低压断路器的建模仿真技术_工业技术

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前言

我国低压电器行业经过了60多年的发展，目前已成为全球低压电器最大制造国。新能源发电系统、低压直流电网等也为低压电器行业的跨越式发展和自主创新提供了难得的机遇，同

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第1章绪论

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1.1 概述

从19世纪末爱迪生（T.Edison）建立世界上第一套电力系统开始，人们就开始了以空气为灭弧与绝缘介质的开关电器研究。一个多世纪以来，已经由在大气中自然拉长电弧

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1.2 低压断路器的建模仿真技术发展概况

基于低压断路器建模仿真技术取得的长足进步，国际上各个主要公司纷纷建立并不断完善具有各自技术特点的专用仿真系统，并在新产品研发中得到了广泛应用。如ABB公司与德国

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第2章低压断路器操作机构动态特性的仿真与优化设计

断路器操作机构的动作速度与断路器开断特性有很大关系，断路器操作机构动作速度越快，电弧拉长得越快，使电弧越容易进入栅片，电弧停滞时间也越短，提高了电弧电压的增长速

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2.1 低压塑壳断路器操作机构的仿真建模

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2.1.1 低压塑壳断路器操作机构简介

首先取一额定电流为250A某型号低压限流式塑壳断路器（Moulded Case Circuit Break- er，MCCB）为例来说明操作机构的工作原理，如图

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2.1.2 操作机构仿真模型的建立

建立操作机构仿真模型的最简便的方法是从常用的三维实体造型软件中导入，如从SolidWorks、UG和Pro/E等建立的实体模型完整地导入到ADAMS软件，中间文

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2.2 单断点塑壳断路器操作机构的仿真分析

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2.2.1 单断点塑壳断路器操作机构动态特性的仿真

首先进行手动合闸过程的仿真，以图2-1的塑壳断路器为研究对象，建立三相触头处于分开状态的仿真模型，如图2-3所示，为了进行手动合闸，仿真时要防止跳扣动作，需在跳

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2.2.2 ADAMS软件中触头参数的测量方法

低压断路器中关于触头的参数主要有三个：触头终压力、触头超程以及触头开距。触头终压力是指动触头和静触头完全闭合时，加在接触面上的压力，它的作用是保证触头通过额定工

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2.3 计及电动斥力效应的断路器分断过程仿真分析

开关电器中的电动力直接影响着电器的工作性能。当发生短路故障时，断路器要迅速分断短路电流，在此过程中，动静触头之间产生很大的电动力，这个力必然会影响断路器的机械特

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2.3.1 分断短路电流的实验研究

实验中的故障电流是利用单频振荡回路提供的，主要是将大型电容器组充电后使之对电感放电以产生工频电流。图2-14是本实验的原理图，振荡频率为50Hz。其中SP为实验

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2.3.2 对动触头所受电动斥力的分析

如上所述，在触头未斥开前，作用在动触头上的电动斥力包括触头间由于电流收缩产生霍姆力FH和导电回路产生的洛伦兹力FL。计算电动力时，必须同时考虑以上两个力。由于洛

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2.3.3 计及电动斥力效应的断路器分断过程仿真分析

对断路器分断短路电流的动态过程进行仿真，需要耦合电路、电磁场和机械运动方程进行求解，通过对ADAMS软件进行二次开发，实现了这种耦合求解的问题。如图2-21所

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2.4 低压塑壳断路器操作机构的优化设计

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2.4.1 影响断路器分断速度的主要因素

提高分断能力及其使用寿命一直是低压断路器研究的一个重点内容，可以通过改进灭弧室结构提高灭弧能力、优化与改进操作机构和缩短触头弹跳时间等方法来达到提高分断性能的目

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2.4.2 以关键轴的位置作为设计变量的操作机构优化设计

优化设计是ADAMS软件提供的一种复杂的分析工具。优化分析问题可归结为：在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

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2.5 旋转双断点塑壳断路器操作机构的仿真与优化设计

进入新世纪之后，国外著名低压电器公司纷纷推出了新一代低压断路器产品，如ABB公司的TMAX系列和施耐德公司的NS系列，在触头系统的设计上都采用了旋转式双断点型式

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2.5.1 影响断路器机构运动速度的主要因素

通过对连杆机构模型的分析，可知影响断路器机构运动速度的因素有三方面： 1）分断弹簧的刚度系数，它对于分断速度的影响最明显。 2）以O1为参考点，轴A、B、C、O

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2.5.2 旋转双断点塑壳断路器触头卡住机构的研究分析

在前文中已经提到，随着电流的增加，当电动斥力足以克服触头预压力时，动触头将被斥开一定角度，若此时操作机构动作不及时，还未带动动触头开始运动，触头将有可能由于霍尔

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2.6 框架断路器操作机构的仿真与优化设计

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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。

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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

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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1

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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

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2.7 ADAMS软件的二次开发技术

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2.7.1 用户界面的开发

为使用户方便地利用模型得到动力学的分析结果，在ADAMS软件界面中编制一个MC- CB专用模块如图2-50所示。将修改原始参数到模拟计算的过程都以对话框形式显示

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2.7.2 依靠接口程序的二次开发

ADAMS软件是一个开放的体系。ADAMS/Solver软件具有强大的二次开发功能，支持C++、Fortran语言，可按用户需求定制求解器，极大地满足用户的不同

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《低压断路器的建模仿真技术》简介

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