CN105930622A - 一种断路器弹簧操动机构运动状态判定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种断路器弹簧操动机构运动状态判定方法，包括：1.确定分、合闸弹簧刚度、自由长度及初压长度这三个参数；2.在断路器合闸操作任意时刻，根据合闸弹簧刚度、自由长度及初压长度计算合闸弹簧的归算力与释放的操作功；3.根据分闸弹簧刚度、自由长度及初压长度计算分闸弹簧的归算力与消耗的功；4.利用Fluent软件仿真获得缓冲器缓冲阻力，并计算其归算力与消耗的功；5.灭弧室运动阻力的归算与其消耗功的计算；6.根据步骤2～5得到归算处的合力与***的剩余功；7.根据步骤6的计算结果判定弹簧操动机构所处的运动状态。本发明数学模型准确、有效地描述了弹簧操动机构在断路器合闸操作中的运动状态，克服了以往方法效率低、精度不高以及不能反映合闸过程动态变化的局限性，为探索弹簧操动机构的可靠运行提供了良好的理论依据。

Description

一种断路器弹簧操动机构运动状态判定方法

【技术领域】

本发明涉及高压断路器领域，特别涉及一种断路器弹簧操动机构运动状态判定方法。

【背景技术】

弹簧操动机构作为断路器的动力源，其运动状态对断路器的机械特性有着很大的影响。一般情况下，高压断路器通过连接机构与弹簧操动机构连接，弹簧操动机构输出的力与功经过连接机构后，推动断路器实现分合动作。

以断路器合闸为例，整个***受到合闸弹簧驱动力、分闸弹簧阻力、缓冲器缓冲阻力、灭弧室运动阻力以及摩擦力的作用，这些力在归算处的合力大小直接反应了该处加速度的大小，这就是说弹簧操动机构的运动状态与这些力的归算合力密切相关。

从功的角度来考虑，断路器合闸过程，动力来源为压缩合闸弹簧释放的操作功，而***运动消耗的功主要有：压缩分闸弹簧储能消耗的功、缓冲器消耗的功、灭弧室运动阻力消耗的功及摩擦阻力消耗的功。根据能量守恒，在合闸过程中的任意一点位置，由压缩合闸弹簧释放的功，应等于克服运动***中各种反力消耗的功及运动***动能的增量。当合闸弹簧释放的功不足以克服***消耗的功时，弹簧操动机构将停止运动，致使断路器不能完成合闸操作。

利用***力与功的分析可以判断弹簧操动机构在合闸任意时刻所处的运动状态，但由于弹簧操纵机构结构复杂，再加上断路器的合闸操作是一个动态过程，这就给各种力的等价归算与功的计算带来很大困难。以往的研究首先要通过作图确定弹簧操动机构运动部件在某一合闸位置的相对关系，之后在不考虑缓冲器缓冲阻力、灭弧室运动阻力以及摩擦力的前提下，仅对分、合闸弹簧产生的力与功进行计算。这种方法不仅效率低，而且还存在以下问题：

1)该方法只能对合闸过程中的几个点进行作图分析，并不能真实反映弹簧操动机构在断路器合闸操作整个过程中的动态变化规律。

2)该方法忽略的因素太多，尤其是缓冲器缓冲阻力与灭弧室运动阻力的忽略，造成利用该方法在判定弹簧操动机构运动状态时的精度不高。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种断路器弹簧操动机构运动状态判定方法，以解决上述技术问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种断路器弹簧操动机构运动状态判定方法，包括以下步骤：

步骤1.给定分、合闸弹簧的刚度、自由长度、初压长度这三个参数的值；

步骤2.由合闸弹簧刚度、自由长度、初压长度计算合闸弹簧在断路器合闸某一时刻的力值，由此计算合闸弹簧力对凸轮转轴的力矩，在此基础上根据能量守恒的换算原则计算合闸弹簧力对输出拐臂转轴的归算力矩，最终得到合闸弹簧力在凸轮与滚子接触点处的归算力；最后依据合闸弹簧在该时刻的压缩量与刚度，获得合闸弹簧释放的操作功；

步骤3.由分闸弹簧刚度、自由长度、初压长度计算该时刻分闸弹簧力，由此计算分闸弹簧力对输出拐臂转轴的力矩，在此基础上计算分闸弹簧力在凸轮与滚子接触点处的归算力，最后依据分闸弹簧在该时刻的压缩量与刚度，获得分闸弹簧消耗的功；

