考虑电动力效应的高压断路器动力学特性仿真分析
考虑电动力效应的高压断路器动力学特性仿真分析
式中 Ir为短路电流周期分量有效值；i0为A相开断瞬间B相电流值。
用式(5)中的iA替换式(4)中的I，并将有关数值代入即可得到断路器A相动触头分闸过程中受到的电动力的表达式。同理，用式(5)和式(6)中的iB、 iC替换式(4)中的I，并注意到电流作用时间上的不同，容易得到B相和C相动触头所受电动力FTB、FTC的表达式。
图4给出了断路器开断短路电流过程中各事件发生时刻，该图用于辅助确定仿真中的有关时间。
因已假定短路发生时刻为t=t0=0，故t1表示继电保护时间。该时间跟继电保护装置有关，通常大于0.02s。t3-t1表示分闸时间，跟断路器有关，t3-t2也跟断路器有关。经对本文仿真对象进行实测，可知t3-t1=0.027s，t3-t2=0.0035s，故有t2-t1=0.0235s。由于继电保护时间存在不确定性，本文分别取不同的t2值对开断过程进行仿真，考虑到短路故障的严重程度，取t2=0.043s、0.046s、0.049s、0.052s，研究不同情况下电动力的大小及其对断路器机械特性的影响。实际上，由于t3-t2这段时间是确定的，故不同的t2值跟不同的触头分离时刻电流相角对应，上述4个t2值反映了在不同的电流相角开断的情形。
在高压输电网中，三相短路时最大可能出现的时间常数为45ms，故本文取时间常数T=0.045s进行仿真。由于本文所仿真的断路器从脱扣时刻到动触头至满行程的时间约22ms（无电动力的情况），取一定裕量，将仿真时间定为30ms，即t6-t2=0.03s。
对断路器开断短路电流的运动过程进行仿真，得到的电动力以及相应的机械特性如表1所示。
注：表中平均分闸速度定义为动触头位移曲线上从触头分离时刻起到动触头位移6mm这段位移除以对应的时间。刚分速度定义为动触头位移曲线上从触头分离时刻起到运动至0.2mm这段位移除以对应的时间。未加电动力时，平均分闸速度为1.22m/s，刚分速度为1.52m/s，从仿真时刻起到动触头至满开距所需时间为22ms。
下面给出了典型情况下的一些仿真结果。
当t2=0.043s时，电动力如图5所示（规定竖直向下方向为正方向，以下同；由于电流作用时间不超过0.02s，为清楚起见，仅给出前0.02s内电动力的图形），其中图5(a)示出了三相动触头上总的电动力FT的波形，图5(b)示出了A相动触头上所受电动力和分闸力。分闸力指动触头所受的除电动力以外的所有力，其中包括了分闸弹簧、触头弹簧、油缓冲器等间接作用到动触头上的力以及动触头重力等。
图6给出了有电流和无电流时的动触头位移以及在电动力作用下三相动触头的位移情况。
从仿真分析结果中可以归纳出如下结论：
（1）虽然加在三相动触头上的电动力有较大差异，但由于触头弹簧的缓冲作用和断路器结构上的原因，三相动触头的位移几乎没有差别（参见图6(b)）。
（2）电动力会影响分闸速度，开断短路电流比空载分闸时的平均分闸速度和刚分速度都有所提高，这显然与电动力有关。但电动力对分闸速度的影响程度则与多种因素有关，在短路相角j一定的情况下，分闸相角（即动静触头分离时刻对应的相位角）对分闸速度的影响很大，在本文的仿真条件下，t2=0.043s时比t2=0.052s时对分闸速度的影响要明显一些。
（3）本文针对电力系统中可能发生的严重短路事故所进行的仿真分析表明，在断路器机械部分正常运行的情况下，由短路电流所产生的电动力对分闸速度的影响程度不等，但总体上，电动力加速了动触头的运动，使分闸速度有所提高，就平均分闸速度而言，偏差可达0.2m/s，若取空载时的平均分闸速度1.22m/s为基准，则电动力导致的平均分闸速度的相对偏差可达16%。所以在断路器机械特性的状态检测中，应该综合考虑短路电流的影响。
4 电动力效应仿真分析的试验验证
为了考察断路器开断短路电流过程中的电动力效应，对电动力的影响做出定量分析并验证仿真分析的有效性和准确性，本文设计了一个试验，对VS1型真空断路器进行短路开断试验。试验电流分别为8.9kA，11.1kA，20kA，22.2kA，31.1kA（均为峰值），其中22.2kA做了两次，但开断时刻的相位角不同。试验过程中利用传感器对断路器机械特性进行了监测，通过分析得到了不同开断情况下的刚分速度和平均分闸速度。此后，利用前文所建立的断路器动力学模型，针对试验条件进行了仿真。图7给出了试验和仿真结果的对比。
从图7可知，仿真结果跟试验结果吻合得较好，其中平均分闸速度最大相对误差不超过5%，刚分速度最大相对误差不超过10%。这表明本文考虑电动力效应的断路器动力学特性仿真是有效的。