低压断路器操作机构的动态仿真与优化设计

谷建国

摘要：低压断路器，也叫自动空气断路器，是日常生活中常用的电路保护装置，它具有高保护性能和良好的电路控制。它在一系列直接影响电力安全的领域得到广泛应用。低电压断路器的设计、制造与优化及虚拟模拟器的出现，极大地推动了低压断路器工作技术的发展，因此本文对低压断路器操动机构的动态仿真和结构优化进行了简要分析。

关键词：低压断路器;动态仿真;优化设计

引言

随着保护性能的提高，低压断路器自出现以来，就得到了广泛的应用与发展。当前，低压断路器是对家庭电网进行控制和保护的主要设备，随着低压断路器应用范围的扩大，低压断路器的设计与制造技术发生了重大的飞跃，动态仿真技术在低压断路器设计中的应用大大推动了其技术发展。

一、低压断路器概述

作为一种电气保护装置，低压断路器不仅具有手动切换功能，而且具有失压、欠压、短路和过载保护功能。对于电路和电器，低压断路器实际上完成热继电器的所有功能：开关、熔断和最低电压继电器。当前，断路器的种类，包括普通断路器和限位断路器，广泛应用于断路器塑料外壳和无保护电流开关。

二、虚拟样机技术

网络信息技术的发展与应用，给人们的生产和生活带来了巨大的变化，虚拟样机技术是在计算机技术基础上发展起来的一种新概念，主要是利用计算机软件进行 prototype，通过物理结构分析建立物理样机的计算机仿真、功能、应用环境，该仿真包括原型设计，外形，功能特征，使用环境，使用方法和操作过程，我们用计算机模拟虚拟模型，并记录其参数和功能特征，为设计虚拟原型技术和大规模生产提供原始数据，在设计虚拟样品时，可利用计算机系统评估其应用情况，而不是物理样品，对数据和样品进行比较，以确定最终技术指标虚拟原型技术是一项新技术。

当前，该技术是研制新型低压断路器的关键技术，在传统的低压短路设计中，由于低壓断路器机械薄薄的结构，设计专家只能根据经验和理论对设计产品的性能进行判断，很难设计制造出满足结构要求的样机，这直接导致设计人员在设计新型低压断路器时需要有永久的样机，根据样机试验结果，多次修改样机，不仅增加了低压断路器的开发资金，而且对低压断路器的开发效率、增加了新产品开发和产品优化的时间，比传统设计方法具有缩短产品开发周期、提高产品质量等优点。

三、低压断路器操作机构工作原理分析

分析低压断路器的工作原理，对于低压断路器进行更为合理的动态建模和分析具有重要意义。

（一）手动分闸动作

用户通过开关来断开电路，如图1所示。移动式断路器手柄按下固定 m跳闸，移动手柄 I逆时针旋转O1。当转动时，若弹簧 h超过c，拉簧 F和 G就会脱离死区，在力的作用下，触点会脱开，实现断开。

（二）操作系统的再扣

在低电压断路器自由分闸后，为再次进入封闭状态，必须再执行一次制动动作，如图2所示。重复锁定 m并返回。这个反四指机构（E， F， G， CO）重新建立了柄 I和触头运动之间的连接，四个杆件的驱动力是 H弹簧，而手动门则提供柄 I的直接移动。

四、低压断路器操作机构的动态仿真分析

（一）动力学模型构建

采用 Adams/view方法，对低压断路器动态模拟，如图4所示，建立了低压塑料断路器操动机构的仿真模型，主要包括连杆机构，其中：为了精确建模，不同的元件必须集成在一起。不同于其它低压断路器，低压塑壳式断路器有五连杆机构、接触架、下连杆、上拉杆、跳锁、锁、控制把、断弹簧等。触头支座作为接触旋转轴，与接触器通过它们动作连接，当低压断路器断电时，连杆 h和连杆 G处于死区和整流状态，不同的是 C点固定方式，属于典型的四环机构，触点完全闭合，手动断开时旋钮旋转地断开弹簧受力拉伸。在弹簧作用线与上连杆重合时，弹簧处于最大位置，但对于较大的上连杆，在死区左边一点处，接触架迅速下移至连杆，并绕接触轴O1旋转，因此，触点向上移动并断开。若无电源且断路器间短路，将会发生电斥力产生弹簧，从而影响和排斥重力，在电流短路时，旋转 m锁，绕O2轴顺时针跳 K，最后连杆 g甚至连杆 h断开，结构在五连杆机构中，不管手柄的位置如何，都会继续分离。

（二）动力学模型试验验证

为验证动态模拟的正确性和科学性，本试验机构对实验结构和仿真进行了进一步的测试和比较，主要进行了手动开关和短路（10 kA电流）条件下的断开开关的试验，得到的接触凸轮轴角度的位移曲线从图中可以看出，运动型隐形眼镜在达到最大角度时可能会遇到阻塞，导致曲线波的多功能变化，事实上，通过比较，可以发现有限输出曲线与仿真结果基本一致，其他力学参数也在实际实验中进行了测试，结果表明实验结果与仿真结果是一致的、有效的。

五、低压断路器操作机构开断速度影响因素及优化设计

（一）影响因素概述

低电压开关对记录速度的影响主要有弹簧刚度、流量和杆形。对低压断路器操作者而言，集尘力直接影响接触抑制时间，这已成为众多研究者研究的热点。这样，操作人员通过增大电动机功率，可以在一定程度上降低低压装置接触的断开时间，提高低压断路器的断开速度，并在短时间内断线。影响触头开启速度的直接因素是弹簧刚度系数，一般弹簧弹性越大，触头打开速度越快，但弹簧弹性越大。材料的选择只能考虑材料的重量和耐久性，连接材料的形状和质量也会影响接触反作用速度。梁系的设计要考虑质心位置、材料形式、材料密度等综合因素。

（二）优化设计分析

为尽量提高低压断路器工作机构的弹簧刚度指标，需要进一步增大电阻，必须考虑三个因素，即在选择材料的形状、密度和质量时，必须不断地进行全面的设计，以最终设计出性能好、寿命长、断裂能力强的低压开关。

结语

虚拟机原型的出现，为低压断路器的设计和制造带来了重大变化，在计算机环境下，人们依靠虚拟主机技术模拟低压断路器结构的工作效率，并记录仿真数据，低压断路器操动机构的动态仿真与优化包括低压断路器机构动力学模型的建立和动力学模型的试验验证，考虑影响断路器速度的因素，不断提高低压断路器的技术水平，确保其工作效率。

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