【7.2KV真空断路器的设计10000字（论文）】

7.2KV真空断路器的设计目录TOC\o"1-3"\h\u8011引言 引言自21世纪以来，节能减排已成为人们关注的焦点，在发展低碳经济的背景下，随着政府的政策扶持以及全球车企的涌入，电动汽车的发展势必成为我国经济的增长点之一。工信部于2019年12月面向公众发布《新能源汽车产业发展规划（2021-2035）》征求意见稿，意见稿指出，规划实施至2030年时，新能源汽车与燃油车相比能够拥有更高的市场占有率，并且未来几年新能源汽车的市场销量预计将能够达到汽车市场销量的40%。未来大规模的电动汽车接入电网，势必对输配电网及电力设备造成重大影响，电力系统和电力设备的稳定运行对居民的日常生活，国家的经济发展有着决定性的作用。断路器是保证电力系统能够可靠、安全运行的关键设备，在电能的生产、输送、分配、使用中均有广泛的应用。断路器能够开断，关合及承载正常的工作电流，并在有效的时间内消除过载或短路的不正常电流。同时也可以起到自动控制和安全保护整个电力系统的重要作用。断路器的任何异常工作状态将直接严重影响电网的供电安全可靠性。断路器可大致划分为极柱、传动机构和操动机构三个部分，操动机构直接作用于极柱内部的动触头，带动动触头来实现分合闸的操作，所以操动机构的性能好坏对断路器的电气性能有很大的影响。根据驱动方式的不同可将操动机构分为以下几个大类，即永磁操动机构、弹簧操动机构、液压操动机构、弹簧液压操动机构、气动操动机构及电磁操动机构等。目前市场上常用的应用于真空断路器的操动机构为电磁操动机构、弹簧操动机构和永磁操动机构。断路器常见的故障类型分为电气故障和机械故障，相关的统计显示，因操动机构故障导致的断路器故障占比达到80%左右，另外由于现有的真空灭弧室体积较大且结构复杂，不利于整体结构小型化设计。另外，动触头质量大，不利于保护装置脱扣机构的快速动作和分闸速度的提高。所以对真空断路器的真空灭弧室和操动机构进行优化设计的研究有重要意义。2真空断路器工作原理真空断路器主要由操动机构、传动机构、机构箱以及真空灭弧室等组成。本文以7.2KV真空断路器为研究对象，来研究真空断路器的结构组成及工作原理。7.2KV真空断路器配用中间封接或一次封排的灭弧室，选用铜铬合金制成的杯状纵向磁场触头。这种结构的触头电寿命长，电磨损速度小，介质绝缘强度稳定，触头耐压水平高，弧后恢复迅速，开断能力强，截流水平低。其结构组成如图2.13所示。构图可知真空断路器主要由41种零部件以及大量螺栓连接而成，真空灭弧室与其他部分前后布置，并通过传动机构将灭弧室合操动机构连接起来，而所有的这些零部件都安装在机构箱内，便于运输与安装。其内部结构紧凑，使得其不需要占用太多的空间。1.上支架2.上出线座3.真空灭弧4.绝缘筒5.下支架6.下出线座7.软连接8触头压簧9.绝缘拉杆10.四连杆机构11分闸弹簧12.框架13.四连杆机构14.分闸电磁铁图2-17.2KV真空断路器平面图2.1灭弧原理真空断路器配用具有极高真空的杯状纵磁场真空灭弧室。在操动机构带动动触头带电分闸并产生真空电弧，由于触头独特的结构设计使得在触头间会形成纵向磁场，导致电弧维持扩散型，且维持较低的电弧电压并均匀地在触头表面燃烧。在极间电流过零之时残留的金属蒸气、电子和离子在微秒的时间就可以聚集，使得电弧能够迅速的熄灭从而达到灭弧的目的。由于采用先进的纵磁场技术，这种灭弧室具有强而稳定的电流开断能力。