百万伏大功率操动机构液压系统优化设计.pdf

液 压 气 动 与 密 封／ 2 0 1 2年 第 9期 百万伏大功率操动机构液压 系统优化设计 丁孺琦 ， 徐 兵 ， 刘 伟 ， 王永 良 1 ． 浙江大学 流体动力与机电系统国家重点实验室 ， 浙江 杭州3 1 0 0 2 7 ； 2 ． 中电装备平高集团有限公司， 河南 平顶山4 6 7 0 0 0 摘要 作为高压断路器核心部件之一 ， 液压操 动机构具有响应快 、 流量大 、 瞬时爆发大功率 、 长期等待性等特点， 该文以 1 1 0 0 k V特高压 断路器液压操动机构为对象 ， 研究基工作原理及关键部件 电磁铁 ， 大流量高响应控制阀 ， 高速液压缸 内缓冲结构等 。基于 A ME S i m仿真 平台 ， 建立包括电磁铁、 蓄能器 、 高压大流量多级控制阀 、 高速液压缸 内缓冲结构和连杆传动机构等在内的大功率操动机构液压系统仿真 模型。通过实验测试的液压缸分闸过程行程 曲线与仿真曲线对 比， 证明仿真模型的准确性， 指导大功率操动机构液压系统的优化设计 。 关键词 断路器 ； 液压操动机构 ； 电磁铁 ， 控制阀 ； 缓冲 A E MS i m仿真 中图分类号 T H1 3 7 ．9 文献标识码 A 文章编号 l 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 2 0 9 0 0 0 4 0 5 Th e Op t i mi z a t i o n D e s i g n o f H y d r a u l i c Ope r a t i n g M e c h a n i s ms f o r 1 l O O k V Hi g h Vo l t a g e Ci r c u i t Br e a ke r s DI NG Ru qi ， XU Bi n g ， LI U We i ’ ， WANG Yo n g -l i a n g z 1 ． S t a t e K e y L a b o r a t o r y o f F l u i d P o w e r T r a n s m i s s i o n a n d C o n t r o l ， Z h e j i a n g U n i v e r s i t y 3 1 0 0 2 7 ， C h i n a ； 2 ． P i n g g a o G r o u p C o ． ， L t d ． ，P i n g d i n g s h a n ， P i n g d i n g s h a n 4 6 7 0 0 0 ， C h i n a Ab s t r a c t A s a c o r e c o mp o n e n t o f h i g h v o l t a g e c i r c u i t b r e a k e ， t h e h y d r a u l i c o p e r a t i n g me c h a n i s ms h a v e t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f f a s t r e s po n s e， hi g h flo w r a t e， i ns t a nt a ne o u s hi g h po we r a n d h i g h r e l i a b i l i t y ． I n t h i s r e v i e w， h y d r a ul i c o p e r a t i n g me c ha n i s m f o r 1 1 0 0KV h i g h v o l t a g e c i r c u i t b r e a k e r i s i n t r o d u c e d ． S p e c i a l a t t e n t i o n i s p a i d o n o p e r a t i n g p rin c i p l e a n d k e y c o mp o n e n t ， s u c h a s s o l e n o i d ， f a s t r e s p o n s e a n d h i g h fl o w r a t e c o n t r o l v a l v e ， h i g h s p e e d c y l i n d e r c u s h i o n i n g s i mu l a t i o n mo d e l