步骤4.根据缓冲器活塞速度曲线(计算获得该时刻缓冲器缓冲阻力，由此计算缓冲阻力对输出拐臂转轴的力矩，在此基础上计算缓冲阻力在凸轮与滚子接触点处的归算力，最后根据缓冲阻力曲线与活塞行程包围的面积获得缓冲阻力消耗的功；

步骤5.由灭弧室运动阻力计算其对输出拐臂转轴的力矩，在此基础上计算灭弧室运动阻力在凸轮与滚子接触点处的归算力，最后依据动触头行程计算灭弧室运动阻力消耗的功；

步骤6.根据步骤2～5，计算该时刻归算处的合力与***的剩余功，其中，该时刻归算处的合力∑F为：∑F＝F′₁-F′₂-F′₃-F′₄，其中，F′₁、F′₂、F′₃、F′₄分别为合闸弹簧力、分闸弹簧力、缓冲阻力，以及灭弧室运动阻力在该时刻在凸轮与滚子接触点处的归算力；所述剩余功∑W为∑W＝W₁-W₂-W₃-W₄，其中，W′₁、W′₂、W′₃、W′₄分别为合闸弹簧力、分闸弹簧力、缓冲阻力，以及灭弧室运动阻力在该时刻的消耗功；

步骤7.根据步骤6的计算结果判定断路器合闸操作过程中弹簧操动机构在该时刻所处的运动状态，判定方法为：

∑F>0，∑W＝0：弹簧操动机构即将开始运动；

∑F>0，∑W>0：弹簧操动机构加速运动；

∑F＝0，∑W>0：弹簧操动机构匀速运动；

∑F<0，∑W>0：弹簧操动机构减速运动；

∑F＝0，∑W＝0：弹簧操动机构停止运动。

进一步的，步骤2中断路器合闸某一时刻合闸弹簧力在凸轮与滚子接触点处的归算力方程为：

${F_1}^{\&prime;}=\{\&lsqb;(l_{1h}-l_{\lg }+l_{1S})-S_1\&rsqb;\&CenterDot;k_1\&CenterDot;r_1\&CenterDot;sin(\mathrm{\&alpha;}+\mathrm{\&beta;})\&CenterDot;\frac{d\mathrm{\&beta;}}{d\mathrm{\&mu;}}\}/L_1---\left(1\right)$

其中：F′₁为该时刻合闸弹簧力在凸轮与滚子接触点处的归算力，方向沿凸轮与滚子接触点法线方向；l_1h为合闸弹簧自由长度；l_1g为合闸弹簧初压缩长度；l_1S为合闸弹簧工作行程；S₁为合闸弹簧在该时刻相对于终压缩位置的长度变化量；k₁为合闸弹簧刚度；r₁为合闸弹簧销子与凸轮固定转轴的距离；α为储能保持过中角度；β为该时刻凸轮旋转角度；dβ是凸轮在该时刻的瞬时转角；dμ是输出拐臂在该时刻的瞬时转角；L₁为归算力F′₁绕输出拐臂转轴旋转的力臂。

进一步的，步骤2中合闸弹簧释放操作功的计算方程为：

$W_1=\frac{1}{2}{k}_1(S_{11}^2-S_{12}^2)---\left(2\right)$

其中：W₁为合闸弹簧释放的操作功；S₁₁为合闸开始时刻合闸弹簧压缩量；S₁₂为该时刻合闸弹簧压缩量。

进一步的，步骤3中分闸弹簧力在凸轮与滚子接触点处的归算力方程为：

F′₂＝{[(l_2h-l_2g)+S₂]·k₂·l₂·cos(μ-λ)}/L₁(3)

其中：F′₂为分闸弹簧力在凸轮与滚子接触点处的归算力，方向沿凸轮与滚子接触点法线方向；l_2h为分闸弹簧自由长度；l_2g为分闸弹簧初压缩长度；S₂为分闸弹簧在该时刻相对于初压缩位置的长度变化量；k₂为分闸弹簧刚度；l₂为分闸弹簧销子与输出拐臂转轴的距离；λ为合闸起始时刻，分闸销子和输出拐臂转轴的连线与竖直方向的夹角；μ为该时刻输出拐臂旋转角度，L₁为归算力F′₁绕输出拐臂转轴旋转的力臂。

