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关于69千伏SF6气体绝缘断路器在打开状态下弹簧操作结构的动力学原理昆山科技大学机械工程系，P.O.箱40-070台南，台南市701，中华民国台南市；机械与自动化工程学系，国立高雄第一科技大学，中华民国，台南，高雄市2001年6月27日收到，2002年5月4日正式接收摘要本文研究的SF6气体绝缘电路的弹簧式操动机构断路器在打开状态下的动态响应。

对于作用于外力的单个自由度刚性机械系统，其运动可以通过一个二阶非线性微分方程来表示。

本文中，使用矢量回路法来推导出弹簧式操动机构所有部分的动力学系数和重力中心。

这里我们采用四阶龙格- 库塔法对此运动的方程式求解。

分析结果显示，该断路器的开断时间为0.078秒，与实验结果仅仅存在5％的差异。

本文对具有不同弹簧常数的断路器的动态响应进行了研究，同时也对其断裂时间的效果进行了评估。

已知其动态响应，断路器的输入驱动转矩可以也可以从此运动方程计算得出。

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关键词：断路器;动力学;运动方程;运动系数一、介绍一个断路器可以手动打开和关闭，也可以自动打开以保护导体或设备在电流短路状态下温度过高引起的损害[1]。

一个断路器的基本设计必须要考虑的几个要素是绝缘材料，导热，导电性等。

而对于六氟化硫（SF6）气体绝缘断路器来说，另一个非常重要的必须要考虑的要素是10毫秒的截断时间，以避免长时间燃弧过热导致的移动熔化和固定接点熔化。

一个断路器的高速启动和迅速分断对其运行机制所有成份的要求在于紧凑，耐用和安全以承受输入电源的供应，这样在系统崩溃的情况下，它们的功能也能完整达到运行要求。

六氟化硫对于高电压电流应用方面是一个很好地气态介质。

它已被广泛地应用于电力行业诸如高压断路器及高压电力的开关设备。

六氟化硫（SF6）的一些优秀特质：高介电强度，独特的弧形淬火能力，优异的热稳定性和良好的导热性都在电力行业得到了理想的运用。

断路器的操作机构根据动力源可分为三种类型，即，气动，液压和弹簧。

液压与气压主要用于需要高操作力高电压等级的断路器。

然而，对于中小型的断路器，通常使用弹簧做为其动力源操作。

近年来，弹簧操作的电路断路器在较少使用操作力方面得到了很大进步，这使得在一个时期内，这类电路断路器将不可避免地扩大应用。

一般分析和使用断路器打开状态下的动态响应是借助于计算机辅助设计模拟程序包的。

Root and Ragsdell[2提出一个断路器模型即在机构运动非线性不等式中的目标函数采用分段时间，连杆应力和断路器能源来约束。

目标函数和约束条件的计算借助于电脑集成机制方案（IMP）。

我们通过创意机构设计法来研究住宅（110/220V）断路器的结构合成。

创建ADAMS模型进行优化，仿真和分析这种运行机制。

此模型中，输入常数是被测定的，动态分析由机构的表现组成。

断路器的动态响应，也可以采用多体动力学进行分析[4,5]。

该方法在分析复杂机制的动力学方面是特别重要的[6-9]。

基本上，多体系统是刚性机件的组合，该组合产生由于条件限制引起的相对运动。