2.2动作原理1)储能动作手动储能和电动储能是7.2KV真空断路器的两种储能方式，在没有电源时，可采用手动的方式对断路器进行储能，将手动储能手柄插入并带动蜗杆一起顺时针转动，从而带动涡轮旋转，此时单向轴承锁死，单向轴承释放状态，手动储能部分与电动储能部分分离，带动大链轮转动。从而使得其上的挡销带动储能轴顺时针的旋转，此时其上的拐臂不停的转动，使得合闸弹簧被拉长直到最长为止，完成储能动作。当用电动机对断路器进行储能时，储能电机输出扭矩，单向轴承处于释放状态，手动储能部分分离，输出扭矩通过锁死单向轴承经链条传动完成储能。与此同时，储能微动开关在拨板的带动下动作。电机电源被切断，储能动作完成。2)合闸操作完成储能操作以后，合闸按钮被按下或者是合闸信号传输到断路器当中以后，合闸电磁铁的动铁芯迅速的向前运动并带动合17轴，因此使得合闸保持挚子解除对储能轴的约束，因而合闸弹簧能够自由的释放能量带动动触头进行合闸，在合闸轴的作用下带动合闸凸轮顺时针转动，通过二级四连杆机构迅速的带动动导杆运动，完成合闻动作。当断路器处于合闸位置时，内部的机械联锁保证机构不能再重复合闸。3)分闸动作当断路器处于合闸位置的时候，只需按动分闸按钮或者是当断路器接收到分闸信号，分闸半轴将会逆时针转动，解除半轴对分闸脱扣掣子的约束，因而分闸掣子的约束解除，机构主轴在触头压簧和分闸弹簧的作用下，迅速地顺时针转动，带动动导电杆向下运动，实现断路器分闸操作。每完成一次分闸操作，计数器都会自动记录。3真空灭弧室设计3.1外绝缘壳体的设计原则真空灭弧室外绝缘壳体作为真空介质的密封器件。为确保灭弧室在使用周期内具有较好的灭弧特性，其室内的真空度应小于10-3Pa。因此，设计要求绝缘外壳密封且不透气。然而，在实际的生产中，由于制造工艺和生产水平等多方面原因造成绝缘外壳等密封器件、焊接处及内部零件的慢性漏气，使得真空灭弧室在制作完成后，室内的真空度并不能永远保持原有水平，造成开断失败。因此，真空灭弧室生命周期的长度与漏气直接相关。按实际工作的要求，允许的最大漏气率Qa可由式（3-1）表示：（3-1）式中，Qa—允许的最大漏气率（Pa.cm3/s）；V—真空灭弧室的体积（cm3）；P—真空压力的允许最大值（Pa）；T—在工作期间真空度不得低于规定值(s),要求真空寿命一般为20年左右。允许的最大漏气率还可通过式（3-2）求得：（3-2）式中，S—绝缘外壳的表面积；D—外壳直径；L为外壳长度；P0—灭弧室外大气压；P1—灭弧室内的大气压；Δ—绝缘外壳的厚度；K—材料的透气率。真空灭弧室绝缘外壳尺寸可通过式（3-1）和（3-2）计算得出。目前，外壳绝缘部分常用的材料主要是玻璃、微晶玻璃或含氧化铝75%以上的高氧化铝陶瓷，其中玻璃和含氧化铝陶瓷也是真空灭弧室内部常用的绝缘材料。从列表中得出，三种材料都具有较好的密封性，玻璃外壳主要优点是其具有可视性，便于观察真空灭弧室内的变化情况，但机械强度较低，经受不住较强的机械冲击；氧化铝陶瓷外壳的主要特点是其具有较高的软化温度和较高的机械强度，能够承受较大的机械冲击，但其主要缺点是成本较高和不可视化；微晶玻璃是一种新型玻璃陶瓷材料，其机械强度优于陶瓷且成本介于玻璃与氧化铝陶瓷之间，憎水性强，透气率极小，但目前未得到推广使用。真空灭弧室绝缘外壳不仅仅要拥有良好的密封性，而且需要满足一定的机械强度以承受在运输、安装和使用过程受到的应力。因此，绝缘外壳应当具有一定的厚度。另外，真空开关在使用过程中，主屏蔽罩上的悬浮电位以及触头间的电位差会形成较强的电场，因此，在设计时要求绝缘外壳应保证有一定的绝缘裕度以确保真空灭弧室的正常运行。