进一步的，步骤3中分闸弹簧消耗功的计算方程为：

$W_2=\frac{1}{2}{k}_2(S_{22}^2-S_{21}^2)---\left(4\right)$

其中：W₂为分闸弹簧消耗的功；k₂为分闸弹簧刚度；S₂₁为分闸弹簧初始压缩量；S₂₂为该时刻分闸弹簧压缩量。

进一步的，步骤4中，根据缓冲器活塞速度曲线获得缓冲器缓冲阻力的主要步骤为：

步骤A：建立缓冲器在合闸初始时刻的三维流体分析模型；

步骤B：对该三维流体分析模型进行四面体网格划分；

步骤C：选取断路器标准合闸行程曲线，将该行程曲线转化为缓冲器活塞的速度曲线，并将速度曲线离散成一系列的数据点，通过使用Fluent中的瞬态profile文件来定义活塞的连续运动；

步骤D：假定外缸体内液压油与内缸体低压腔油液的相对压力均为0MPa；

步骤E：根据步骤A建立的三维流体分析模型，进行数值迭代求解，获得缓冲器内部压力场的分布云图以及活塞面上的压力；

步骤F：在合闸过程中，根据步骤E的结果依据以下公式计算缓冲器所受缓冲阻力：

F₃＝P₃·S₃(5)

其中：F₃为断路器合闸过程中缓冲阻力；P₃为活塞面所受压强；S₃为活塞面积。

进一步的，步骤4中缓冲阻力在凸轮与滚子接触点处的归算力方程为：

F′₃＝(F₃·l₂·cos(μ-λ))/L₁(6)

其中：F′₃为缓冲阻力在凸轮与滚子接触点处的归算力，方向沿凸轮与滚子接触点法线方向，F₃为断路器合闸过程中缓冲阻力，l₂为分闸弹簧销子与输出拐臂转轴的距离，μ为该时刻输出拐臂旋转角度，λ为合闸起始时刻，分闸销子和输出拐臂转轴的连线与竖直方向的夹角，L₁为归算力F′₁绕输出拐臂转轴旋转的力臂。

进一步的，步骤4中缓冲阻力消耗功的计算方程为：

$W_3={\&Integral;}_0^{x_t}{F}_3\left(x\right)dx---\left(7\right)$

其中：W₃为缓冲阻力消耗的功；F₃(x)为缓冲器活塞行程x与缓冲阻力的关系；x_t为缓冲器活塞在该时刻的行程。

进一步的，步骤5中灭弧室运动阻力F₄在合闸过程(空载)中是变量：在动静触头未接触之前，F₄主要是气体阻力；在动静触头刚接触时，F₄迅速增大。对于已有的断路器产品，灭弧室运动阻力可由测力工装测量；对于正在研发的断路器产品，灭弧室运动阻力可利用与已有产品类比进行估算。

进一步的，步骤5中灭弧室运动阻力在凸轮与滚子接触点处的归算力方程为：

F′₄＝(F₄·l₃·cos(μ-δ))/L₁(8)

其中：F′₄为灭弧室运动阻力在凸轮与滚子接触点处的归算力，方向沿接触点法线方向；F₄为灭弧室运动阻力，l₃为灭弧室运动阻力作用点与输出拐臂转轴处的距离；μ为该时刻输出拐臂旋转角度，δ为合闸起始时刻，灭弧室运动阻力作用点和输出拐臂转轴的连线与水平方向的夹角，L₁为归算力F′₁绕输出拐臂转轴旋转的力臂。

进一步的，步骤5中灭弧室运动阻力消耗功的计算方程为：

W₄＝F₄·S₄(9)

其中：W₄为灭弧室运动阻力消耗的功；S₄为该时刻动触头行程，F₄为灭弧室运动阻力。

与现有技术相比，本发明具有如下优点与有益效果：本发明通过对高压断路器合闸操作过程的机理分析，在综合考虑合闸弹簧推力与释放操作功、分闸弹簧阻力与消耗功、缓冲器缓冲阻力与消耗功、灭弧室运动阻力与消耗功的基础上，通过数学模型分析了合闸操作任意时刻推力与阻力在归算处的合力以及剩余功，对于准确判定断路器弹簧操动机构的运动状态提供了良好的理论基础；在弹簧操动机构产品设计阶段，利用本发明可预先校核合闸弹簧在合闸操作过程中所提供的动力是否充足，为分、合闸弹簧相关参数的设计调整提供依据；在产品试制阶段，利用本发明可快速判断分、合闸弹簧的压缩量(外露螺杆长度)是否匹配，为合理调整这两个量提供帮助。