在多体动力学中，拉格朗日方程通常被用来推导出一组用数值方法求解后的二阶非线性微分方程。

然而，差分方程的数目随着其复杂性的日益增长成倍增加。

不仅推导过程变得繁琐，计算时间也在求解这些方程的数值时显著增加。

对于一个刚性的机械系统的自由单一度，其运动方程可以表示为一个二阶非线性差分方程[10-12]，即拉格朗日方程的一种特殊形式。

一般而言，大部分机构具有一个自由的单一度，它们的动态响应可以表示为不要求推导一组微分方程的运动的一个方程，因而很容易能够通过数值法求解出来。

本文推导出怎样使用动态方程对弹簧式操作机构断路器的动态响应进行求解。

根据定义，各机械部件的动力学系数及它们的重力中心被推导出来从而可以得到运动方程的系数。

该方程采用四阶龙格- 库塔法求解并与实验结果进行了比较。

一旦已知断路器的动态响应，输入驱动转矩也可以从运动方程计算出来。

2、弹簧式操作机构图：图1示出一69千伏SF6气体绝缘断路器，图的顶部是断续器，底部的弹簧式操作机构。

其工作原理说明如下：（1）关闭操作：在关闭操作中，电力是通过一个合闸线圈传入，然后吸引衔铁再松开闭合锁。

这时，合闸弹簧松开应变能去旋转的摄像头，从而驱动连杆机构。

联接灭弧室的链接向下被迫压缩合闸弹簧，封堵了灭弧室。

同时，打开操作的跳闸簧被压缩。

（2）合闸弹簧的存贮操作：闭合操作后，凸轮触发电机开关随之运动。

这一链接反应启动一个电机电流去摇动曲柄摇杆机构为其棘爪绕其枢轴棘轮时提供动力。

因为凸轮和棘轮是同轴的，闭合弹簧就是这种压缩。

（3）打开操作：在打开操作中，跳闸线圈的激活使跳闸开关被吸引，从而释放跳闸闩锁。

应对的是，跳闸弹簧被压缩并通过提起毗邻它的链接打开断路器。

同时，用于返回操作的返回弹簧被压缩。

（4）返回操作：复位弹簧的作用力将连杆组件集中返回到它的预备位置以便于下一个关闭操作。

在关闭操作中，如图1和2所示，连杆7通过跳闸闩锁锁上因而保持静止状态。

连杆2是用于驱动凸轮的跟随器，连杆6产生输出动作。

在打开操作中，一个定位销禁止逆时针转动连杆2。

当跳闸闩锁打开时，跳闸弹簧旋转连杆6。

同时，连杆7在跳闸弹簧的作用力下顺时针转动。

在复位操作中，当连杆2通过复位弹簧力顺时针旋转时，跳闸弹簧的弹力系数高于其停转连杆6操作时的弹簧系数。

这种类型的断路器在可能出现的电源系统不可预知的情况下是特别有用的。

在不理想状态下，断路器的跳合闸弹簧储蓄维持就绪模式，可以在被手动重写从而瞬间执行“闭- 开–复位”这一序列操作。

这里强调的是，它可以在任一时刻产生两个打开操作，使它们更加安全和更加可靠。

3、运动方程如果单一自由度机械系统的所有成份是刚体，并且如果其摩擦惯性可以被忽视，那么它们的运动可以由一个二阶非线性微分方程[10 - 12] 来表示：这也被称为广义的运动方程。

θ是输入链接的角位移，I（θ）是广义的惯性，，M(θ)是广义的时间。

如果一个机械系统由n个链接组成，那么I（θ）和C(θ)在方程1中可以表示为：其中mi是链接i的质量，Ii是链接i的质量矩，jhi是链接I相对于链接J的运动学系数，jhgix 和jhgiy分别是连接I在X和Y轴上的重力学系数。