综上分析，本文设计的真空灭弧室选用75%氧化铝陶瓷作为其绝缘外壳，根据行业相关设计标准，要求7.2kV的氧化铝陶瓷的厚度不小于5mm，本文真空灭弧室绝缘外壳的厚度为6mm。根据式（3-1）及式（3-2）计算，真空灭弧室外壳长度140mm，外壳直径52mm。3.2触头开距设计标准中把真空灭弧室分闸情况下动、静触头间的距离定义为触头开距，触头开距与其运行的额定电压等级、分断能力和耐压水平有关。本文所设计的新型真空灭弧室的触头开距为8mm。同时，还需设计合理的触头超程以确保触头磨损后的可靠性和接触力。在实际应用中，真空灭弧室的超程多选择为触头开距的15~40%。因此，本文设计选取触头开距的30%作为触头超程，3mm。3.3触头设计真空灭弧室的触头结构、触头材料以及相关参数对于灭弧室的开断短路电流能力、关合能力、长期工作电流的导通能力和电寿命等都有直接的影响。1）触头结构设计真空灭弧室利用磁场控制电弧技术来提高极限电流开断能力，其工作原理：通过触头系统在断口间产生磁场，使电弧在短路电流下仍维持扩散态。在磁场作用下产生洛仑兹力，使电弧运动起来，避免电弧在局部停滞造成对触头表面烧损。能有效地减小触头表面局部的烧灼，从而减小电弧熄灭后触头间隙间的金属蒸汽，改善弧后介质恢复强度。目前，触头结构主要分为三种类型：横磁场触头、杯状纵向磁场触头以及线圈式纵向磁场触头。本文设计非对称双线圈双极式纵向磁场触头结构，其主要技术特点是在不改变触头外形结构情况下，动触头不安装纵向磁场线圈，将产生纵向磁场的触头线圈安装于静触头侧。非对称双线圈双极式纵向磁场触头结构如图3.1所示。1－动导杆；2－动触头片；3－电弧区；4－静触头片；5－触头线圈；6－动导杆图3-1非对称双线圈双极式纵向磁场触头结构简化图图3.1为非对称双线圈双极式纵向磁场触头简化后的内部结构图，静触头线圈结构是由上下两层线圈串联构成，下层线圈又由内外层线圈串联组成。由于动触头未设有触头线圈，其动触头特点：降低动触头的质量，减小触头分闸所需分闸力的要求。2）触头直径触头直径大小对短路电流的分断能力也有一定影响。理论上，触头短路电流的开断能力约等于触头直径的1.4次方。一定条件下，可通过增大触头直径尺寸来提高灭弧室开断能力，但当直径增加到一定值后，开断能力不会继续增加反而降低。过大的尺寸不仅增加了生产成本，也违背了灭弧室小型化设计的目的。目前，真空灭弧室确定触头直径主要有两种方式：一是根据触头磨损的质量、分断极限电流与分断极限电流次数之间的关系来确定触头直径；二是通过实验结果总结得到的经验公式确定触头直径。方式一：基于Rich理论，电弧的燃弧过程在半个周期内结束，且假定触头表面腐蚀率G是常数，触头表面原子凝结系数为Ci，同时触头开断后质点平均自由行程小于触头开距的s倍时绝缘才遭到破坏，则可通过式（3-3）得到极限短路电流I：（3-3）式中，K—玻尔兹曼常数；s—常数(1~2)；T—金属原子温度；Ci—触头表面金属凝结系数；G—触头表面侵蚀率；D—触头直径；ω—角频率；L—触头开距；d—金属原子直径。方式二：用相似理论对试验结果进行了总结,得到真空灭弧室极限开断能力的经验公式:（3-4）式中，D—为触头直径（mm）；d—为触头开距（mm）。该公式说明真空灭弧室的开断能力与触头直径成正比,与触头开距成反比。本文所设计的触头开断极限电流为31.5kA,由式（3-4）计算得触头直径23.76mm。因此，本文所设计的触头直径为30mm，开距8mm。根据经验公式（3-5）计算开断一次实际质量损耗：（3-5）式中，G—分断一次触头消耗的重量；IC—额定电流；q—触头材料的电磨损率；ω—角频率。