摘 要：

觸頭系統(tǒng)是萬能式斷路器的關(guān)鍵部件，觸頭磨損程度是反映萬能式斷路器壽命的關(guān)鍵參數(shù)，但難以在線直接測量。針對觸頭磨損程度的測量，提出通過直接測量主軸轉(zhuǎn)動(dòng)速度來間接測量觸頭磨損情況的方法。首先利用電磁感應(yīng)原理設(shè)計(jì)傳感器，用于主軸轉(zhuǎn)動(dòng)速度的測量;然后采用有限元電磁仿真對傳感器的具體參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì);最后加工模型樣機(jī)，進(jìn)行觸頭不同磨損程度的試驗(yàn)對比。試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)傳感器的有效性。

關(guān)鍵詞：

觸頭磨損; 傳感器; 主軸轉(zhuǎn)動(dòng)速度; 健康管理

中圖分類號(hào)： TM561

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)： 2095-8188（2024）07-0065-04

DOI：

10.16628/j.cnki.2095-8188.2024.07.010

Simulation Design of Contact Wear Sensor for ACB

Abstract：

The contact system is a key component of the air circuit breaker （ACB），and the degree of contact wear is a key parameter reflecting the lifespan of ACB，but it is difficult to measure directly online.A method is proposed to indirectly measure the degree of contact wear by directly measuring the spindle rotation speed.Firstly，using the principle of electromagnetic induction the" sensors is designed to measure the rotational speed of the spindle.Then，the finite element electromagnetic simulation is used to optimize the specific parameters of the sensor.Finally，a model prototype is processed and the experimental comparisons are conducted on the different levels of contact wear.The experimental results verified the effectiveness of the designed sensor.

Key words：

contact wear; sensor; spindle rotation speed; health management

0 引 言

低壓電器是電力、建筑、通信、交通等傳統(tǒng)與新興行業(yè)中重要的配用電控制與保護(hù)設(shè)備，承擔(dān)著90%電能的分配、控制、保護(hù)等重要功能。其中萬能式斷路器是低壓電器中結(jié)構(gòu)最復(fù)雜、帶載最大、價(jià)格最高的產(chǎn)品，其運(yùn)行可靠性及產(chǎn)品健康狀態(tài)直接關(guān)乎社會(huì)的用電安全。為了提高低壓配用電系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，減小非計(jì)劃停電損失，各行業(yè)對萬能式斷路器提出了全生命周期健康管理、預(yù)測性運(yùn)維等方面的迫切需求［1］。

近年來，ABB、施耐德等國外頭部企業(yè)，已推出了帶有健康管理功能的智能化斷路器產(chǎn)品，國內(nèi)有關(guān)高校、研究機(jī)構(gòu)和頭部電器企業(yè)也已開展斷路器健康管理的相關(guān)研究［2-6］。如文獻(xiàn)［2］提出基于振動(dòng)信號(hào)的萬能式斷路器分合閘故障程度的評估方法。文獻(xiàn)［3］通過監(jiān)測、分析分合閘電磁附件線圈電流，提出一種基于電流信號(hào)的分合閘附件故障診斷方法。

本文首先分析了影響萬能式斷路器健康狀態(tài)與壽命的各種因素，針對觸頭磨損這一關(guān)鍵因素的在線測量技術(shù)進(jìn)行了研究。然后采用電磁感應(yīng)原理設(shè)計(jì)了傳感器，通過對主軸轉(zhuǎn)動(dòng)速度的在線直接測量，間接測量了觸頭的磨損，并對傳感器本體進(jìn)行了電磁仿真計(jì)算。最后，通過模型樣機(jī)測試觸頭不同磨損程度下的主軸轉(zhuǎn)動(dòng)速度和轉(zhuǎn)角。試驗(yàn)驗(yàn)證了該傳感器可內(nèi)置于萬能式斷路器中，結(jié)合觸頭磨損判定算法用于觸頭磨損和斷路器壽命的判定和預(yù)測，滿足行業(yè)產(chǎn)品智能化發(fā)展與各應(yīng)用領(lǐng)域健康管理、預(yù)測性運(yùn)維的需要。

1 觸頭磨損檢測方法

萬能式斷路器產(chǎn)品由觸頭系統(tǒng)、滅弧系統(tǒng)、導(dǎo)電回路、操作機(jī)構(gòu)、附件及控制器6部分組成。每部分的故障點(diǎn)不同，引起故障的關(guān)鍵因素也不同。觸頭系統(tǒng)故障多由觸頭的電氣磨損引起;導(dǎo)電回路故障多由軟連接的熱老化引起;操作機(jī)構(gòu)故障多由連桿的機(jī)械磨損引起;附件故障多由線圈斷線、過熱及匝間短路等引起;控制器故障多由器件老化引起。本文針對萬能式斷路器觸頭磨損在線檢測方法及相關(guān)傳感器的設(shè)計(jì)進(jìn)行研究。