b a s e d o n AME S i m i n c l u d i n g a c c u mu l a t o r ， c o n t r o l v a l v e ， c y l i n d e r wi t h c u s h i o n i n g ， a n d l o a d ， h a s b e e n d e v e l o p e d f o r t h e wh o l e o p e r a t i n g me c h a n i s ms ． T h i s mo d e l h a s b e e n v e ri fi e d b y s i mu l a t i o n s a n d me a s u r e me n t s o f o p e n i n g c y l i n d e r d i s p l a c e me n t a s w e l l ， a n d p r o v i d e t h e o r e t i c a l g u i d a n c e for o p t i mi z a t i o n d es i g n． Ke y wo r d s c i r c u i t b r e a k e r ； h y d r a u l i c o p e r a t i n g me c h a n i s m ； s o l e n o i d； c o n t r o l v a l v e； c u s h i o n； AME S i m s i mu l a t i o n 0 引言 高压断路器是电力设备中的关键设备 ，对整个输 变线路起着至关重要的作用。操动机构是断路器 中的 驱动装置。作为高压断路器的核心基础部件单元 ， 操动 机构 的工作性能和质量优劣 ，对高压断路器的工作性 能 和可靠 性起 着极 为重要 的作 用 。 高压断路器操动机构主要有手动操动机构 、电磁 操动机构 、 电动操 动机构 、 气动操动机构 、 弹簧操动机 构 、液压操动机构。液压操动机构所 占的比重越来越 高 ， 并且在超高压及特高压领域 ， 液压操动机构凭借其 响应快 、 可靠性高 、 输 出功率大的特点一直 占据着主导 基 金项 目 十二五 ” 国家科技支撑 计划项 目 2 0 1 1 B A F 0 9 B 0 4 ； 国家科技 支撑计划项 目 2 0 1 1 B AF IMB O I 收稿 日期 2 0 1 2 0 6 0 8 作者简介 丁孺琦 1 9 8 7 一 ， 男 ， 江西南 昌人 ， 博士研究生 ， 研究方 向 流体 传动与控制。 4 地 位【 一。 随着经济 的发展和电力需求 的增大 ，电网电压等 级不断提高 ， 例如中国正在建设 的西北 电网 ， 电压等级 达到 7 5 0 k V， 同时十二五期间 1 1 0 0 k V特高压等级研究 和应用也在加快进行。不断发展更高 电压等级的输 电 技术 ， 对实现远距离 、 大容量输 电， 优化资源配置 ， 降低 环境 影 响具 有 重要 意 义 ，但是 对 断路 器 核心 部 件液 压 操动机构性能提出了更高的要求 。因此开展对超高压 、 特高压断路器液压操动机构的研究 ，提高其性能是非 常 必要 的[ 3 1 。 本文 以 1 1 0 0 k V S F 6特高压断路器液压操动机构 为研究对象 ， 如图 1 所示 。首先介绍了液压操动机构的 工作原理。对关键部件 电磁铁／ 大流量高响应控制 阀． 高速液压缸内缓 冲结构进行设计与仿真研究。基于 A ME S i m仿真平台， 建立包括电磁铁 、 蓄能器 、 高压大流 量多级控制阀、高速液压缸 内缓 冲结构和连杆传动机 构等在内的大功率操动机构液压系统仿真模型，对多 2 液压操 动机构关键元件设计与研究 2 ． 1 电磁铁 响应时间是液压操动机构的重要参数 。使用高速 开关电磁铁作为电机械转换器 ， 具有快速性 、 输出力大 的特点 。 电磁铁结构如图 3所示 。 利用电磁铁结构轴对 称性 ， 取其一半结构作为仿真对象 ， 在基于有限元法的 电磁场仿真软件 A n s o fl中建立 电磁铁 的仿 真模型『4 15 ] 。 衔铁的实际运动过程中， 只存在动态吸力特性 ， 静态吸 力特性是衔铁缓慢移动的一种特例 。通过电磁铁变参 数仿真 ， 得到电磁铁磁通 、 输出力与安匝数 N I 及气隙 x 关系的二维数据表如图 4所示 ，该数据表将用在液压 系统 A ME S i m的电磁铁模型中。同时可采用数据表插 值计算方法计算 电磁铁动态过程中输出力和动态变化 电流 F ， N， i ， i i ， N， F 。 