设计认为触头允许的最大磨损厚度Δh≤0.5Δlk，则触头允许最大消耗质量式：（3-6）式中，Gmax—触头允许磨损的最大重量；γ—触头材料密度；Δh—触头允许的最大的磨损厚度；Δlk—触头超行程。通过上述条件，触头的使用寿命判断条件：（3-7）触头的极限开断能力与触头片的厚度有关。触头片薄时，触头片的机械强度不高，受到较大的机械冲击力易发生断裂；触头片较厚时，可以提高触头片的机械强度，但触头片过厚会影响弧隙间的磁场强度。本文所设计触头直径为30mm，厚度3mm。3）触头材料选择真空灭弧室分断性能要求触头应满足开断能力大、电磨损率低、有较好的抗熔焊能力、高耐电压强度、高导电率、低接触电阻和较小的截流水平。然而在实际生产中，现有的触头材料并不能完全满足上述所有的要求。其中，大开断能力和低截流水平是相互矛盾的。依据电弧理论，开断大电流时触头表面会生成大量的金属蒸汽，且金属蒸气浓度与电流成正比。大量的金属蒸汽会造成电弧的重燃，引起震荡电流，这是设计灭弧室中所不希望看到的。因此，希望触头材料的抗熔性要高。从截流方面考虑，真空电弧燃烧通过金属蒸汽来维持，当使用上述抗熔性高的触头材料势必会造成开断小电流时造成过大的截流过电压。因此，应根据真空灭弧室的实际应用场合来选择合适的触头材料。由上章节分析，故障情况下的7.2KV真空断路器一次侧电流值的故障范围较大，非极端故障下的电流值较小。本文选用CuCr50合金触头材料，其优势在于截流值小、拥有较好的开断性能、导电性好、抗熔性高、耐压能力好和电磨损率低。3.4屏蔽罩设计真空灭弧室小型化设计中，提高灭弧室击穿强度和开断能力的途径之一是通过合理地设计内部屏蔽罩结构来实现。屏蔽罩的类型主要包括主屏蔽罩、起均压作用的均压屏蔽罩以及保护波纹管的波纹管屏蔽罩等。主屏蔽罩主要作用：电弧熄灭后，金属蒸汽碰到主屏蔽罩内表面后冷却，加快等离子体的衰减速度，使其不易到达触头间隙。因此，主屏蔽罩对改善弧后介质恢复强度和提升灭弧室开断性能都有一定程度的影响。真空灭弧室主屏蔽罩的固定方式主要有中间封接式、外屏蔽罩式、瓷柱固定方式。其中，中间封接式和瓷柱固定方式与外接屏蔽罩的方式相比起来高度较小，但直径略大一些。外接式灭弧室高度大，使其体积增大，同时使得内部导电器件的导热性能和机械强度变得相对较弱，给导电杆的设计带来一定的问题。主屏蔽罩的外形结构主要是受到固定方式、触头形状以及电压等级等因素的制约，目前生产中较常使用的主屏蔽罩的外形结构可分为5种。主屏蔽罩在电弧燃烧期间吸收大量电弧能量和电弧辐射部分能量（主要包括光辐射和热辐射）。在开断电流过程中，主屏蔽罩大概要吸收电弧总能量的70%左右，使得主屏蔽罩温度上升,从而降低吸收电弧生成物的能力。目前，一般是通过增大主屏蔽罩的直径和厚度来克服。根据经验公式确定主屏蔽罩的直径和厚度：设在分断电弧熄灭的过程中主屏蔽罩吸收了约有50%的电弧能量，则吸收能量的表达式为：（3-8）式中，V—电弧电压（V）；I—分断电流（kA）；t—燃弧时间（s）。主屏蔽罩表面的温度不超过600℃时，能够使主屏蔽罩有较好的接收金属蒸气的效果。根据主屏蔽罩允许吸收的最大功率密度与吸收能量的关系式：（3-9）式中，Dmin—主屏蔽罩内径的最小值（cm）；d—触头开距(cm)；ΔWmax—允许吸收的最大功率密度(kW/cm2)。依据式（3-8）以及式（3-9）推导得到主屏蔽罩内径最小的尺寸公式：（3-10）为确保主屏蔽罩内表面与触头边缘留有一定的裕度，通常根据另一个经验公式（3-11）计算主屏蔽罩的直径：（3-11）式中，Dc—触头结构中最大直径（cm）。