一种分析低压塑壳断路器分断过程的方法-2006

一种分析低压塑壳断路器分断过程的方法低压电器(2006№

2)

研究与分析

一种分析低压塑壳断路器

3

　　分断过程的方法

　　李兴文,　陈德桂

　(西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室,陕西西安　710049)

摘　要:提出一种分析低压塑壳断路器(MCCB)分断过程仿真的方法。该方法通过对ADAMS软件的二次开发,耦合电路、电磁场和机械运动方程,考虑电动斥力的作用,可分析各种因素对MCCB分断过程的影响。

关键词:塑壳断路器;分断特性;电动斥力;操作机构

中图分类号:TM564.8　文献标识码:A　文章编号:100125531(2006)0220003204

第一作者:李兴文

(1978-),男,博

士研究生,研究方向为低压电器及其智能化。

AWaytoAnalyzetheInterruptionProcessof

LowVoltageMouldedCaseCiitLIXing2wen,　(StateKeyLaboratoryofEquipment,

XianChina)

　　Abstract:tthetionprocessoflowvoltagemouldedcasecircuitbreaker(MCCB)was

proposedtheofelectro2dynamicrepulsionforce,whichcanstudytheinfluenceofthevariousfactorsonthetionprocessofMCCB,throughsecondarydevelopmentonADMAS,andcouplingthecircuitequation,electromagneticfieldandmechanismmotion.

Keywords:mouldedcasecircuitbreaker(MCCB);repulsionforce;operationmechanism

interruptioncharacteristics;electro2dynamic

0　引　言

与其他非限流低压断路器及中、高压断路器

的短路分断过程不同,低压塑壳断路器(MCCB)在机构尚未动作前,在电动斥力的作用下,动、静触头快速斥开并产生电弧,从而依靠电弧电压的快速上升而达到限流目的。瞬时脱扣器作为MC2CB的感测与执行部件,在短路分断过程中感测短路电流并输出动作信号,通过传动部件使操作机构解锁,此后操作机构才开始动作。在MCCB分断过程中,动导电杆和操作机构的运动并不同步,存在一个相对运动的过程。若两者的运动配合不好,随着电流和相应电动斥力的减小及触头压簧的作用,动触头可能回落,严重时甚至会造成熔

焊。因此,如何描述MCCB分断过程中相互耦合的复杂物理现象,并考虑各种因素对其性能的影响,分析动导电杆的运动特性,对于产品的分析、设计与优化具有重要意义。

文献[1]中研究了灭弧室结构和操作机构对断路器限流性能的影响,文献[2]中对低压断路器操作机构进行了动态仿真及优化设计。但现有文献均未建立一个能较好地描述MCCB短路分断全过程的数学模型。本文针对一额定电流为63A的MCCB,通过对ADAMS软件进行二次开发,耦合电路、电磁场和机械运动方程,考虑电动斥力的作用,建立了MCCB分断过程的仿真模型。基于此模型,分析预期短路电流及机构开始动作时间ts对MCCB分断过程的影响。结果表

3基金项目:教育部博士点基金资助项目(20020698008);西安交通大学博士论文基金资助项目(DFXJTU2004205)

—3—

低压电器(2006№2)一种分析低压塑壳断路器分断过程的方法

明,该方法对于MCCB的分析、设计与优化是有效的。

1　分析模型及计算方法

1.1　分析模型

气动力及机构间的相互作用。

1.2　电动斥力的计算

文献[3]中提出了在计算MCCB中电动斥力时考虑非线性铁磁栅片及电流收缩影响的计算方法。即应用三维有限元分析,引入圆柱导电桥模型作为接触点模拟触头间的电流收缩,其半径取决于触头的表面接触情况、触头材料性质及触头预压力的大小,这样就可以统一计算作用在触头间的Holm力和动导电杆上的Lorentz力,并以作用在动触头上的预压力为约束,通过迭代计算法计算出触头的斥开时间和对应的电流。