符号（‘）代表的衍生变量。

如果该机制的成员之一只用作翻译，那么它的运动系数的顺序与其旋转的部件构成是不同的。

该系数通常表示为jfi，这是相对于链接I的输入连接J而言的。

jfgix 和jfgiy是链接I相对于输入连接J分别在X轴和Y轴上的重力学系数。

Jf0gix and jfogiy分别是他们的衍生变量。

当使用运动方程来分析一个弹簧式断路器操动机构的动态响应时，各部分的运动学系数和重力中心首先必须推导出来才能够获得方程所求系数。

4、链接运动学系数在链杆组件的矢量回路图中进行打开操作，如图2所示。

可以得出一下四个向量环方程：在打开操作，跳闸弹簧旋转的动作在反时针方向链杆6，从而使断路器分开的移动触点从固定接触。

因此，在该操作中，链接图6是在输入链路。

分解方程。

（4）和（5）带入X和Y的标量分量和相对于差分与H6产量。

其中是向量的向量角，且从方程（8a~9b)的动态系数在打开的操作可求得。

区分方程。

（图8a~图9b）相对于H6给出其中通过求解方程中的运动系数可得：（18）类似的通过分解向量回路方程（6）和（7）代入X和Y的标量分量和区分，将所得到的答案联立方程产生的系数代入（8~11)得：其中联立的（8~11）可表示为（23.24.27.28），从上面的推导，运动学系数和可表示为：因此，如果角速度w6和角速度和链接6是已知的，则角速度，角加速度，i可为：则：5.重心的运动系数在弹簧式操动机构的情况下，断路器开断操作，假设重心的位置矢量和夹角和每个链路作为重心的运动学系数如下：将代入区分方程（34a~42b)得：在开关操作中，链接的重力中心处将派生运动系数代入方程（2）·（3）中，就可解决和。

请注意，这些解决方案将与改变该机制的运动。

因此，必须小心采用合适的位置分析所需的解决方案。

在弹簧型操作断路器的通断操作中，广义时间可表示为：其中是脱扣弹簧的刚度，是复位弹簧的和受钮螺旋弹簧的，是自由长度的脱扣弹簧的。

该复位弹簧的压缩前后的角度分别为和，和是分别作用在可动触点与所述液压缸的阻尼力的力。

这两个量可通过实验测量或通过数值分析获得的。

液压缸的设计，以产生制动作用，使得断路器将减速均匀，以避免突然的冲击。

6 结果与讨论尺寸，质量，重力和弹簧类型的操作系统断路器的成员转动惯量中心列于表1和表2。

表1表2作为该机制的初始条件，例如它的角度和速度，这是零的开头，是已知的，运动的刚体方程可以使用四阶龙格- 库塔法来解决。

在这个过程中，载体的循环方法是用来分析的机制的位置，因此，相关的运动系数。

理论和实验结果进行了对比图3-5，345其分别示出了链路，其角速度和它的角加速度相对于时间的角度位移。

但必须注意的是，为上连杆10的矢量和之间的角度。

图。

6显示了开放的操作过程中机制的动画过程。

由于篇幅的限制，链路6的运动无法衡量。

相反，为的仪器设置的方便性，角位移与连杆10的时间进行测定，并绘制。

理论上的解决方案，而另一方面，可以由矢量闭环方法得到：其中；并且，连杆10的速度和加速度可以从等式来解决。

分别（30）和（31）。

从理论计算，执行打开操作时，断路器的开断时间为0.078 S的比较时的0.082业绩在0.004个差异，或低估5％的实验测量值。

图3比较了理论和实验的角位移。

相互重叠之前打开操作，但之后稍有偏离。

同样观察到的速度和加速度曲线，如图4 和图5。

其原因之一为较短的预测时间是液压缸和可动触点的唯一的抵制力被认为是在关节之间的摩擦力被忽略。

图6另一个原因是，弹簧的刚度被假定为常数，但实际上它可能与弹簧长度归因于预测的和测量的时间之间的偏差变化。

设计的电路断路器时要考虑的最重要的因素是，在断路器执行打开操作在尽可能短的时间并降低了截断时间的方法之一是通过增加弹簧的刚度。

图7示出连杆10时，原来的弹簧的刚度增加了5％和10％的角位移。

显然，断裂时间已经减少了0.018和0.023 s时。

图7结果显而易见的，比方说，5％增加的刚度，有效地减少了破裂时间。

然而，超出5％，时间的减少是显著的。

因此，这是在这里表明，来自本文中的分析过程提供了一个工程师设计的电路断路器与合适的截断时间的有用手段。

这可以通过仅仅调整所述弹簧的刚度来实现。

弹簧式操作系统断路器，引起弹簧的作用下突然起动的运动，往往导致可能损坏的链接，并随后降低他们的工作生活的联系突然加速。

然而，如果可动触点的最终位移曲线是已知的，方程（1）可以用来获得输入驱动转矩。

图8示出所需要的输入驱动为在摆线曲线（CC），经修饰的正弦（MS）的曲线和改性的梯形（MT）曲线[14]的形式，可动触点的位移曲线的转矩。