【附图说明】

图1为本发明方法的流程示意图；

图2为本发明的受力分析示意图；

图3为本发明的合闸弹簧力及在凸轮转轴处力矩的计算示意图；

图4为本发明的合闸弹簧力归算示意图；

图5为本发明的分闸弹簧力归算示意图；

图6为本发明的缓冲器缓冲阻力计算流程图；

图7为本发明的某弹簧机构缓冲器缓冲阻力随缓冲器活塞行程变化曲线；

图8为本发明的灭弧室运动阻力归算示意图；

【具体实施方式】

下面将结合具体实施例和附图对本发明做进一步详细描述。

请参阅图1与2所示，一种断路器弹簧操动机构运动状态判定方法包括以下步骤：

步骤1.给定分、合闸弹簧的刚度、自由长度、初压长度这三个参数的值；

步骤2.由合闸弹簧刚度、自由长度、初压长度计算合闸弹簧在断路器合闸某一时刻的力值，由此计算合闸弹簧力对凸轮转轴1的力矩，在此基础上根据能量守恒的换算原则计算合闸弹簧力对输出拐臂转轴4的归算力矩，最终得到合闸弹簧力在凸轮5与滚子6接触点处的归算力。最后依据合闸弹簧压缩量与刚度，获得合闸弹簧释放的功；

步骤3.由分闸弹簧刚度、自由长度、初压长度计算分闸弹簧力，由此计算分闸弹簧力对输出拐臂转轴4的力矩，在此基础上计算分闸弹簧力在凸轮5与滚子6接触点处的归算力。最后依据分闸弹簧压缩量与刚度，获得分闸弹簧消耗的功；

步骤4.根据活塞速度曲线(从断路器动触头折算到缓冲器活塞上)，利用Fluent软件计算获得该时刻缓冲器缓冲阻力，由此计算缓冲阻力对输出拐臂转轴4的力矩，在此基础上计算缓冲阻力在凸轮5与滚子6接触点处的归算力。最后计算缓冲阻力曲线与活塞行程包围的面积获得缓冲阻力消耗的功；

步骤5.由灭弧室10运动阻力计算其对输出拐臂转轴4的力矩，在此基础上计算灭弧室10运动阻力在凸轮5与滚子6接触点处的归算力。最后依据动触头行程计算灭弧室10运动阻力消耗的功；

步骤6.根据步骤2～5，计算该时刻归算处的合力与***的剩余功；

步骤7.根据步骤6的计算结果判定断路器合闸操作过程中弹簧操动机构在该时刻所处的运动状态。

其中，在所述步骤2中，合闸弹簧力F₁的计算方程为：

F₁＝∑P₁₂-k₁·S₁(1)

式中，∑P₁₂为合闸弹簧终压缩位置的力值；k₁为合闸弹簧刚度；S₁为合闸弹簧在该时刻相对于终压缩位置的长度变化量。

所述∑P₁₂可由式(2)计算得到：

∑P₁₂＝(l_1h-l_1g+l_1S)·k₁(2)

式中，l_1h为合闸弹簧自由长度；l_1g为合闸弹簧初压缩长度；l_1S为合闸弹簧工作行程。

如图3所示，所述S₁可由式(3)计算得到：

S₁＝r₁-r₁·cos(α+β)(3)

式中，r₁为合闸弹簧销子7与凸轮固定转轴1的距离；α为储能保持过中角度；β为该时刻凸轮5旋转角度。

如图3所示，合闸弹簧力对凸轮转轴1的力矩方程为：

M₁₁＝F₁·l₁＝F₁·r₁·sin(α+β)(4)

式中，l₁为合闸弹簧力F₁绕凸轮转轴1旋转的力臂。

合闸弹簧力对输出拐臂转轴4的归算力矩可按能量守恒换算，其归算力矩M′₁的方程为：

$M_1^{\&prime;}=M_{11}\frac{d\mathrm{\&beta;}}{d\mathrm{\&mu;}}---\left(5\right)$

