為了研究斷路器分、合閘過程的動態特性，筆者針對一臺配永磁操動機構的真空斷路器，基于虛擬樣機技術建立了斷路器的動力學模型，推導出模型動作過程所滿足的運動方程及電磁方程，對真空斷路器的分閘、合閘動態過程進行仿真分析與實驗對比。仿真和實驗結果表明，模型的動態特性滿足斷路器的技術參數及實驗數據的要求，為研究斷路器的優化設計和故障診斷提供了依據。

　　引言

　　斷路器是電力系統中起控制和保護作用的重要設備，其工作性能對電網的可靠運行具有重要的影響。目前在國內，一種電磁操動、永保持的永磁機構已廣泛應用于真空斷路器領域。與傳統操動機構相比，永磁機構具有結構簡單、節能和高可靠性等突出優點。然而，永磁機構的動態過程比較復雜，不僅要研究分、合閘過程中運動部件的機械參量變化，還要考慮機構中電磁吸力、線圈電流、系統磁鏈等參量之間的動態耦合關系。因此，分析永磁機構的動態特性對于研究斷路器工作性能和提高電網穩定性具有重要的意義。

　　虛擬樣機技術是基于多體系運動學與動力學建模理論，可進行多領域仿真的綜合應用技術。通過在虛擬環境中建立完全參數化的斷路器模型，對模型進行動態仿真，可以獲得斷路器運動部件不同時刻的位置、速度等參量，從而直觀、準確的分析斷路器的動態特性。文利用虛擬樣機動態仿真技術來預測斷路器操動機構的故障。文闡述了虛擬樣機技術在斷路器的動態仿真以及設計領域中的應用。

　　筆者以一臺配單穩態永磁機構的真空斷路器為研究對象，采用虛擬樣機技術建立了斷路器模型，對斷路器的分、合閘動態過程進行仿真分析，并對樣機進行實驗以保證仿真結果的準確性和可信性。

　　1、斷路器模型的建立與運動過程分析

　　1.1、真空斷路器模型的建立

　　文中的仿真對象為ZW45-12 型戶外真空斷路器，斷路器總體采用三極支柱式結構，開關本體采用的是配永磁機構的真空斷路器，斷路器的主要技術參數見表1。

表1 斷路器的主要技術參數

　　筆者采用多體動力學仿真軟件ADAMS 建立的斷路器模型見圖1。為了使建立的模型能準確進行動態仿真，必須在各個部件之間按照實際工作情況添加約束關系和載荷。斷路器動作時，長軸側作水平運動，需要添加水平方向滑移副。動觸頭側做豎直運動，需添加豎直方向滑移副。

圖1 ZW45-12 型真空斷路器的仿真模型

　　長軸與連接板、連接板與絕緣拉桿之間要添加旋轉副。在實際工作中斷路器運動部件之間存在摩擦，需要在運動副上定義摩擦力。此外，適當添加觸頭彈簧的預壓力可以避免仿真開始時，因為機構反力導致動觸頭壓縮觸頭彈簧回落的現象。斷路器模型建立成功后，還需要通過修改幾何模型參數、增加摩擦、定義柔性體、改進載荷函數與定義控制等方法改進樣機模型，多次進行優化設計，直至得到預期的斷路器模型。文中對斷路器樣機進行建模和優化的流程圖見圖2。

圖2 建模流程圖

　　1.2、斷路器模型的運動過程分析

　　對于該模型而言，在永磁機構中合閘線圈通電產生磁場與永久磁鐵磁場疊加產生的電磁吸力以及分閘彈簧拉力的共同作用下，動鐵心動作，直接驅動傳動機構的長軸作水平運動，連接板將長軸的水平運動轉化為絕緣拉桿的豎直運動，從而帶動動觸頭上下動作，實現斷路器的分、合閘操作。斷路器的合閘位置由永久磁鐵保持，分閘位置由分閘彈簧保持。因為動觸頭側的動作直接由長軸推動連接板來驅動，開關在工作時主要的運動部件少，中間轉換和連接的機構也很少，機構的運動過程簡單，具有很高的可靠性。文中建立真空斷路器模型的運動簡圖見圖3。

圖3 模型的運動簡圖

　　4、結語

　　筆者基于虛擬樣機技術建立一臺ZW45-12 型永磁機構戶外真空斷路器的模型。推導出模型分、合閘過程的動態方程，仿真得到斷路器分、合閘過程的動態特性曲線。將仿真結果與實驗數據對比分析，得出以下結論：

　　斷路器模型的分、合閘動態特性可以達到斷路器主要技術參數的要求; 仿真模型的合閘時間為54.6 ms，與實驗數據一致，動觸頭合閘彈跳時間為1.5 ms，拉桿的合閘彈跳幅值為0.36 mm，略小于實驗數據;仿真模型的分閘時間為39.7 ms，拉桿的分閘過沖為1.45 mm，與實驗數據一致;通過實驗驗證了仿真結果的準確性，為采用虛擬樣機技術研究斷路器的故障診斷和優化設計提供了依據。