级控制 阀动态 响应特性 、分 闸速度特性以及缓冲腔压 力等进行仿真分析。通过实验测试 的液压缸分闸过程 行程曲线与仿真曲线对 比， 证明仿真模型的准确性 ， 指 导大功率操动机构液压系统 的优化设计。 蓄 能 器 电磁铁 多级 控制阀 图 1 百 万 伏 特 高 压 断 路器 液 压 操 动 机 构 图 1 液压操动机构工作原理 液压操动机构的工作原理图如下图所示 。油源部 分 实 际上 是一 个 蓄能 器 油源 ，通 过液 压泵 把 油 液打 入 蓄能器 ， 建立压力 ， 工作时由蓄能器供油。整个阀工作 过程 可 以理解 成 由两 个 电磁 开 关 阀控 制一 个 液控 两 位 三通开关阀 ，通过液控两位三通开关阀控制大流量的 主阀从而控制工作缸开合运动。 分合 闸动作过程为 如图 2所示处于分闸位 置时， 合闸电磁铁接通 ， 从 而合闸先导阀接通 ， 二级阀右侧控 制腔通过分 闸先导阀回油箱 ，从 而二级阀迅速芯向左 运动。二级阀阀芯运动至左位后 ， 合闸主阀控制腔通过 z口接高压油 ， 使得主阀阀芯运动 ． 油缸无杆腔从而通 过合闸主阀与压力源接通 ， 开始合闸； 当处于合闸位置 时 ． 分合闸主阀阀芯控制腔为高压油 ， 在复位弹簧的作 用下阀芯关闭。分闸电磁铁接通 ，从而分闸先导阀接 通 ， 二级阀左侧控制腔油液通过分闸先导阀回油箱 。 在 液压力推动下 ， 二级阀阀芯迅速向右运动至右位。分闸 主阀控制腔通过 Z口接油箱 ， 主阀阀芯运动 ， 油缸无杆 腔通过分闸主阀与油箱接通 ， 开始分 闸运动。 1 一 油箱2 一 过滤器3 一 电机4 一 泵 5 一 单 向阀6 一 溢 流阀7 一 蓄能器8 一 分闸先导阀 9 一 合 闸先导 阀 1 0 一 防跳 阀 1 1 - 二级阀 l 2 一 分 闸主 阀 1 3 一 合 闸主阀 图 2 1 1 O O k V高压 断路器液压操动机构原理图 麴 1 一 顶盖2 一 线 圈3 一 壳体4 一 底座5 一 动铁芯6 一 推杆7 一 隔磁环 图 3电磁铁结构图和有限元模 型 图 4磁 通／ 输 出力 与 气 隙 、 安 匝 数 的 关 系 2 ． 2 大 流量 高 响应控 制 阀 液压操动机构的控制阀是液压操动机构中最为重 要 的控 制部 件 之一 。其开 断性 能 和稳 定性 将 直接 影 响 到液压操动机构的性能和稳定性 。对于特高压断路器 ， 1 0 0 0 k V及 以上的等级 ，由于操动机构的大功率 、 高 速开断 、 大流量等特性 ， 需要液压控制阀有极其高的开 断速度和过流能力 。 液压阀具有动作迅速 ， 功率放大增益高的优点 ， 可 利用控制阀多级放大结构实现快速动作 、大功率的要 求。要产生足够大的流量 ，阀口的过流能力必须足够 大 ，因此最后一级阀的阀 口大小需与液压缸的结构参 数 匹配 。 滑 阀和锥 阀是 常用 阀 口形 式 。同时 考虑 到动作 可靠 、 动作时 间短 ， 阀 E l 无泄漏的要求 ， 锥阀结构应用 的更 为广 泛问 。 5 液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 0 1 2年 第 9期 3 ． 2大 功率液 压操 动机构 仿真 结果 分析 操动机构分合 闸时间和速度特性是影响断路器性 能的重要参数。分闸时间与交变电流的周期相关 ， 要求 断路器必须在二周波左右完成分闸动作 ，缩短断路器 的分闸时间对提高电力系统稳定性和提高输 电线路 的 输 电容量有很大好处。图 l 5所示是仿真与试验液压缸 位移曲线的对比。 2 0 0 g 1 5 0 1 0 0 登5 0 0 0 5 O 1 0 0 1 5 O 2 0 0 时间 ／ ms 图 1 5仿 真与 试 验 对 比 液 压 缸位 移 曲线 曲线对 比分析 ，可以看 出仿真曲线与试验 曲线 吻 合较好。进入缓冲阶段 ， 仿真 曲线缓 冲效果较理想。分 闸速度为仿真结果为 1 0 ． 8 m ／ s ， 实验结果为 1 0 ． 3 8 m ／ s 。 分 闸时间仿真结果为 1 9 ． 7 4 ms ， 实验结果为 2 3 5 m s 。 控制阀是液压机构 的关键控制元件 ．其大流量通 流能力和高速响应性能是断路器大功率液压机构成功 实现快速分合闸的重要保证【 l l I 。 电磁铁通电到各级阀完 成动作 ， 分闸时一级 、 二级 、 主阀的动作时间如图 1 6所 示 。 整个控制阀的响应时间为 2 0 m s 。 这种设计是基于分 闸动作在断路器中重要性 的考虑。 罐00200．