式中，dβ是凸轮5在该时刻的瞬时转角；dμ是输出拐臂3在该时刻的瞬时转角。

从图4中可以得到合闸弹簧力在凸轮5与滚子6接触点处的归算力方程：

F′₁＝M′₁/L₁(6)

式中，F′₁为该时刻合闸弹簧力在凸轮与滚子接触点处的归算力，方向为沿接触点法线方向；L₁为归算力F′₁绕输出拐臂转轴4旋转的力臂。

合闸弹簧释放操作功的计算方程为：

$W_1=\frac{1}{2}{k}_1(S_{11}^2-S_{12}^2)---\left(7\right)$

式中，W₁为合闸弹簧释放的操作功；S₁₁为合闸开始时刻合闸弹簧压缩量；S₁₂为该时刻合闸弹簧压缩量。

所述S₁₁可由式(8)计算获得：

S₁₁＝∑P₁₂/k₁-(r₁-r₁·cos(α))(8)

所述S₁₂可由式(9)计算获得：

S₁₂＝S₁₁-S₁+(r₁-r₁·cos(α))(9)

其中，在所述步骤3中，分闸弹簧力F₂的计算方程为：

F₂＝∑P₂₁+k₂·S₂(10)

式中，∑P₂₁为分闸弹簧初压缩位置的力值；k₂为分闸弹簧刚度；S₂分闸弹簧在该时刻相对于初压缩位置的长度变化量。

所述∑P₂₁可由式(11)计算得到：

∑P₂₁＝(l_2h-l_2g)·k₂(11)

式中，l_2h为分闸弹簧自由长度；l_2g为分闸弹簧初压缩长度。

所述S₂可由式(12)计算得到：

S₂＝l₂·sin(λ)+l₂·sin(μ-λ)(12)

式中，l₂为分闸弹簧销子9与输出拐臂转轴4的距离；λ为合闸起始时刻，分闸销子9和输出拐臂转轴4的连线与Y轴的夹角；μ为该时刻输出拐臂3旋转角度。

如图5所示，分闸弹簧力对输出拐臂转轴4的力矩M′₂方程为：

M′₂＝F₂·L₂＝F₂·l₂·cos(μ-λ)(13)

式中，L₂为分闸弹簧力F₂绕输出拐臂转轴4旋转的力臂。

如图5所示，分闸弹簧力在凸轮5与滚子6接触点处的归算力方程为：

F′₂＝M′₂/L₁(14)

式中，F′₂为分闸弹簧力在凸轮与滚子接触点处的归算力，方向沿接触点法线方向。

分闸弹簧消耗功W₂的计算方程为：

$W_2=\frac{1}{2}{k}_2(S_{22}^2-S_{21}^2)---\left(15\right)$

式中，S₂₁为分闸弹簧初始压缩量；S₂₂为该时刻分闸弹簧压缩量。

所述S₂₁可由式(16)计算获得：

S₂₁＝∑P₂₁/k₂(16)

所述S₂₂可由式(17)计算获得：

S₂₂＝S₂₁+S₂(17)

其中，在所述步骤4中，利用Fluent软件计算获得缓冲器缓冲阻力的主要步骤为(如图6所示)：

步骤A：为跟实际情况更接近，建立缓冲器在合闸初始时刻的三维流体分析模型。

步骤B：由于三维模型的动网格重分格式只能用四面体网格，故通过前处理软件对模型进行四面体网格划分。

步骤C：选取断路器标准合闸行程曲线，将该行程曲线折算为缓冲器活塞的速度曲线，并将速度曲线离散成一系列的数据点，通过使用Fluent中的瞬态profile文件来定义缓冲器活塞的连续运动。

步骤D：假定外缸体与内缸体之间液压油的相对压力为0MPa，由于内缸体低压腔(活塞经过后的腔体)有大的阻尼孔与外缸体相互通油，为了简化计算，假定内缸体低压腔油液相对压力也为0MPa。

步骤E：根据所建立的仿真模型，在Fluent软件平台上进行数值迭代求解，经过后处理可以获得缓冲器内部压力场的分布云图以及活塞面上的压力。

步骤F：在合闸过程中，缓冲器所受缓冲阻力F₃可由下式计算：

F₃＝P₃·S₃(18)