萬能式斷路器的正常操作有儲(chǔ)能、合閘和分閘。儲(chǔ)能由儲(chǔ)能電機(jī)帶動(dòng)凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)儲(chǔ)能彈簧壓縮儲(chǔ)能，這一過程中主軸不會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)。合閘過程中儲(chǔ)能彈簧釋放，推動(dòng)主軸轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)動(dòng)靜觸頭閉合，壓縮觸頭彈簧，走完超程;分閘過程中動(dòng)觸頭在觸頭彈簧和主軸復(fù)位彈簧共同作用下使動(dòng)、靜觸頭分離，這一過程中主軸作為中間媒介，發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)觸頭發(fā)生磨損時(shí)，超程減小，觸頭合閘過程中觸頭彈簧的壓縮量減小，即觸頭終壓力減小，從而使觸頭分閘時(shí)，觸頭分閘速度減小，即主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)速度減小。因此，可以通過直接測量主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，來間接測量觸頭磨損。

2 觸頭磨損傳感器的設(shè)計(jì)

根據(jù)上述萬能式斷路器觸頭磨損檢測方法，結(jié)合萬能式斷路器產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，采用電磁感應(yīng)原理，自主設(shè)計(jì)了觸頭磨損傳感器。觸頭磨損傳感器設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

該傳感器中永磁體通過固定支架安裝在斷路器主軸上，與主軸同步轉(zhuǎn)動(dòng)，塑料骨架上纏繞一定匝數(shù)的線圈，固定在斷路器基座上保持靜止?fàn)顟B(tài)。

根據(jù)電磁感應(yīng)原理，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，永磁體產(chǎn)生的磁力線切割線圈，線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢。主軸轉(zhuǎn)動(dòng)速度越快，線圈所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢越大，與主軸轉(zhuǎn)動(dòng)速度成正比。線圈感應(yīng)電動(dòng)勢E計(jì)算式為

E=kNBv（1）

式中： k——感應(yīng)電動(dòng)勢調(diào)整系數(shù);

N——磁力線切割線圈匝數(shù);

B——永磁體所產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度;

v——主軸轉(zhuǎn)動(dòng)速度。

由于線圈感應(yīng)電動(dòng)勢信號(hào)較弱，故需要通過電子放大器放大。通過A/D采樣，MCU處理修正，即可輸出轉(zhuǎn)速結(jié)果。

對式（1）中感應(yīng)電動(dòng)勢進(jìn)行時(shí)間積分，可獲得與轉(zhuǎn)角成正比的轉(zhuǎn)角參考量。轉(zhuǎn)角δ計(jì)算式為

式中： c——轉(zhuǎn)角調(diào)整系數(shù)。

3 觸頭磨損傳感器的仿真計(jì)算

對觸頭磨損傳感器進(jìn)行了初步設(shè)計(jì)后，通過電磁仿真對該傳感器進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，確定永磁體和線圈的相對位置、線圈的匝數(shù)等參數(shù)。首先，建立傳感器電磁仿真模型。傳感器電磁仿真模型如圖2所示。

圖2中永磁體設(shè)置為釹鐵硼N35，水平方向充磁，進(jìn)行電磁靜態(tài)仿真計(jì)算。永磁體水平方向充磁狀態(tài)下磁感應(yīng)強(qiáng)度分布如圖3所示。

由于主軸整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程是變速運(yùn)動(dòng)，且速度未知，這里將永磁體設(shè)置為勻速順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)速度為6°/ms，總的轉(zhuǎn)動(dòng)角度為48°，線圈匝數(shù)為2 000匝，進(jìn)行瞬態(tài)仿真。線圈感應(yīng)電動(dòng)勢曲線如圖4所示。由圖4可見，線圈感應(yīng)電動(dòng)勢隨著永磁體的轉(zhuǎn)動(dòng)越來越大，最大值為91.2 mV。

永磁體和線圈的相對位置不同，那么在主軸轉(zhuǎn)動(dòng)過程中線圈切割的磁力線不同，線圈所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢大小也不同。以圖3模型為基準(zhǔn)，將永磁體分別逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)30°、60°、90°，計(jì)算線圈所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢。永磁體和線圈不同位置下線圈感應(yīng)電動(dòng)勢對比如圖5所示。由圖5可見，在主軸轉(zhuǎn)動(dòng)速度相同的情況下，永磁體旋轉(zhuǎn)90°的感應(yīng)電動(dòng)勢最大，有利于線圈輸出信號(hào)的檢測。

永磁體和線圈的相對位置確定后，進(jìn)而通過仿真計(jì)算確定線圈的匝數(shù)。不同線圈匝數(shù)下線圈感應(yīng)電動(dòng)勢對比如圖6所示。圖6中，線圈匝數(shù)分別為1 000匝、2 000匝、3 000匝，電動(dòng)勢和線圈匝數(shù)成正比，匝數(shù)越多，感應(yīng)電動(dòng)勢越大，與式（1）相一致。因此，需綜合考慮產(chǎn)品空間體積和線圈感應(yīng)電動(dòng)勢輸出信號(hào)的大小，來確定線圈的匝數(shù)。該傳感器線圈匝數(shù)確定為2 000匝。

