2.6 框架断路器操作机构的仿真与优化设计

2.6.1 框架断路器的操作机构

框架式断路器（Air Circuit Breaker，简称ACB）主要在配电网络中用来分配电能和保护线路及电源设备免受过载、欠电压、短路、单相接地等的故障危害。以国内某厂生产额定电流为2000A的框架式断路器（DW45）为研究对象，这种断路器既有完善的保护功能，又能实现选择性保护，避免了不必要的停电，提高了供电可靠性。它采用立体布置形式，具有结构紧凑、体积小的特点。如图2-44所示。

图2-44 智能型框架式低压断路器

框架式断路器主要由触头系统、智能型脱扣器、手动操作机构、电动操作机构、固定板或抽屉座组成。电动操作和手柄操作两种方式装在一起，但互不干涉，位于断路器正面右侧，触头系统封闭在绝缘底板内，且每相触头都用绝缘板隔开，形成一个个小室，其上方是灭弧室。而智能脱扣器、手动脱扣器机构、电动操作机构依次排在其前面形成各自独立的模块单元，若其中某一模块损坏，可将其更换。触头系统用连杆与绝缘板外的主轴连接，操作机构通过连杆驱动动触头，完成闭合、断开的动作，为了降低电动斥力，每相触头系统均采用多片触头并联形式，多片触头安装在一个触头支持上。触头接触片的一端用软联结与母排连接。断路器采用弹簧贮能闭合，闭合速度与电动或者手动的操作速度无关。断路器利用凸轮压缩一级弹簧达到贮能的目的，并具有自由脱扣功能。一般对于实际复杂结构建立仿真模型时要进行一定的简化，简化的合理性取决于能否取得关心的数据，并且与实际相近。DW45型断路器操作机构的结构比较复杂，有上百个零部件，不可能所有零件都参与建模，考虑到所关心的问题和仿真的方便，对其做了适当的简化，如图2-45所示。

断路器有三种操作位置：贮能、闭合和分断位置，操作机构由五连杆-四连杆机构组成，它们是主轴上的AB、连杆1（BC）、连杆2（CD）、连杆3（DOa）和两个固定轴之间形成的连杆（OaA）。当机构位于再扣位置时，D可视为固定点，这时机构是四连杆机构，当按动释能按钮后，贮能杠杆逆时针转动，恰好其上的轴销猛力地打在连杆2上，使连杆2转动，并带动连杆1动作，使主轴悬臂顺时针方向转动，从而触头闭合，且轴C进入死点，保持触头在闭合位置。当按下断开按钮或来自过电流、欠电压或分励信号使分断脱扣半轴4转动，顶杆1脱扣，压在顶杆2上的力消失，四连杆变成了五连杆，连杆处于自由状态，在触头反力和复位弹簧力的作用下，断路器迅速断开。

图2-45 操作机构简图（贮能位置）

a）操作机构 b）简图

1—贮能杠杆限位件 2—主轴 3—主轴悬臂 4—分断脱扣半轴 5—主轴限位器 6—贮能弹簧 7—复位弹簧

三维实体机构空间布局设计是机构设计中的关键问题之一，借助动力学ADAMS分析软件，设计人员在屏幕上通过机构的三维动态显示，不仅可以直接地看到整个机构的运动过程，而且可以分析运动的极限位置转角、干涉情况、空间运动位置及运动参数，为产品设计提供了科学依据。

2.6.2 操作机构仿真模型的建立

通过ADAMS软件提供的图形接口模块，将三维实体造型软件UG中建立的机构三维模型导入到ADAMS软件中的。考虑到所关心的问题和仿真的方便，对操作机构作适当简化后，用ADAMS软件包建模。建模过程所用到的一些重要参数见表2-11。

表2-11 建模过程中用到的部分参数

建模过程中应注意的关键之处简述如下：

1）动力及反力的合理施加 在短路故障发生后，短路电流流经框架断路器时，脱扣机构动作，机构在分断弹簧和触头反力的作用下，断路器迅速断开。分断弹簧的输出特性决定了分断过程主要参数的值（如刚分速度、平均分断速度、分断时间等），因此需要注意准确定义弹簧参数。合闸过程相对复杂一些，在此过程中，不仅涉及分断弹簧的反力，还涉及合闸弹簧以及贮能杠杆上的轴销对下连杆2的猛力敲击，此过程中的诸多碰撞力不能遗漏。在分合闸过程中，主要运动部件之间的摩擦力也要考虑。

2）约束关系 操作机构中的约束关系包括固定约束（fixed joint）、转动约束（revolute joint）和碰撞（contact）等。约束关系的添加要充分考虑实际操作机构中可能存在的约束，遗漏任何一个约束关系都会严重影响到输出结果。此仿真模型共包含37个零件（PART），定义了约束38个（其中固定副Fixed Joint 22个，转动副Revolute Joint 16个），4个接触作用力，并考虑了主轴旋转时的摩擦力。例如连杆1与连杆2之间、连杆2与连杆3之间等均采用转动副连接，转动副的特点是限制了所连接的两个零件的两个转动自由度和3个移动自由度，使得零件间只能沿转动副的轴线相互转动。

3）仿真过程的控制 在ADAMS软件中，为了实现对仿真过程的控制，需要添加传感器（sensor）来控制仿真过程的自动终止。分断过程的起始时刻对应三相触头处于闭合状态，合闸过程的起始时刻对应三相触头分开状态，当连杆1与连杆2间夹角约为180°时，顶杆1和脱扣半轴再扣，五连杆变成了四连杆，断路器闭合，合闸过程的结束。