仿真断路器的分断过程时,需要动导电杆在不同打开位置、不同电流时的电动斥力数值。当触头打开后,Holm力已不存在,仅需计算Lorentz力FL的大小。因此,、电流值为自变量,,L格,图2示出了分析模型的。需要指出的是,该结果是根据力矩等效原则,将动导电杆上的受力等效作用于动触头的中心点上,方向垂直于动导电杆。由图2可见,打开角度为10°和20°时,力的数值差别不大

。

图1示出了ADAMS软件中MCCB模型及其机构示意图

。

(a)MCCB

模型

(b)机构简图

图1　MCCB模型及其机构图

　　由图1可见,MCCB操作机构是典型的五连杆结构。由触头支架f、下连杆g、上连杆h、跳扣k、锁扣m、操作手柄和分断弹簧等组成。动导电

图2　电动斥力、电流及打开角度之间的关系曲线

1.3　电弧电压的定义及电路方程求解

杆的转轴O上有一扭簧,它提供触头预压力。当短路电流到来,作用在动导电杆上的电动斥力超过预压力时,动导电杆即被斥开,并在电动、气动斥力及触头压簧的共同作用下绕轴O运动;同时,脱扣器动作,使m转动,在分断弹簧的作用下,k绕O2轴顺时针转动,使B点向左运动,从而通过g带动主轴绕O1点向上转动,直到动导电杆和主轴运动到最大转角位置。动导电杆的运动状态取决于由导电回路产生的电动力、电弧产生的—4—

　　电弧电压的特性比较复杂,与电弧长度及电

弧进入栅片的情况有关。图3示出了研究模型在预期短路电流有效值为8kA时的一个典型电弧电流和电弧电压波形,电弧电压峰值为390V。由图3可知,电弧电压由一个近似线性的上升阶段和平台期组成。因此,在本仿真过程中,采用参数化的方法定义电弧电压(见图4),并研究其特性对于分断特性的影响。其中:t0为对应触头打开时间,取决于作用在动导电杆上的力和触头预

一种分析低压塑壳断路器分断过程的方法低压电器(2006№

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加速度等与机械运动相关的物理量。

MCCB的分断过程是一个复杂的机电耦合的物理现象。要仿真这一过程,就必须耦合电路、电磁场和机械运动方程进行求解。本文通过对AD2AMS软件进行二次开发完成了这种耦合问题。如图5所示,通过二次开发接口,可从ADAMS中获得t时刻动导电杆的转动角度αt和位移st,根据此刻的电弧电流等,通过接口程序计算出t+Δt

图3　典型电弧电流和电压实验曲线

[5]

时刻的电动斥力值作为模型机械运动方程的参

数,并返回到ADAMS中。通过这种双向的迭代计算,即可仿真出整个分断过程

。

压力之间的关系;t1为对应于电弧电压上升到常数值U0所需的时间;ts为脱扣器和传动部件动作所需的时间,也即机构开始动作的时刻

。

图5　t+Δt时t时刻的参数计算

本身没有存储这些数据的功能,。此外,电流和电压等与时间的关系也均采用该方法获[6]

得。

图4　电弧电压定义

2　影响MCCB分断过程的因素

2.1　预期短路电流有效值的影响

　　电路方程为

2Usin(ωt+φ)=L+iR+Uarc

dt

i

t=0

假设电弧电压特性不变,改变预期短路电流

(1)

=0

的有效值,分别计算1、2.5、10kA时MCCB的分断过程。具体计算条件如表1所示。

表1　计算条件

t1/ms

ts/ms

U0/V

I/kA

式中　L、R———回路电感和电阻

U———电源电压有效值

φ———合闸相角

电弧电压Uarc可用上述定义得到。根据低压电器国家试验标准规定的电流与功率因数间的关[4]

系及电源电压数值,即可确定L和R。应用龙格2库塔法即可求得电弧电流的数值,并假设电弧电流过零后不重燃。1.4　分断过程仿真

ADAMS软件根据机械系统建模,自动建立系统的拉格朗日运动方程,对 …… 此处隐藏：4978字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……