式中，P₃为活塞面所受压强；S₃为活塞面积。图7为采用以上步骤得到的某弹簧机构缓冲器缓冲阻力随缓冲器活塞行程变化曲线。

本实施例中，缓冲阻力与分闸弹簧力作用点位置相同，其归算方法也与分闸弹簧力的归算方法相同，故缓冲阻力对输出拐臂转轴4的力矩M′₃方程为：

M′₃＝F₃·L₂＝F₃·l₂·cos(μ-λ)(19)

缓冲阻力在凸轮5与滚子6接触点处的归算力F′₃方程为：

F′₃＝M′₃/L₁(20)

缓冲阻力消耗的功可由下式表示：

$W_3={\&Integral;}_0^{x_t}{F}_3\left(x\right)dx---\left(21\right)$

其中：W₃为缓冲阻力消耗的功；F₃(x)为缓冲器活塞行程x与缓冲阻力的关系；x_t为缓冲器活塞在该时刻的行程。

其中，在所述步骤5中，灭弧室10运动阻力F₄在合闸过程(空载)中是变量：在动静触头未接触之前，F₄主要是气体阻力；在动静触头刚接触时，F₄迅速增大。对于已有的断路器产品，灭弧室10运动阻力可由测力工装测量；对于正在研发的断路器产品，灭弧室10运动阻力可利用与已有产品类比进行估算。在本实施例中，为考察弹簧操动机构在最苛刻条件下的运动状态，选取测力工装测量(断路器压气室在额定气压条件下)的最大值作为F₄。

从图8中可得灭弧室10运动阻力对输出拐臂转轴4的力矩：

M′₄＝F₄·L₃＝F₄·l₃·cos(μ-δ)(22)

式中，M′₄为灭弧室10运动阻力对输出拐臂转轴4的力矩；L₃为灭弧室10运动阻力绕输出拐臂转轴4旋转的力臂；l₃为灭弧室10运动阻力作用点2与输出拐臂转轴4的距离；δ为合闸起始时刻，灭弧室10运动阻力作用点2和输出拐臂转轴4的连线与x轴的夹角。

灭弧室10运动阻力在凸轮5与滚子6接触点处的归算力F′₄方程为：

F′₄＝M′₄/L₁(23)

在合闸过程中，灭弧室10运动阻力消耗功W₄的计算方程为：

W₄＝F₄·S₄(24)

式中，S₄该时刻动触头行程。

其中，在所述步骤6中，归算处的合力∑F方程为：

∑F＝F′₁-F′₂-F′₃-F′₄(25)

剩余功(弹簧机构释放功与消耗功的差值)∑W的计算方程为：

∑W＝W₁-W₂-W₃-W₄(26)

其中，在所述步骤7中，断路器合闸操作过程中弹簧操动机构运动状态的判定方法为：

∑F>0，∑W＝0：弹簧操动机构即将开始运动；

∑F>0，∑W>0：弹簧操动机构加速运动；

∑F＝0，∑W>0：弹簧操动机构匀速运动；

∑F<0，∑W>0：弹簧操动机构减速运动；

∑F＝0，∑W＝0：弹簧操动机构停止运动。

若在断路器合闸过程中，归算处合力∑F与剩余功∑W在某一时间点出现其它组合方式，则说明合闸弹簧释放的能量不足以克服阻力所消耗的能量，弹簧操动机构在该时刻之前已经停止了运动。

Claims (10)

1.一种断路器弹簧操动机构运动状态判定方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1.给定分、合闸弹簧的刚度、自由长度、初压长度这三个参数的值；

步骤2.由合闸弹簧刚度、自由长度、初压长度计算合闸弹簧在断路器合闸某一时刻的力值，由此计算合闸弹簧力对凸轮转轴的力矩，在此基础上根据能量守恒的换算原则计算合闸弹簧力对输出拐臂转轴的归算力矩，最终得到合闸弹簧力在凸轮与滚子接触点处的归算力；最后依据合闸弹簧在该时刻的压缩量与刚度，获得合闸弹簧释放的操作功；

步骤3.由分闸弹簧刚度、自由长度、初压长度计算该时刻分闸弹簧力，由此计算分闸弹簧力对输出拐臂转轴的力矩，在此基础上计算分闸弹簧力在凸轮与滚子接触点处的归算力；最后依据分闸弹簧在该时刻的压缩量与刚度，获得分闸弹簧消耗的功；