在现场生产中，选取两种方案的最大值尺寸定为主屏蔽罩的内径尺寸。真空灭弧室中电弧的燃弧时间一般为半个周期到一个周期（10~20ms）。由于时间较短，使得电弧热量的传递深度不深，主屏蔽罩厚度在一定范围内增大对真空灭弧室开断性能的提高有一定的影响，当厚度达到1.5mm以后，开断能力趋于饱和。本文采用的屏蔽罩材料均为不锈钢，屏蔽罩厚度为1.5mm。主屏蔽罩内直径为50mm。本文所设计的主屏蔽罩端部设置成圆弧形曲边，以达到更好的均压效果，使结构更加小型化。其中，波纹管屏蔽罩长度为20mm，内部直径22mm。3.5屏蔽罩设计真空灭弧室小型化设计中，提高灭弧室击穿强度和开断能力的途径之一是通过合理地设计内部屏蔽罩结构来实现。屏蔽罩的类型主要包括主屏蔽罩、起均压作用的均压屏蔽罩以及保护波纹管的波纹管屏蔽罩等。主屏蔽罩主要作用：电弧熄灭后，金属蒸汽碰到主屏蔽罩内表面后冷却，加快等离子体的衰减速度，使其不易到达触头间隙。因此，主屏蔽罩对改善弧后介质恢复强度和提升灭弧室开断性能都有一定程度的影响。真空灭弧室主屏蔽罩的固定方式主要有中间封接式、外屏蔽罩式、瓷柱固定方式。其中，中间封接式和瓷柱固定方式与外接屏蔽罩的方式相比起来高度较小，但直径略大一些。外接式灭弧室高度大，使其体积增大，同时使得内部导电器件的导热性能和机械强度变得相对较弱，给导电杆的设计带来一定的问题。主屏蔽罩的外形结构主要是受到固定方式、触头形状以及电压等级等因素的制约，目前生产中较常使用的主屏蔽罩的外形结构可分为5种，如图3-2所示。图3-2主屏蔽罩常用结构主屏蔽罩在电弧燃烧期间吸收大量电弧能量和电弧辐射部分能量（主要包括光辐射和热辐射）。在开断电流过程中，主屏蔽罩大概要吸收电弧总能量的70%左右，使得主屏蔽罩温度上升,从而降低吸收电弧生成物的能力。目前，一般是通过增大主屏蔽罩的直径和厚度来克服。根据经验公式确定主屏蔽罩的直径和厚度：设在分断电弧熄灭的过程中主屏蔽罩吸收了约有50%的电弧能量，则吸收能量的表达式为：（3-12）式中，V—电弧电压（V）；I—分断电流（kA）；t—燃弧时间（s）。主屏蔽罩表面的温度不超过600℃时，能够使主屏蔽罩有较好的接收金属蒸气的效果。根据主屏蔽罩允许吸收的最大功率密度与吸收能量的关系式：（3-13）式中，Dmin—主屏蔽罩内径的最小值（cm）；d—触头开距(cm)；ΔWmax—允许吸收的最大功率密度(kW/cm2)。依据式（2-8）以及式（2-9）推导得到主屏蔽罩内径最小的尺寸公式：（3-14）为确保主屏蔽罩内表面与触头边缘留有一定的裕度，通常根据另一个经验公式（2-11）计算主屏蔽罩的直径：（3-15）式中，Dc—触头结构中最大直径（cm）。在现场生产中，选取两种方案的最大值尺寸定为主屏蔽罩的内径尺寸。真空灭弧室中电弧的燃弧时间一般为半个周期到一个周期（10~20ms）。由于时间较短，使得电弧热量的传递深度不深，主屏蔽罩厚度在一定范围内增大对真空灭弧室开断性能的提高有一定的影响，当厚度达到1.5mm以后，开断能力趋于饱和。图3-3分断能力与屏蔽罩厚度的关系本文采用的屏蔽罩材料均为不锈钢，屏蔽罩厚度为1.5mm。主屏蔽罩内直径为50mm。本文所设计的主屏蔽罩端部设置成圆弧形曲边，以达到更好的均压效果，使结构更加小型化。其中，波纹管屏蔽罩长度为20mm，内部直径22mm。4操动机构设计4.1四杆机构几何分析及触头行程计算如图4-1所示为弹簧操动机构四杆机构简图，四杆机构与绝缘拉杆连接，合闸弹簧力通过四杆机构传递，四杆机构中的连杆随着主轴转动上移，并带动绝缘拉杆使动触头上移。