4 103+2.835×106t+3.195 74× 108t 一2.008 55×101 0t (7) 图7试验电流波形及其拟合波形 在动态仿真过程中,通过ADAMS二次接口程 序,计算电动斥力的步骤如下:①由式(1)计算霍 姆力;②由式(7)计算该时刻t的电流值;③在已知 该时刻电流和转角的条件下,采用二元插值方法在 二维数据网格中查取洛仑兹力矩;④将以上霍姆力 和洛仑兹力矩通过二次接口函数返还到ADAMS 软件中。通过以上步骤的不断迭代计算,可仿真出 断路器分断短路电流的整个动态运动过程。 分断过程中,作用在动触头杆上的电动斥力 对转动轴的转矩仿真曲线如图8所示。由图8可 见,到t 时刻,转矩发生了一个突变。这是因为 此刻动、静触头发生了分离,霍姆力消失。考虑电 动斥力作用下的动触头杆角速度、角位移仿真曲 线如图9所示。由图9可见,在3 ms前,动、静触 头杆未分离;在4 ms后,脱扣器使锁扣钩脱扣,动 触头杆迅速动作。与不考虑电动斥力的分断仿真 曲线比较可见,由于短路情况下电动斥力的作用, 断路器分闸时间减少到了9 ms,大大提高了断路 器的分闸速度。 3 断路器刚一柔耦合动力学模型及 蛊力分析 3.1 断路器刚一柔耦合动力学模型的建立 为了分析断路器的关键零部件在分断短路电 流过程中应力场分布情况,需要建立断路器的刚一 图8电动斥力仿真曲线 38O.0 375.0 —370.0 365.O 360.0 355.0 图9计及电动斥力的断路器分闸仿真曲线 柔耦合动力学模型。其建模过程可分为2部分: ①利用有限元软件对关键零件进行模态分析; ②在ADAMS中读人模态分析文件,建立刚一柔耦 合动力学模型。 本文所研究的断路器的关键零件为动触头 杆。首先,在三维建模软件Pro/E中将关键零件 输出成Parasolid模型中性文件;然后通过Ansys 读人该中性文件,完成该零件的模态分析,以.mnf 格式输出。在Ansys中生成柔性动触头杆的具体 过程如下: (1)设置单元类型。划分单元,形成有限元 模型,选用8节点体单元solid45。 (2)定义材料属性。动触头杆采用具有良好 力学性能及导电性能的铬青铜QCr0.5,通过查表, 定义动触头杆材料杨氏弹性模量为120×10 MPa、 泊松比为0.32,密度为8.76 X10 kg/1TI 。 (3)定义柔性体的对接界面。在ADAMS仿 真分析中,力和力矩都施加在对接界面上,并要考 虑限制条件:①一个对接界面上的点需有6个自 由度;②力或力矩应施加在面上而不是单独一个 节点上;③如果在与ADAMS的连接处没有节点, 则需创建一个节点,此节点称为外连点。如果连 接处柔性体为孔,则需在孔的中心处创建一个外 连点,并使用刚性区域处理此节点(外部节点)与 其周围的节点。为了满足上述条件,本文使用梁 一1 3— 低压电器【2013No.6) ・研究与分析・ 单元来定义对接界面。 (4)进行模态分析,输出.mnf接口文件,至 此模态文件建立完毕。它是建立刚一柔耦合动力 学模型所需的数据文件,包含模型几何信息、节点 质量与转动惯量、各阶模态、模态的广义质量和广 义刚度等。 力出现在881号节点,其值约为41.6 MPa,以第四 强度理论作为强度校核标准,由于其最大应力值 小于许用应力,故断路器动触头杆满足强度要求。 动触头杆最大应力节点881的应力变化曲线 如图11所示。由图11可见,表明其可在 6 _二 4 3 3 2一_I■骨310.O11 5 s后,动触头杆所受应力几乎不会对杆件 性能造成影响。这可直观、准确地掌握了在整个 分断过程中动触头杆危险点的应力变化情况,为 2 9 5 2O 42 0 8 6动触头杆的模态中性文件创建完成后,在 ADAMS中嵌入ADAMS/Flex模块l6 J,将柔性体模 型导入到ADAMS中,替换原来的刚性体,得到断 路器的刚一柔耦合仿真模型;然后通过模型检查, 无错误信息,就可进行动力学仿真分析。 3.2动触头杆应力分析 对建立完成后的刚一柔耦合动力学模型执行 一次仿真,就可得到动触头杆的应力场分析结果。 其应力最大时刻的应力分布云图如图10所示。 