步骤4.根据缓冲器活塞速度曲线获得该时刻缓冲器缓冲阻力，由此计算缓冲阻力对输出拐臂转轴的力矩，在此基础上计算缓冲阻力在凸轮与滚子接触点处的归算力；最后根据缓冲阻力曲线与活塞行程包围的面积获得缓冲阻力消耗的功；

步骤5.由灭弧室运动阻力计算灭弧室运动阻力对输出拐臂转轴的力矩，在此基础上计算灭弧室运动阻力在凸轮与滚子接触点处的归算力，最后依据动触头行程计算灭弧室运动阻力消耗的功；

步骤6.根据步骤2～5，计算该时刻归算处的合力与***的剩余功，其中，该时刻归算处的合力∑F为：∑F＝F₁′-F₂′-F₃′-F₄′，其中，F₁′、F₂′、F₃′、F₄′分别为合闸弹簧力、分闸弹簧力、缓冲阻力，以及灭弧室运动阻力在该时刻在凸轮与滚子接触点处的归算力；所述剩余功∑W为∑W＝W₁-W₂-W₃-W₄，其中，W₁′、W₂′、W₃′、W₄′分别为合闸弹簧力、分闸弹簧力、缓冲阻力，以及灭弧室运动阻力在该时刻的消耗功；

步骤7.根据步骤6的计算结果判定断路器合闸操作过程中弹簧操动机构在该时刻所处的运动状态，判定方法为：

∑F>0，∑W＝0：弹簧操动机构即将开始运动；

∑F>0，∑W>0：弹簧操动机构加速运动；

∑F＝0，∑W>0：弹簧操动机构匀速运动；

∑F<0，∑W>0：弹簧操动机构减速运动；

∑F＝0，∑W＝0：弹簧操动机构停止运动。

2.根据权利要求1所述的一种断路器弹簧操动机构运动状态判定方法，其特征在于，步骤2中断路器合闸某一时刻合闸弹簧力在凸轮与滚子接触点处的归算力方程为：

$F_1^{\&prime;}=\{\&lsqb;(l_{1h}-l_{1g}+l_{1S})-S_1\&rsqb;\&CenterDot;k_1\&CenterDot;r_1\&CenterDot;\sin (\mathrm{\&alpha;}+\mathrm{\&beta;})\&CenterDot;\frac{d\mathrm{\&beta;}}{d\mathrm{\&mu;}}\}/L_1---\left(1\right)$

其中：F₁′为该时刻合闸弹簧力在凸轮与滚子接触点处的归算力，方向沿凸轮与滚子接触点的法线方向；l_1h为合闸弹簧自由长度；l_1g为合闸弹簧初压缩长度；l_1S为合闸弹簧工作行程；S₁为合闸弹簧在该时刻相对于终压缩位置的长度变化量；k₁为合闸弹簧刚度；r₁为合闸弹簧销子与凸轮固定转轴的距离；α为储能保持过中角度；β为该时刻凸轮旋转角度；dβ是凸轮在该时刻的瞬时转角；dμ是输出拐臂在该时刻的瞬时转角；L₁为归算力F₁′绕输出拐臂转轴旋转的力臂。

3.根据权利要求1所述的一种断路器弹簧操动机构运动状态判定方法，其特征在于，步骤2中合闸弹簧释放操作功的计算方程为：

$W_1=\frac{1}{2}{k}_1(S_{11}^2-S_{12}^2)---\left(2\right)$

其中：W₁为合闸弹簧释放的操作功；S₁₁为合闸开始时刻合闸弹簧压缩量；S₁₂为该时刻合闸弹簧压缩量。

4.根据权利要求1所述的一种断路器弹簧操动机构运动状态判定方法，其特征在于，步骤3中分闸弹簧力在凸轮与滚子接触点处的归算力方程为：

F′₂＝{[(l_2h-l_2g)+S₂]·k₂·l₂·cos(μ-λ)}/L₁ (3)