在合闸过程中，连杆之间的夹角会随着连杆的移动发生变化，所以由图4-1所示四杆机构简图可得到连杆与机构角度的数学关系式，四杆机构杆件长度为l1=O2C，l2=CB，l3=BO1，l4=O2O1，l5=AO1，连杆之间的夹角为，杆件l2和l4的夹角为θ3。图4-1四杆机构简图如图4-1所示，根据四边形法则图中的四连杆可构成一个矢量封闭图形，可得出矢量关系式如式（4-1）。（4-1）式中：l1—连杆O2E的长度；l2—连杆CB的长度；l3—连杆BO1的长度；L4—连杆O2O1的长度。根据式（4-1）中的矢量关系可得到代数式如式（4-2）。（4-2）式中：θ1—连杆l4和连杆l5的夹角；θ2—连杆l1和连杆l4的夹角；θ3—连杆l2和连杆l4的夹角；由(4-2)可得到图4-1中四连杆的基本关系，设连杆l1、l2、l3的角速度为w1,w2,w3。将式（4-2）对时间取一次导数，经整理后可得连杆与角速度的关系如式（4-3）。（4-3）式（4-3）为线性方程组，整理为矩阵形式可得式（4-4）。（4-4）由图4-1中可得，断路器的行程S受到连杆l5与连杆l4的夹角θ1的影响，二者之间存在数量关系，连杆l5的长度为66mm。在分闸状态下夹角1的角度为36.69°，合闸时拉杆l5绕点O1旋转，带动动触头上移。根据余弦定理，可得动触头行程与连杆长度和夹角之间的关系如式（4-5）。（4-5）将式（4-5）整理可得动触头行程S表达式如式（4-6）。（4-6）运用Solidworks软件中的转化实体引用功能，建立断路器机构的运动平面简图，并进行行程测量，夹角θ1每变化1°则记录下对应的断路器机构的行程。4.2弹簧刚度的计算本文所研究的EL弹簧操动机构中一共有一个分闸弹簧、两个合闸弹簧和三个超程弹簧，其中的两个合闸弹簧以并联的形式组合在一起。断路器合闸时，求解弹簧做功，需要知道弹簧刚度及合闸过程中弹簧的形变量，根据合、分闸弹簧的图纸资料，可计算得出合、分闸弹簧刚度，弹簧图纸如图4-2所示。(a)合闸弹簧一(b)合闸弹簧二图4-2合闸弹簧参数如图4-2所示，根据相关的图纸资料，在合闸弹簧一中，当弹簧处于D'位置时F1=1944N，对应的弹簧长度λ1=93.5mm。当弹簧处于B'位置时F2=1461N，对应的弹簧长度λ2=130mm，合闸弹簧一的刚度即为KA，计算结果如式（4-7）所示。（4-7）在合闸弹簧二中，当弹簧处于D'位置时F1=1700N，对应的弹簧长度λ1=93.5mm。当弹簧处于B'位置时F2=1037N，对应的弹簧长度λ2=127mm，合闸弹簧二的刚度即为KB，计算结果如式（4-8）所示。（4-8）由于合闸弹簧一和二根弹簧并联，所以根据式（4-7）和式（4-8）计算所得的刚度可得合闸弹簧的等效刚度为K合=KA+KB=36.5N/mm合。图4-3分闸弹簧参数如图4-4所示，根据相关的图纸资料，在分闸弹簧中，当弹簧处于D’位置时F1=730N，对应的弹簧长度λ1=241mm。当弹簧处于B’位置时F2=350N，对应的弹簧长度λ2=188mm，分闸弹簧的刚度为KC，计算结果如式（4-9）所示。（4-9）超程弹簧的选取：刚度为150N/mm，超程弹簧的力值为2600N。4.3图解法求速度比弹簧操动机构中弹簧所释放的力需要通过连杆传动，连杆传动系统是一个比较复杂的系统，作用力数量较多，且不同的力作用点也不同，各连杆的位移也有差异，各零部件的运动形式有直线运动、旋转运动以及复杂化的平面运动，这样的运动系统各点的作用力不能简单的加减，各部件的质量也不能简单加减，所以需计算速度比将各点的作用力以及运动质量归算到统一的点上，便于计算合闸速度。