基于ADAMS的新型PT保护装置快速脱扣机构

魏明明，郑雪钦，杨长洲,易荣先

(1.厦门理工学院电气工程与自动化学院，福建 厦门 361024；2.ABB(中国)有限公司厦门分公司，福建 厦门 361006)



基于ADAMS的新型PT保护装置快速脱扣机构

魏明明1，郑雪钦1，杨长洲2,易荣先1

(1.厦门理工学院电气工程与自动化学院，福建 厦门 361024；2.ABB(中国)有限公司厦门分公司，福建 厦门 361006)

基于SOLIDWORKS建立新型PT保护装置快速电磁脱扣机构模型，并在机械系统动力学自动分析(automaticdynamicanalysisofmechanicalsystem，ADAMS)中建立快速脱扣机构虚拟样机，通过对虚拟样机进行理论力学分析、动力学仿真，得到快速脱扣机构在临界脱扣时预压紧弹簧力与分闸力的关系曲线，发现小的预压弹簧力(20N)需要大分闸力(60N)才能脱扣.样机脱扣实验验证了此种关系.此机构有效节省了整体装置因复杂连杆机构产生的成本.

快速脱扣机构；预压紧弹簧；PT保护；三维建模；ADAMS仿真

10kV配电网系统直接关系着电力用户的切身安全，其安全性、可靠性、稳定性至关重要.电压互感器作为系统中重要的测量与监控设备，为系统的安全与经济运行提供了保障[1].目前，系统中通常采取在电压互感器一次侧串联熔丝的方式，以保护电压互感器内部故障或与系统连接线的故障.熔丝故障电流快速熔断特性很好地保障了电压互感器在故障电流时能够快速切除，以保证电压互感器自身和系统不受影响.然而，根据现场运行经验，随着系统容量不断增大，用于保护电磁式电压互感器的熔丝经常发生不动作或是熔丝出现异常熔断现象，严重时导致电压互感器的烧毁，对系统的经济可靠运行带来极大的威胁[2-4].

虽然熔丝结构简单，但熔断器的单次开断特性带来的频繁更换将造成不同程度的停电事故，且熔断器熔丝更换麻烦，价格昂贵.熔断器开断过程容易影响环境，严重时甚至发生爆炸事故.因此有必要研究设计一套新的保护装置以实现对电压互感器的有效、多次、可靠开断保护.本文通过SOLIDWORKS建立了PT新型保护装置快速脱扣机构的3D模型，在ADAMS中建立了新型PT保护装置虚拟样机型，并对脱扣装置进行了力学分析和动力学仿真，为PT新型保护装置设计提供了一定的理论依据.

1 新型保护装置建模

所设计电压互感器一次侧新型保护装置参考模型如图1所示，它主要由真空灭弧室、快速电磁脱扣机构和保护对象电压互感器构成.

所设计的快速电磁脱扣机构如图2所示，励磁线圈串联在电压互感器一次回路中，当PT一次高压侧出现电流过大时，电磁线圈在机构内产生磁通，电磁滑块在此磁通作用下受到电磁吸力向下压缩弹簧运动，脱扣小球因受到电磁滑块预压力减小而释放分闸拉杆，完成分闸操作.

2 新型保护装置的电磁脱扣机构理论力学分析

在电磁脱扣装置处于闭合状态时，机构内各元件应处于静态平衡位置，因此可对各机构原件进行静态受力分析.初始条件及各参数设定：分闸拉杆分闸力F分，预压弹簧预压力F预，触头自闭力F自闭，动触头重力G动，分闸拉杆重力G分，小球、电磁滑块重力G球、G滑，小球对拉杆的作用力F1～F6，小球对空腔的作用力F7，小球对电磁滑块的作用力F8，规定作用力与反作用力均取F′.

2.1 分闸拉杆受力分析

电磁脱扣机构在合闸位置时静态受力分析如图3所示.

由拉杆处于静态平衡位置分析可知，其在X、Y轴方向上受力处于平衡，且由对称性可知，6个小球在X轴分力相互抵消，合力为零，所以在Y轴方向上有：

(1)

式中，θ1为小球对拉杆作用力与Y轴方向夹角.因此由式(1)可得：

(2)

2.2 电磁滑块受力分析

在Y轴方向上有：

(3)

即：

(4)

2.3 小球受力分析

X轴方向：

(5)

Y轴方向上：

(6)

式中，θ3为空腔作用点与小球球心连线与Y轴的夹角，可通过实际机构模型测量得到.将式(5)代入式(6)消去F7可得：

(7)

再将式(4)代入式(7)可得：

(8)

联立式(6)、式(8)可得：

(9)

代入脱扣小球和电磁滑块重力G球=0.05 N、G滑=0.4N、F保持=150 N、F分=300N，可得装置保证合闸所需预压紧力为：

(10)

因此可以由式(10)计算得到不同分闸力情况下脱扣装置保证合闸所需预压紧力值，如表1所示.

表1 不同分闸力下装置合闸所需预压紧力

3 电磁脱扣装置ADAMS仿真分析

为了仿真得到电磁脱扣装置在合闸状态预压弹簧力和分闸弹簧力的关系，将SOLIDWORKS模型导入到ADAMS中，并设置相关材料及约束关系，建立起电磁脱扣装置的虚拟样机[5-7]，其模型如图4所示.