由于动触头杆材料主要发生弹性变形,故根据材 料力学的第四强度理论 ,有 去 ≤v__zs=【 】 (1) , 式中o ——米塞斯应力 or 、 :、or,——受力点3个方向上的主应力 ——材料屈服极限 n——材料安全系数 [ ]——材料许用应力 对于本断路器的动触头杆材料,n=1.2,or = 225 MPa,则许用应力【o-】= /n=187.5 MPal8]。 图10 t=0.011 5时刻动触头杆应力云图 由图10可见,动触头杆开始动作0.011 5 s 后,杆的两侧部位应力分布最为集中,是由于此刻 动触头杆与断路器框架发生激烈碰撞,整个动触 头杆受到瞬问冲击所致。动触头杆最大米塞斯应 14一 进一步优化杆件结构、改善加工工艺等提供了理 论依据。 5O 40 硝30 2O ~ b l0 图1 1 动触头杆最大应力节点881的应力变化曲线 4结语 (1)建立了断路器的多刚体动力学模型,并 通过试验验证了该模型的正确性。 (2)通过对ADAMS进行二次开发,将机械 运动方程和电路、电磁场方程耦合求解,从而实现 考虑电动斥力的断路器短路分断过程仿真。仿真 结果表明,在严重短路分断条件下,电动斥力可使 平均分闸速度提高约2倍。 (3)通过Ansys与ADAMS的协同仿真,建立 了断路器的刚一柔耦合模型,完成关键零件在断路 器短路故障分断过程中的强度分析,为断路器设 计中关键零件的设计和优化提供了一条有效 途径。 【参考文献】 [1] BRACCESI C,LANDI L,SCALETrA R.New dual meshless flexible body methodology for multi—body dynamics:simulation of generalized moving loads[J]. Journal of multi-body Dynamics,2004(2):51-62. [2] 陈德桂李兴文.低压断路器的虚拟样机技术[M]. 北京:机械工业出版社,2009. [3]HOLM R.Electric contacts[C].Berlin:4ThEd.Spring— Verlag,1967. (下转第20页) 低压电器【2013No.6) ・研究与分析・ O.010 0.009 发生的情况,并分析其波形特点和频谱情况,以实 现正常电弧与故障电弧的正确区分。 0.008 0.007 0.006 0.005 0.004 0.003 0.002 0.O01 由于各种负载在日常生活中使用环境极其复 杂,因此ACFI产品技术开发需要不断积累经验 和完善。随着AFD相关标准的不断完善和ACFI 产品在试用中反馈信息的积累,ACFI产品性能会 不断提高,制订相应的安装规程来强制推广ACFI 5 10 15 20 25 30 35 4O 45 5O 0 f/kHz 也将势在必行。 图14笔记本电脑和白炽灯负载串联电弧电流FFT结果 【参考文献】 [1] UL 1699--2008 UL Standard for Safety for Arc—Fauh Circuit—Interrupters[S].2008. [2] CN 200680029148.1响应于积分检测电流值间隔 6 结 语 AFD技术关键在于先区分负载电流的电弧 状态和非电弧状态;如果是电弧状态,再正确识别 间变化模式的电弧故障检测器[s]. 故障电弧和正常电弧。目前的电弧故障检测并不 一[3] US 6259996B1 电弧故障检测系统[S]. [4] US 2009059449A1 电弧探测器系统和方法[s]. [5] CN 200780048957.1用于进行电弧故障检测的系 统和方法[S]. 定能完全检测所有的电弧故障和非电弧故障, 未来的发展方向是AFD覆盖尽可能多的电弧故 障,且不发生误动作。为提高电弧检测的可靠性, 需要对大量负载及负载使用情况进行电弧试验和 重现,而且这是一个逐步积累的过程,同时需要在 [6] 电弧故障检测装置(AFDD)的一般要求(行业标准 报批稿)[S]. 收稿日期:2012—12—12 试验中不断找寻AFD误判可能导致ACFI误动作 《瓴石电器 》荣获第二届中国政府出版奖期刊奖 一中国期刊最高政府奖 中国学术期刊光盘版 中国科技论文统计用刊 全国中文核心期刊 中国科学引文数据库来源期刊 中国学术期刊综合评价数据库来源期刊 一20— 

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