高压隔离开关机械故障刚柔耦合动力学分析

陈勇， 谢洪平， 刘亮， 沈文韬， 黄涛， 李朝勇

(1.国网江苏省电力工程咨询有限公司， 南京 210000； 2.南昌大学信息工程学院， 南昌 330031)

高压隔离开关是电力系统运用最多的开关设备，根据国网公司2015年开关设备运行情况统计，高压隔离开关设备装用量超过36×104组[1]。由于长期工作在户外环境，且大多存在缺陷难以发现、检修不及时的现象，容易出现各类缺陷或故障。高压隔离开关典型故障主要包括导电回路发热、操作失灵、机构锈蚀、卡涩及绝缘子断裂等[2]。而其中绝缘子断裂、操作失灵、锈蚀等机械故障所占比重最大，约为70%[3]。文献[4]研究表明，传动机构是影响设备运行的薄弱环节，且高压隔离开关机械故障检测及防治已成为设备运维单位关注的关键问题之一。

当前，针对高压隔离开关故障检测方法大多基于两类。一类以物理模拟试验数据检测为基础，即以通过建立试验平台模拟分接开关操作、运行过程中的电机电流、振动或噪声等状态量，研究隔离开关故障状态下各类状态量的变化规律，从而建立基于上述状态量的隔离开关故障检测方法。文献[5]提出了一种基于振动信号结合支持向量机的断路器故障诊断方法。文献[6-7]利用断路器在开关操作过程中的振动数据来检测和识别断路器机械状态。文献[8-9]对隔离开关振动信号进行经验模态分解从而进行故障诊断，但振动信号只对部件松动等缺陷敏感，但对卡涩等缺陷敏感度低，且准确性受传感器安装位置和方法影响较大。文献[10]提出了一种基于转角行程曲线的隔离开关分合闸不到位的诊断方法，能够对分合闸不到位、拒动等故障进行有效诊断，对卡涩等隐性故障效果不佳。针对转角行程信号不能全面反映隔离开关机械状态信息，文献[11-12]提出了一种基于隔离开关操作力矩—转角曲线的比较法来判断隔离开关机械状态。文献[13-15]推导了驱动电机电流与操动转矩之间的函数关系，提出了一种通过电机电流幅值判断隔离开关是否卡涩的方法。将机器学习算法用于电网中电气设备的故障预警及诊断可以在很大程度上遏制故障的发展[16]。文献[17]运用计算机视觉技术对变电站隔离开关状态进行监测，但该方法易受外部环境影响。另一类从仿真分析角度出发，即基于多物理场耦合分析方法模拟隔离开关不同故障类型，获取故障特征量与故障类型间的关联关系。文献[18]提出了一种神经网络诊断模型，针对隔离开关机械故障样本数据少的问题，采用仿真分析丰富了故障特征库。

基于上述研究，通过对GW5-126型隔离开关进行刚柔耦合动力学仿真分析，讨论了GW5-126型隔离开关动作过程中操动杆转矩的变化规律，并对隔离开关常见机械故障进行了仿真，对比了故障状态与正常状态的部分特征量，可为隔离开关机械故障诊断提供参考。

1 多体动力学理论

多体动力学理论在航天器研究[19]、机械设计[20]等方面运用广泛。隔离开关主要起到隔离电源、倒闸操作、连通和切断小电流电路的作用，属于电网中为数不多的需要频繁动作的设备，其主要结构既包括绝缘支柱、导电臂等刚性体，也包括开关触指等柔性体。因此，多体动力学方法是模拟隔离开关的分合闸过程的理论基础。

1.1 多刚体动力学理论

多体动力学中，广义坐标的选择对动力学方程的求解速度影响巨大，可用刚体构件的质心笛卡尔坐标和反映方位的欧拉角作为公共参考坐标系。即

q=[x,y,z,ψ,θ,φ]T=[RT,rT]T

(1)

式(1)中：R=[x,y,z]T为笛卡尔坐标位置，其中[x,y,z]为构件笛卡尔坐标；r=[ψ,θ,φ]T为欧拉角，其中[ψ,θ,φ]为构件欧拉坐标。

同时定义一个欧拉转轴坐标系，该坐标系到构件质心坐标系的转换矩阵为B。对于刚性体，假设刚体构件i的质量为mi，其质心的极转动惯量为Ji，将作用于构件的全部外力向其质心简化，则可得到外力矢Fi和外力矩Ti。推导得到广义坐标表示下的刚体构件i的变分运动方程为