010 10Y 曼 卜_ f ＼l l s ＼ 蚤 鎏。。。 } 级 。。 o 商 甫 0 时间／ s 高 出 翟 是 时间 ， S i o -- Z 一 6 委 i 图 1 7分 闸过 程 缓冲 腔 压 力 与 液 压缸 速 度 一 位 移 仿 真 曲线 2 在对 电磁铁 、 控制 阀及液压缸 内缓冲结构等关 键元件 的基础进行设计 与仿 真研 究的基础上 ，基 于 A ME S i m仿真软件 ， 建立包括油源 ， 蓄能器 ， 高速开关电 磁铁 ， 多级控制 阀， 液压缸 内缓 冲， 连杆传动机构 以及 负载等在内的大功率液压操动机构仿真模型。 3 将大功率液压操动机构仿真模 型与试验测试 的分闸过程液压缸位移 曲线对 比，验证该模型的准确 性。基于该仿真模型研究其分闸时问和速度特性 ， 以及 控制阀的高速响应特性 ，并对液压缸内缓冲结构的进 一 步优化 提 出建 议 。 参 考 文 献 [ 1 】 徐国政， 张节容 ， 等． 高压断路器原理和应用[ M] ． 北京 清华大 学 出版社 ． 2 0 0 0 ． 【 2 ] 苑舜． 高压断路器液压操动 机构【 M 】 ． 北 京 机械工 业出版社 ， 2 00 0． 【 3 ] L i u ， W． ，X u ，B ． ，e t ， a 1 ． H y d r a u l i c O p e r a t i n g Me c h a n i s m s f o r Hi g h Vo l t a g e Ci r c ui t Br e a k e r s Pr o g r e s s Ev o l u t i o n a nd F u t u r e T r e n d s [ J ] ． S C I E N C E C HI N A T e c h n o l o g i c a l S c i e n c e s ， 2 0 1 1 ， 1 ． [ 4 】 G．T a o ， H．Y． C h e n ． O p t i m a l D e s i g n o f t h e Ma g n e t i c F i e l d o f a H i g h - s p e e d R e s p o n s e S o l e n o i d V a l v e [ J ] ．J o u r n a l o f Ma t e r i a l s P r o c e s s i ng Te c hn o l o g y， 2 00 2， 1 2 9． 图 1 6控制 阀位移仿真 曲线 图 【 5 ] 分闸过程缓冲腔压力和速度一 位移 曲线如图 l 7所 示 ， 峰值压力达到 7 4 MP a ， 是额定压力的 2 ． 3倍 ， 同时末 [ 6 】 端速度高于 l m ／ s 。过高的缓冲腔压力和液压缸末端速 度会导致运动冲击过大以及液压机构 的剧烈振动 ， 因 此还需要进一步优化内缓 冲结构的关键参数 缓冲柱 ⋯ 塞 台阶 面的长 度和 间 隙[ 3 1 。 一 4结 论 f 9 1 1 本文以 1 1 0 0 k V特高压断路器液压操动机构为 研究对象 。该液压操动机构为常充压式 ， 蓄能器作为系 统工作油源以瞬时产生高压大流量液压油。驱动元件 为液压缸 ， 其有杆腔始终与高压油腔相连 ， 通过控制阀 控制工作缸无杆腔的压力油 ， 推动工作缸运动。 8 倪鸿雁． 基于 A n s o fi磁悬浮列车悬浮电磁铁的动态性能分析 [ J 1 ． 大众科技， 2 0 0 5 ， 1 1 ． 丁凡． 超高压 断路器液压 操动机 构的研 究【 D 】 ． 杭 州 浙 江大 学 ． 1 9 9 4 ． 刘波． 液压缸缓 冲结构 和缓 冲过 程 的研究【 D ] ． 杭州 浙 江大 学 ． 2 0 0 4 ． 伍 中宇． 超高压断路器液压操动机构特性研究【 D 】 ． 杭州 浙江 大学。 2 0 0 8 ． 魏忠勇， 超高压断路器液压操动机构的优化设计[ D I ． 杭州 浙 江大学。 2 0 1 0 ． 【 1 o ] 李增刚 ， A d a ms 入门详解与实例【 M】 ． 北京 国防工业 出版社 ， 2 0 0 9 ． 【 l 1 】 N i H Y．D y n a m i c P e r f o r ma n c e A n a l y s i s o f Ma g l e v T r a i n E l e c t r o m a g n e t U s i n g A n s o fi i n C h i n e s e 0 ] ． P o p S c i ，2 0 0 5 ， 1 1 ．