为了保证PT新型保护装置在正常运行状态时能够可靠地闭合，对所设计的初始分闸弹簧预压力，需匹配相应的初始预压紧弹簧预压力，弹簧劲度设置为10N/mm，初始预压力设置为150N.通过仿真求解脱扣装置能够保持锁扣状态下预压弹簧预压值.通过参考预压弹簧力理论计算值，仿真得到脱扣机构临界动作所需预压力.当设置预压紧弹簧预压力为75N时，劲度系数设置为5N/mm，仿真得到动触头速度和位移曲线如图5所示.

图5中，当分闸弹簧力设置为150N，预压紧力设置为75N时，动触头在5ms时速度明显增大，且在15ms左右时速度达到最大值1.8m/s.同时，动触头位移不断增大，在大约25ms时保持不变，说明完成脱扣动作.当继续增大预压紧弹簧力至80N时，仿真结果如图6所示，从图6中可以看出，在仿真刚开始时，动触头速度和位移出现微小变化，说明此时动触头在分闸力作用下出现轻微震动，但后面触头速度几乎为零，位移几乎不变，说明在80N预压力下，分闸力为150N时无法完成脱扣动作.

为了能够得到分闸弹簧预压力和预压弹簧预压力的关系，通过在仿真过程中设置不同预压弹簧力的值，得到装置临界脱扣状态时所需分闸弹簧预压力值.同时为了能够更加清楚了解不同预压弹簧劲度系数对脱扣特性的影响，分别进行了两组不同预压弹簧劲度仿真，所得结果如图7所示.

4 实验验证

为了得到PT新型保护装置在正常工作作态时预压紧弹簧力与分闸弹簧力的关系，需对电磁脱扣装置[8-9]进行临界脱扣验证实验，装配好的脱扣装置如图8所示.图8(a)为预压装置实物图，图8(b)为将预压装置装入后实物图.

利用DTL-弹簧抗压强度测试仪对所购两种不同规格预压紧弹簧劲度系数K1、K2和分闸弹簧劲度系数K3进行测量，测量方法为利用弹簧拉力在垂直方向拉预压紧弹簧，并记录不同压缩量下弹簧拉力计的值，结果如表2所示.由表2中所测数据可以得到：K1=1.86 N/mm，K2=2.32N/mm，K3=7.56 N/mm.

表2 弹簧劲度实验数据表

表3 预压开断实验数据表

通过对电磁脱扣装置理论分析、动力学仿真及实验结果绘制曲线(如图8所示).可以看到，相同预压紧力下，实验所得脱扣所需分闸力相对较大，与仿真和理论分析结果之间存在较大差值.造成这一原因可能是因为零部件尺寸较小，尤其是电磁空腔内小球接触处尺寸较为精细，在进行加工过程中可能存在小瑕疵，造成脱扣更困难，即增大脱扣所需分闸力.同时通过观察两组仿真曲线结果，可以看到预压紧弹簧劲度对于装置的脱扣性能影响不大.

5 结论

本文通过SOLIDWORKS建立了PT新型保护装置快速脱扣机构3D模型，并在ADAMS中建立了新型PT保护装置虚拟样机型，通过对脱扣装置理论力学分析，实现了脱扣装置的动力学仿真，得到了脱扣装置在不同预压弹簧力作用下所需分闸弹簧力，并通过对样机进行脱扣实验得到相关数据.最后，通过对比理论分析、仿真和实验所得结果，确定满足要求的分闸弹簧力和保证装置不脱扣所需的预压紧力，为PT新型保护装置设计提供了依据.

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(责任编辑 雨 松)

A Fast Trip Actuator for a New PT Protector Based on ADAMS

WEI Mingming1，ZHENG Xueqin1，YANG Changzhou2，YI Rongxian1

(1.SchoolofElectricalEngineeringandAutomation，XiamenUniversityofTechnology,Xiamen361024，China;2.ABBChina，XiamenBranch，Xiamen361006，China)

AfastelectromagnetictrippingmechanismofnewPTprotectiondevicewasmodeledbasedonSOLIDWORKS，andavirtualprototypeofitestablishedinADAMS(automaticdynamicanalysisofmechanicalsystem).Byanalyzingthetheoreticalmechanicsanddynamicsimulationofthevirtualprototype，therelationshipcurvebetweenthepreloadspringforceandtheopeningforcewasacquired.Itwasconcludedthatasmallpreloadspringforce(20N)needsalargebrakeforce(60N)torelease.AreleaseexperimentVerifiesthatthenewmechanismcancouldreducethecostforcomplexlinkagefortheentiredevice.

fastactuator；preloadspring;PTprotection;3Dmodelling;ADAMSsimulation

2016-05-26

2016-08-24

魏明明(1990-)，男，硕士研究生，研究方向为高电压技术与绝缘.通讯作者：郑雪钦(1975-)，女，副教授，博士，研究方向为电机控制及电力电子技术应用.E-mail:zhengxq219@163.com

TM451;TP

A

1673-4432(2016)05-0030-06