(2)

对于理想约束系统，变分运动方程中约束力虚功等于0，则系统变分运动方程可简化为

(3)

式(3)中：Q为刚柔耦合多体系统的广义动力阵。

结合位形约束方程Φ(q,t)=0，其中，Φ为约束方程，t为时间，同时引入拉格朗日乘子矢量λ，运用链式微分法，可得多刚体系统的微分代数方程为

(4)

1.2 刚柔耦合多体动力学理论

在工程实际中，复杂的机械系统中的部分构件采用弹性材料，将构件全部作为刚体进行研究已经无法合理地解释系统复杂的动力学问题，因此在对多体系统进行多体动力学分析时必须同时考虑构件的大范围运动和构件本身的变形，这类系统被称为刚-柔耦合多体系统。

根据虚功原理，刚柔耦合多体系统中构件i的动力学变分方程为

(5)

令M=HTZH为刚-柔耦合多体系统的广义质量阵，其中，Z为系统广义质量阵，H为系统转换矩阵，Q=HT(Fa+Fi+Fe-Zh)为刚柔耦合多体系统的广义动力阵，h为系统质心坐标系下的欧拉坐标阵，Fa、Fi、Fe分别为系统广义惯性力阵、广义动力阵及广义弹性力阵，则可得到刚柔耦合多体系统的动力学方程为

(6)

1.3 多体动力学求解方法

对于动力学方程的数值计算主要使用积分算法，其主要步骤是如下。

步骤1根据泰勒展开式和隐含向后差分的Gear积分多项式估计tn+1时刻的状态向量yn+1。

步骤2将估计出的状态变量带入系统方程，如满足系统方程，则估计出的状态向量yn+1为系统在tn+1时刻的状态；若不满足系统方程，则用牛顿拉夫逊法进行迭代，直至精度满足要求。

步骤3对状态向量的预测值与校正值进行比较，根据其误差是否满足要求来判断是否接受该解，并对其积分步长进行优化。

步骤4重复上述过程，直到求解时间达到所设置的时间。

2 GW5-126高压隔离开关仿真模型

2.1 GW5-126结构及建模

GW5-126高压隔离开关(简称GW5-126)呈50° V形结构，主要由支柱绝缘子、导电部分、接地部分和底座组成。其中，底座由铸铁底和两个轴承座组成，两个伞齿轮啮合传动，主要起固定和传动作用；支柱绝缘子由两个瓷绝缘子组成，两个绝缘子之间呈50°角，主要起支撑和传动作用；导电部分主要包括导电臂、触指、触头、接线座，主要起导电和隔离作用；接地部分主要由接地闸刀和接地触指组成，主要用于对导电臂进行接地操作。某典型GW5-126型高压隔离相关结构参数如表1所示。整体模型如图1所示。

图1 GW5-126多体动力学模型Fig.1 Geometric model of GW5-126

模型建立过程中，GW5-126存在大量细小固定件和特殊外形，为降低建模难度，对模型进行了适当简化，主要包括：①忽略所有螺栓等固定构件，在仿真模型中用固定副代替；②对于支柱绝缘子、底座等不影响隔离开关运动特性的构件外形进行了简化处理；③接地部分对隔离开关分合闸过程无影响，可不对其进行建模；④操动机构箱未建模，仿真直接在操动杆上施加等效驱动，将其作为操动机构输出转矩。

表1 GW5-126结构参数Table 1 Structural parameters of GW5-126

2.2 隔离开关触头模型

在隔离开关动作过程，开关触头除随着支柱绝缘子大范围运动外，还会随着触头闭合而发生形变。因此，触头触指是隔离开关模型中的重要柔性体，而触头触指的接触状态也是隔离开关机械故障的重要表征参量。本位采用三维建模软件建立触指部分的几何模型，如图2所示。