如图4-5所示是利用SolidWorks软件的到的EL操动机构简图，图中A-H、O1、O2为主要节点，1-9为操动机构的主要零部件，其中1-6为操动机构的连杆部分，7为牛头，8为合闸弹簧。以A点作为参考节点，将机构的等效质量及速度比归算至节点A。图4-4EL操动机构平面图由于节点O1、O2、H、F为支点，所以不参与理论计算过程。假定节点A、B、C、D、E、G的运动速度分别为VA、VB、VC、VD、VE、VG，各节点的质量的分别为mA、mB、mC、mD、mE、mG，设整个系统的等效质量为M，速度为V，则根据动能定理可得系统的动能如式（4-10）。（4-10）如果将等效质量归算至节点A处，即V=VA，则式可改写为式（4-11）。（4-11）4.4等效质量计算本文中断路器机构的零部件主要有绕固定轴做旋转运动、平移（直线）运动和平面平行运动三种运动方式。为了后续的计算准确性，需要将各零部件的质量进行等效归算集中至一个点上，不同的运动方式，其等效质量的归算方法是不同的。各节点已在图4-4中标出，根据本机构的三种不同运动方式进行归算可得。1.平移（直线）运动的零件由于做平移运动的零件上任意点的运动速度和惯性相同，所以将质量归算至构件上的任意一点并不影响计算结果。本文所研究的机构中包括动触头、绝缘拉杆和两者的软连接等运动部件做平移运动，将这三个零件的替代质量归算至节点A处，记为Am。2.绕固定轴做旋转运动的零件绕固定轴做旋转运动的零件在计算其等效质量时，应考虑其绕固定轴旋转的转动惯量，根据转动惯量的表达式，将零件的等效质量归算至固定的轴销处，如式（4-12）。（4-12）式中：J—转动惯量；L—零件长度；m—零件替代质量。本文中需要归算等效质量的的零件为：零件1，对应的旋转轴为1O，转动惯量为J1，包含连杆1的质量和轴销质量，其等效质量集中于节点B为：。零件3，包含连杆3的质量，对应的旋转轴为O2，转动惯量为J2，其等效质量集中于节点C为:。零件6，包含连杆6和轴销的质量，在牛头运动到一定角度时绕节点F做旋转运动，转动惯量为J3，其等效质量集中于节点E为:。3.平面平行运动的零件做平面平行运动的零件，零件上的个点都始终平行于某一平面运动。可将这类零件的等效质量集中于零件两端的轴销处和零件的重心处这三个点上，由于在进行归算时零件重心处的质量分布较小，所以在计算过程中近似将等效质量均分到零件两端的轴销处。对于零件2，其等效质量集中在节点B、C处，记为mB2、mC2。对于零件5，其等效质量集中在节点D、E处，记为mD、mE2。对于零件7，包含牛头质量。零件8，包含合闸弹簧和推杆质量，将两个等效质量集中在节点G处，分别记为mG1、mG2。综上可得，节点B、C、E、G的等效质量如式（4-13）所示。4-13）在Solidworks软件中，对所有零件的材料进行编辑，各零件质量以及绕固定轴的转动惯量、杆长等数据可通过软件获得。如表4-2所示为断路器合闸位置时各节点的等效质量。表4-2零件在各节点的质量分布及各节点质量由表4-2，结合表4-1的速度比数据以及式（4-11），可计算出在合闸过程中开距阶段的等效质量M如图4-5所示。图4-5合闸等效质量5结论电力开关行业随着我国经济的不断发展壮大获得了非常好的发展机遇。而真空断路器以其非常优异的分断性能，同时随着人们对真空断路器的认识以及技术发展和中压无油化策略的开展，使得其在中压领域得到了特别广泛的应用。因