其中：F′₂为分闸弹簧力在凸轮与滚子接触点处的归算力，方向沿凸轮与滚子接触点法线方向；l_2h为分闸弹簧自由长度；l_2g为分闸弹簧初压缩长度；S₂为分闸弹簧在该时刻相对于初压缩位置的长度变化量；k₂为分闸弹簧刚度；l₂为分闸弹簧销子与输出拐臂转轴的距离；λ为合闸起始时刻，分闸销子和输出拐臂转轴的连线与竖直方向的夹角；μ为该时刻输出拐臂旋转角度，L₁为归算力F₁′绕输出拐臂转轴旋转的力臂。

5.根据权利要求1所述的一种断路器弹簧操动机构运动状态判定方法，其特征在于，步骤3中分闸弹簧消耗功的计算方程为：

$W_2=\frac{1}{2}{k}_2(S_{22}^2-S_{21}^2)---\left(4\right)$

其中：W₂为分闸弹簧消耗的功；k₂为分闸弹簧刚度；S₂₁为分闸弹簧初始压缩量；S₂₂为该时刻分闸弹簧压缩量。

6.根据权利要求1所述的一种断路器弹簧操动机构运动状态判定方法，其特征在于，步骤4中，根据缓冲器活塞速度曲线获得缓冲器缓冲阻力的主要步骤为：

步骤A：建立缓冲器在合闸初始时刻的三维流体分析模型；

步骤B：对该三维流体分析模型进行四面体网格划分；

步骤C：选取断路器标准合闸行程曲线，将该行程曲线转化为缓冲器活塞的速度曲线，并将速度曲线离散成一系列的数据点，通过使用Fluent中的瞬态profile文件来定义活塞的连续运动；

步骤D：假定外缸体内液压油与内缸体低压腔油液的相对压力均为0MPa；

步骤E：根据步骤A建立的三维流体分析模型，进行数值迭代求解，获得缓冲器内部压力场的分布云图以及活塞面上的压力；

步骤F：在合闸过程中，根据步骤E的结果依据以下公式计算缓冲器所受缓冲阻力：

F₃＝P₃·S₃ (5)

其中：F₃为断路器合闸过程中缓冲阻力；P₃为活塞面所受压强；S₃为活塞面积。

7.根据权利要求1或6所述的一种断路器弹簧操动机构运动状态判定方法，其特征在于，步骤4中缓冲阻力在凸轮与滚子接触点处的归算力方程为：

F₃′＝(F₃·l₂·cos(μ-λ))/L₁ (6)

其中：F₃′为缓冲阻力在凸轮与滚子接触点处的归算力，方向沿凸轮与滚子接触点法线方向，F₃为断路器合闸过程中缓冲阻力，l₂为分闸弹簧销子与输出拐臂转轴的距离，μ为该时刻输出拐臂旋转角度，λ为合闸起始时刻，分闸销子和输出拐臂转轴的连线与竖直方向的夹角，L₁为归算力F₁′绕输出拐臂转轴旋转的力臂。

8.根据权利要求1所述的一种断路器弹簧操动机构运动状态判定方法，其特征在于，步骤4中缓冲阻力消耗功的计算方程为：

$W_3={\&Integral;}_0^{x_t}{F}_3\left(x\right)dx---\left(7\right)$

其中：W₃为缓冲阻力消耗的功；F₃(x)为缓冲器活塞行程x与缓冲阻力的关系；x_t为缓冲器活塞在该时刻的行程。

9.根据权利要求1所述的一种断路器弹簧操动机构运动状态判定方法，其特征在于，步骤5中灭弧室运动阻力在凸轮与滚子接触点处的归算力方程为：

F′₄＝(F₄·l₃·cos(μ-δ))/L₁ (8)

其中：F′₄为灭弧室运动阻力在凸轮与滚子接触点处的归算力，方向沿凸轮与滚子接触点法线方向；F₄为灭弧室运动阻力，l₃为灭弧室运动阻力作用点与输出拐臂转轴处的距离；μ为该时刻输出拐臂旋转角度，δ为合闸起始时刻，灭弧室运动阻力作用点和输出拐臂转轴的连线与水平方向的夹角，L₁为归算力F₁′绕输出拐臂转轴旋转的力臂。

10.根据权利要求1所述的一种断路器弹簧操动机构运动状态判定方法，其特征在于，步骤5中灭弧室运动阻力消耗功的计算方程为：

W₄＝F₄·S₄ (9)

其中：W₄为灭弧室运动阻力消耗的功；S₄为该时刻动触头行程，F₄为灭弧室运动阻力。