2.6.3 ADAMS软件中的仿真结果

在建模和正确施加约束后，进行仿真分析。在空载合闸过程中，主轴角度变化情况如图2-46所示，从曲线中可以看出，主轴角度变化到最大值47.686°时，所用时间约为10ms。

图2-46 空载合闸过程主轴角度变化曲线

仿真结束后，ADAMS软件可绘制样机的各组成构件的分析曲线，如碰撞力、合力、力矩、位移、速度和加速度等机械参量。图2-47是轴销猛力地打在连杆2上撞击力。撞击力如此之大，使得下连杆快速转动，带动连杆1动作，使主轴悬臂也快速顺时针方向转动，达到触头闭合的目的。

图2-47 轴销打在连杆2上碰撞力

在ADAMS软件仿真过程中，通过添加测量（measure）来测试模型的参数。图2-48为空载闭合时动触头角度变化曲线，曲线A为ADAMS软件的仿真结果，曲线B为实验测试结果，测试方法同塑壳断路器（见图2-7），从图可以看出，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。

图2-48 空载闭合时动触头角度变化曲线

2.6.4 操作机构的优化设计

如何提高断路器的开断速度是低压断路器研究的一个重点，这里采用优化和改进操作机构来达到这个目的，优化分析的具体方法与前述塑壳断路器相同。影响动触头打开速度的因素有三个方面：

1）开断弹簧的刚度系数，它对于速度的影响最明显；

2）以Oa为参考点，轴A、B、C、D、E的位置对速度的影响；

3）在轴的位置确定后，杆件的形状发生变化时，即杆件的质量和质心发生变化时对速度的影响。

因此，通过以上三个方面的分析，分析了各种参数对开断速度变化的影响。

（1）开断弹簧刚度系数对开断速度的影响

增大开断弹簧的刚度系数可以提高开断速度。图2-49为不同刚度系数下的动触头的速度。

图2-49 不同刚度系数下的动触头速度比较

（从下到上5条曲线分别对应弹簧刚度系数为3、4、5、6、7N/mm）

图中，从曲线1到曲线5，分别为在3N/mm、4N/mm、5N/mm、6N/mm、7N/mm的刚度系数情况下的仿真曲线，从图中可以看出，从曲线1到曲线5，动触头速度依次增大。增大刚度系数可以达到目的，但增量不是很大，从图中可以看出在3ms之前五条曲线几乎是重合的（因为刚开始动作的时候是反力弹簧作用力为主），之后才慢慢区分开，可以看出开断速度的增量和刚度的增量是完全不成比例的，而且分断弹簧刚度的增加必然要使得断路器合闸力增加，造成合闸困难，因此增加刚度系数并不是一个很好的选择。

（2）各个轴的位置对开断速度的影响

这部分工作通过ADAMS软件提供的设计研究来进行。这里以轴A、B、C、D、E（见图2-45）的x，y坐标为单独的设计变量进行设计研究。以下为以A、B、C、D、E5个轴的x、y坐标值为10个设计变量，使它们的值有相同的变化范围，都是在±1.5（mm），以相同步骤的设计研究，观察每个变量对平均角速度的影响。表2-12为轴的位置设计研究结果。

根据表2-12，可以知道哪些设计变量对角速度有较大的影响。从表中可以看出，变量DV_7、DV_9、DV_11、DV_13、DV_14的敏感度较大，即轴E的y轴坐标、轴A、B、D、E的x轴坐标对动触头的开断角速度有较大的影响。根据这个结论，可以进一步对这几个变量进行调整，进行优化分析以获得进一步的优化设计结果。

表2-12 轴的位置设计研究结果表

优化分析是ADAMS软件提供的一种复杂的高级分析工具。通常，优化分析问题可以归结为：满足各种设计条件和在指定的变量变化范围内，通过自动地选择设计变量，由分析程序求取目标函数的最大或最小值。由此，对DW45操作机构进行分析，以敏感度较大的5个变量为基础，进行机构的优化。目标函数是使动触头平均角速度最大。表2-13是优化分析结果。

表2-13 考虑轴的位置后的优化结果

从表2-13中看出，经过5个变量同时变化的优化分析，使得动触头平均角速度从1355.82deg/s提高到1446.04deg/s，同时动触头的刚分速度从1.68m/s提高到2.11m/s。

（3）杆件的质量和质心对开断速度的影响

以图2-45中的杆件主轴悬臂、连杆1、连杆2和顶杆的质量和质心坐标为设计变量，进行如2.6.3节所介绍的设计研究。各杆件质心的x、y坐标值在[原始值±1（mm）]区间内五等分，质量在[原始值±10（g）]区间内五等分，研究它们对动触头开断角速度的影响。表2-14为杆件质心对角速度影响的设计研究结果，表2-15为杆件质量对角速度影响的设计研究结果。

表2-14 杆件质心对角速度影响的设计研究

表2-15 杆件质量对角速度影响的设计研究

从表2-14、表2-15中可以看出：1）主轴悬臂的质心对动触头角速度影响最大，在图2_-45中应使其x坐标向右移动，y坐标向下移动，这可以通过改变零件的形状来获得；2）连杆1的质心影响也较大，可以在图2-45中应使其质心向左上方移动；3）连杆2的质心y坐标影响较大，应使其向下移动；4）顶杆的质心影响较小；5）它们的质量越大，角速度越小，所以应该减小质量。