图2 触指柔性体模型Fig.2 Flexible body model of touch finger

2.3 动力学仿真参数

为精确模拟GW5-126型隔离开关的分合闸过程，采用动力学仿真软件需对仿真模型参数进行设置，主要包括材料参数、运动约束及运动控制。

2.3.1 材料参数

结合图1中的隔离开关主要构件，对其设置相应材料参数，用于计算模型的质量、转动惯量等关键参数，GW5-126模型中涉及的材料及其相应参数如表2所示。

表2 GW5-126模型主要材料属性Table 2 Material properties of GW5-126 model

2.3.2 运动约束

动力学模型是能否实现动力学仿真及仿真质量好坏的关键。在GW5-126分合闸过程中，各个构件之间的存在不同的相对运动关系，为了真实的模拟GW5-126分合闸过程，需要对各构件之间添加相应的运动副。对轴承与底座、销钉与连杆连接头等转动部位之间添加旋转副，其他相对固定的构件之间添加固定副，运动副添加位置如表3所示。

在隔离开关运动过程中，转动部位之间存在摩擦力。为了考虑摩擦力对隔离开关仿真模型的影响，需对各转动副设置摩擦参数，参考文献[21]，设置有轴承关节摩擦因数设为静摩擦0.004，动摩擦0.003；无轴承关节摩擦因数设为静摩擦0.03，动摩擦0.025。在GW5-126分合闸过程中，在啮合阶段，触指与触头之间存在接触力，仿真时使用Impact函数方法设置接触力。

表3 运动副位置

2.3.3 运动控制

GW5-126的工作过程(合闸)为操动机构带动操动杆逆时针旋转90°，操动杆通过齿轮带动A相主动侧顺时针旋转90°，A相主动侧通过齿轮带动A相从动侧逆时针旋转90°完成A相合闸，同时A相主动侧通过连杆带动B、C两相主动侧顺时针旋转90°，类似地完成B、C两相合闸，分闸过程与合闸过程相反。GW5-126使用的CJ5B型电动机构输出转角90°，分合闸时间均为5 s。

结合上述建模及参数设置过程，所采用的仿真流程如图3所示。

图3 仿真流程图Fig.3 Simulation flow chart

3 仿真分析结果

基于多体动力学理论，开展GW5-126型隔离开关动力学仿真分析，得到正常状态下开关运动过程如下。

3.1 隔离开关运动状态

根据CJ5B型电动机构性能设置仿真总时间为5 s，仿真步数为1 500，仿真结果如图4所示。

图4 GW5-126开关运动状态仿真结果Fig.4 Motion state simulation of GW5-126

从图4中可以看出，所建立的GW5-126动力学仿真模型，其仿真过程与GW5-126动作过程吻合较高，能够较好地反映GW5-126合闸过程中的运动过程。4.59 s时，外侧触指与触头开始接触；4.79 s时，外侧触指形变达到最大值；4.91 s时，内侧触指开始与触头接触；5.00 s时，合闸完成，仿真结束。

3.2 隔离开关运动特性

隔离开关作为动态设备，除图4所示运动状态能反映其动作过程外，操动力矩能够在很大程度上反映其运行状态。为了能够更好地理解GW5-126机械状态与操动力矩之间的关系，对仿真得到的力矩曲线进行分析，如图5所示。

图5 正常情况仿真结果曲线Fig.5 Curve of simulation results under normal conditions

可以看出，GW5-126合闸过程可以分成两个阶段：①0～4.59 s，触头与触指未发生接触，操动转矩主要与重力、摩擦力等因素有关，此阶段为啮合前阶段；②4.59～5 s，触头与触指开始接触，操动转矩主要与重力、摩擦力、触指接触力有关，此阶段为啮合后阶段。

3.3 仿真结果讨论分析

在啮合前阶段，隔离开关传动需克服导电臂重力和轴承处的摩擦力产生的阻力矩，忽略摩擦力的影响，将GW5-126主动侧导电臂及触指部分看成一个整体，对GW5-126主动侧导电臂进行受力分析，受力图如图6所示。

在导电臂重心处构建一个坐标系，其x轴与运动轨迹相切，与运动方向相反；其y轴与支柱绝缘子轴线平行，方向向下；其z轴指向支柱绝缘子轴线。将导电臂重力向3个坐标轴分解，分别为Gx、Gy、Gz，可以看出，导电臂重力产生的阻力转矩为

MG1=LzGx=LzGcosα

(7)