4 觸頭磨損傳感器的試驗(yàn)測試

4.1 轉(zhuǎn)速測試與數(shù)據(jù)分析

觸頭磨損傳感器經(jīng)過初步設(shè)計(jì)、仿真計(jì)算、工業(yè)化設(shè)計(jì)后，進(jìn)行了樣機(jī)加工。傳感器樣機(jī)如圖7所示。

該傳感器安裝在萬能式斷路器主軸的端部側(cè)面，永磁體通過塑料外殼與主軸固定連接，線圈固定在斷路器基座上，線圈輸出連接電路板，進(jìn)行信號(hào)放大、處理修正等。利用該傳感器樣機(jī)，測試了斷路器分閘過程中的主軸轉(zhuǎn)速曲線和主軸轉(zhuǎn)角曲線。分閘過程中主軸轉(zhuǎn)速信號(hào)曲線如圖8所示;分閘過程中主軸轉(zhuǎn)角信號(hào)曲線如圖9所示。

以圖8中信號(hào)轉(zhuǎn)速判別為例，判定觸頭磨損的流程如下：

（1） 轉(zhuǎn)速信號(hào)偏離0點(diǎn)時(shí)作為起始點(diǎn)A0，對應(yīng)機(jī)構(gòu)開始動(dòng)作;

（2） 轉(zhuǎn)速信號(hào)快速跌落點(diǎn)為B0，對應(yīng)觸頭對分離;

（3） 轉(zhuǎn)速信號(hào)快速跌落過零點(diǎn)為C0，對應(yīng)觸頭打開至最大位置;

（4） 提取A0～B0間的若干記錄點(diǎn)進(jìn)行線性回歸或二次回歸，得到曲線V=kt+b或V=at2+bt+c（其中，V為轉(zhuǎn)速信號(hào)值，t為時(shí)間）;

（5） 將轉(zhuǎn)速曲線中的k、a絕對值與該產(chǎn)品的初值進(jìn)行比較，若k、a絕對值減小，說明觸頭磨損。

轉(zhuǎn)角曲線的判別方法與轉(zhuǎn)速曲線類似。

4.2 觸頭不同磨損程度的測試分析

為了對比不同觸頭磨損程度下的主軸轉(zhuǎn)速，將靜觸頭磨去一定的厚度來模擬觸頭的磨損，觸頭原超程為3.5 mm，分別磨去1.5 mm，3.0 mm，對比分析觸頭磨損0 mm、1.5 mm、3.0 mm 3種情況下的主軸轉(zhuǎn)角，進(jìn)一步對比轉(zhuǎn)速。觸頭不同磨損量分閘過程中的主軸轉(zhuǎn)角曲線如圖10所示。由圖10可見，分閘過程中主軸轉(zhuǎn)角曲線前半段的斜率（即轉(zhuǎn)速）不同，斜率越小，表示主軸轉(zhuǎn)動(dòng)速度越慢，即觸頭彈簧力越小，觸頭磨損越嚴(yán)重。通過對比斜率（即轉(zhuǎn)速），可以評估觸頭的電氣磨損量。

根據(jù)主軸轉(zhuǎn)速測試算法，編寫了主軸轉(zhuǎn)速測試數(shù)據(jù)的處理程序;然后將測試后的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、特征提取、判斷評估等，從而給出萬能式斷路器觸頭磨損量的數(shù)值，為斷路器壽命評估、健康管理提供關(guān)鍵的數(shù)據(jù)。

5 結(jié) 語

觸頭磨損是影響萬能式斷路器壽命的關(guān)鍵參數(shù)，本文針對這一關(guān)鍵參數(shù)的在線測量方法進(jìn)行了研究，采用電磁感應(yīng)原理設(shè)計(jì)了主軸轉(zhuǎn)動(dòng)速度在線測量傳感器，通過在線直接測量主軸轉(zhuǎn)動(dòng)速度來在線間接測量觸頭的磨損情況。利用有限元電磁仿真對傳感器的具體參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，加工模型樣機(jī)，進(jìn)行不同觸頭磨損程度的試驗(yàn)對比，證明了該傳感器判定觸頭磨損效果良好。將該傳感器本體與觸頭磨損判定算法結(jié)合，即可給出萬能式斷路器觸頭磨損的數(shù)值，為斷路器壽命評估、健康管理提供關(guān)鍵的數(shù)據(jù)。該傳感器是以萬能式斷路器為例進(jìn)行的研發(fā)，同樣可以結(jié)合各產(chǎn)品特點(diǎn)應(yīng)用于塑殼斷路器及其他斷路器產(chǎn)品上。

【參 考 文 獻(xiàn)】

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