式(7)中：Lz为导电臂重心到旋转轴距离；α为重力G与分力Gx的夹角。

导电臂重力在其他两轴方向的分力只产生对支柱绝缘子的弯矩。同理可得从动侧导电臂MG2。

啮合前操动杆转矩为

T=MG1+MG2

(8)

在啮合前阶段，忽略轴承摩擦力，α随转动逐渐增大，Gx逐渐减小，操动杆转矩也逐渐减小。在啮合后阶段，因为外侧触指的形变在合闸过程中先增大后减小，操动转矩先升高后减小再略微升高。而后由于内侧触指开始与触头接触，使得操动杆力矩略微升高。

实测结果经机构箱减速比换算后，得到的实测结果与仿真结果具有较好的一致性，其曲线对比情况如图7所示。

图6 导电臂受力分析Fig.6 Force analysis of conductive arm

图7 正常状态下仿真与实测曲线对比Fig.7 The contradistinction between simulation result and experiment result in normal status

4 隔离开关机械故障模拟

基于上述仿真模型，重点开展隔离开关机械故障模拟分析，研究卡涩、三相不同期等故障下开关的运动状态，旨在通过仿真分析手段研究转矩、接触力等状态参量的变化规律。

4.1 轴承卡涩模拟

隔离开关在运行一段时间后，轴承等部位容易发生润滑油流失、干涸或金属构件锈蚀等现象，造成卡涩缺陷。卡涩缺陷是隔离开关常见缺陷之一，严重时可能造成隔离开关拒动。仿真时，可通过改变转动副的摩擦因数来模拟轴承不同程度的卡涩情况，仿真结果如图8所示。

由图8可以看出，卡涩时操动杆力矩明显大于正常状态，但曲线走势基本不变。选取A相主动侧轴承10倍摩擦因数时的曲线与正常状态下的部分特征量对比，结果如表4所示。

图8 卡涩与正常状态转矩对比Fig.8 The contradistinction of torque wave between stucking status and normal status

表4 卡涩与正常状态特征量对比Table 4 Comparison of characteristic between stucking status and normal status

由表4可以看出，卡涩与正常状态下的触头与触指啮合时间及操动杆转矩峰值时间基本不变，说明在不发生拒动的情况下，卡涩对GW5-126动作进程基本没有影响，但对操动杆转矩值影响明显。

4.2 三相不同期缺陷模拟

隔离开关安装或调试过程中，受作业人员状态和经验的影响，常造成隔离开关调试不当，容易引起隔离开关三相不同期缺陷。仿真时，可以通过调节AB相间连杆和BC相间连杆的长度来模拟三相不同期缺陷。以AB相间连杆缩短10 mm为例，仿真结果如图9所示。

图9 三相不同期仿真结果Fig.9 Simulation results of inconsistent

对比图5和图9可知，啮合前阶段，操动杆转矩与正常情况类似，但B、C两相外侧触指与触头啮合时间要比正常提前，A相与正常基本相同。提取AB相间连杆缩短10 mm情况下的部分特征与正常情况对比，结果如表5所示。

表5 三相不同期与正常状态特征量对比Table 5 Comparison of characteristic between inconsistent status and normal status

从表5可知，啮合前，操动杆转矩与正常情况下相似，合闸完成后，A相触指与触头配合依然良好，但B、C两相过合闸，内侧触指接触力明显大于外侧触指接触力。A、B相间连杆长度主要影响B、C两相合闸，对A相的影响不大。

5 结论

对某GW5-126型高压隔离开关进行了动力学仿真计算，分析了GW5-126合闸过程中操动杆转矩的变化规律，并仿真模拟了GW5-126轴承卡涩、三相不同期两种典型机械故障，得出如下主要结论。

(1)仿真结果与理论基本相符，对隔离开关典型机械故障诊断具有一定参考价值。针对隔离开关典型机械故障智能检测样本较少的问题，可尝试使用仿真结果扩充样本数量。

(2)与GW4型隔离开关不同，GW5-126型合闸前期操动杆转矩呈下降趋势，这是由于重力产生的阻力转矩随合闸过程逐渐下降。

(3)通过典型机械故障仿真模拟所得到的转矩波形可知：卡涩缺陷主要影响转矩值，对合闸进程、转矩波形趋势影响不大；三相不同期缺陷主要影响啮合时间，转矩峰值和转矩峰值时间。