高压断路器液压操动机构特性分析.pdf

第 4 6卷第 1 O期 2 0 1 0 年5 月 机械工程学报 J OURNAL OF M ECHANI CAL ENGI NEERI NG V_01 ． 4 6 M a y No ． 1 0 20 l O DoI l O ． 3 9 0 1 ／ E． 2 0 1 0 ． 1 O ． 1 4 8 高压断路器液压操动机构特性分析水 刘 伟徐 兵杨华勇 伍中宇 浙江大学流体传动及控制国家重点实验室杭州3 1 0 0 2 7 摘要高压断路器是电力系统的重要控制和保护装置，而液压操动机构是断路器的核心部件之一。液压操动机构具有高压高 速大流量性、长期等待性及高可靠性等特点。分析 5 5 0 k V S F 6 高压断路器液压操动机构的分合闸运动特性，建立电磁铁、高 速大流量控制阀和液压缸等仿真模型，对液压机构多级控制阀的响应时间、分合闸速度特性和管路损失等进行仿真分析。讨 论管路损失、结构和系统参数等对液压机构特性的影响，并通过试验测试阀腔内油压、液压缸位移速度等特性，证明仿真模 型的准确性，为液压操动机构性能的优化提供依据。 关键词液压操动机构控制阀分合闸响应时间断路器 中图分类号T H1 3 7 ． 5 Cha r a c t e r i s tic An a l y s i s o f Hi g h Vo l t a g e Ci r c u i t Br e a k e r wi t h Hy dr a u l i c Op e r a tin g M e c h a n i s m LI U W e i XU Bi ng YANG Hua y o n g WU Zh o n g y u T h e S t a t e Ke y L a b o f F l u i d P o we r T r a n s mi 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 , H a n g z h o u 3 1 0 0 2 7 A_b s t r a n Hi 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 t h e mo s t i mp o r t a n t p r o t e c t i o n a n d c o n t r o l a p p a r a t u s i n p o we r s y s t e m．T h e h y d r a u l i c o p e r a t i n g mech an i s m i s t h e c o r e p a r t o f c i r c u i t b r e a k e r ． T h e c h ara c t e r i s ti c s o f 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 in c i r c u i t b r e ake r a r e h i g h s p e e d ， s h o r t o p e r a t i n g t i me and h i gh p r e s s u r e ． Th e w o r k i n g p r i n c i p l e o f h y d r a u l i c o p e r a t i n g me c h ani s m o f 5 5 0 k V h i gh v o l t a g e c i r c u i t b r e ake r i s i n t r o d u c ed ． S i mu l a t i o Ⅱmo d e l s o f e l e c t r o ma g n e t ． h i g h - s p e e d g r e a t fl o w c o n tro l v a l v e a n d h y d r a u l i c c y l ind e r are b u i l t ． Th e r e s p o n s e t i me o f c o n tr o l v a l v e ， o p e n i n g and c l o s ing v e l o c i t y a n d p r e s s ure l o s s i n p i p e are d i s c u s s e d ． E x p e rime n t s are c a r r i e d o u t t o t e s t t h e p r e s s u r e ,d i s p l a c e me n t and v e l o c i ty o fh y dra u l i c s y s t e m． Th e s i mula t i o n r e s u l t s p r o v e the a c c ura c y o fthe mo d e l s ，thu s p r o v i d i n g the b a s i s f o r o p t i mi z i n g t h e p e r f o r ma n c e o f h y d r a u l i c o p e r a t ing me c h a n i s m． Ke y wo r d s Hy d r a u l i c o p e r a t i n g me c h an i s m Co n t r o l v a l v e Op e n ing and c l o s i n g mo t i o n Re s p o n s e t i me Cir c u i t b r e aker 0 前言 高压断路器是电力系统中的关键设备，在电网 中承担着保护与控制的双重作用，主要 由操动机构 和灭弧机构两部分组成。液压操动机构是气动、弹 簧和 电磁等断路器操动机构中的一种，具有功率与 质量 比、力与质量 比大，响应快、时滞小、运动平 稳和负载特性配合好，速度可调性好等优点，因此 广泛应用于高压、 超高压电压等级的断路器领域 j 。 断路器操作 时，液压机构必须在规定的时间内 以一定 的速 度要 求 驱动 灭 弧机 构将 电 网断 开和 国家 “ 十一五”科技支撑计划 2 0 0 6 B A F 0 1 B 1 2 - 0 2 和国家 自然科学基金 5 0 6 7 5 2 0 3 资助项 目。2 0 0 9 1 0 2 9 收到初稿，2 0 1 0 0 3 0 6收到修改稿 关合以保障电网的正常安全运行。液压操动机构 的 分合闸速度和时间特性是液压操动机构 的重要性能 指标[ 2 ] 。 以 5 0 0 k V S F 6 高压断路器液压操动机构作为 研 究 对象 ，介绍 了液 压机 构 工作 原 理 ，对液 压 系统进行了建模和仿真分析，并通过试验验证仿真 结果 ，对液压操动机构 的优化设计有重要 的指 导 意 义。 1 工作原理 图 1 、2分别为 5 5 0 k V S F 6 高压断路器液压操 动机构及系统原理图，该机构属于高速大功率双稳 态电液驱动系统，工作在分闸和合闸两种状态。蓄 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 0年 5月 刘伟等高压断路器液压操动机构特性分析 1 5 1 心 向左运动，P口高压油通过合闸阀口 2向 Z口充 油，实现合闸；当 C 0腔高压油卸荷时候 ，主 阀心 在 A0端高压油的作用下向右运动，实现分闸。 图8 主阀结构原理图 1 ．阀体2 ．合闸阀口3 ．阀套4 ． 分闸阀口 5 ，7 ，8 ，9 ．密封圈6 ．阀心 2 ． 4 ． 1 分闸过程 阀口流量方程为 Q 2 型 p 式中 Q 2 分闸阀口流量 主阀 z口压力 2 分闸阀 口过流面积 C ,n主 阀分 闸阀 口流量系数 主阀心力平衡方程为 一 一Fv 2一 。一 Fs 2- - c d 1 4 2 p v 式中 。 ， 面作用的压力 一 d 面作用的压力 扔 主 阀心位移 2 液体粘性摩擦力 0 动态液动力 稳态液动力 3 阀心质量 。 C0腔阀心有效受压面积 A 0腔 阀心有效受压面积 z口腔 阀心有效受压面积 2 ． 4 ． 2 合 闸过程 阀口流量方程 Q 3 x ／ 2 p 下 - PB 一 1 4 4,0 式中 Q3 合 闸阀 口流量 l 主阀 P口压力 3合闸阀口过流面积 C 主阀合闸阀口流量系数 主阀心力平衡方程为 一 一F v 3 一 一 m 3 1 5 式中 3 液体粘性摩擦力 3 动态液动力 稳态液动力 2 ． 5 液压 缸 力平衡方程为 一 一 ，一 1 6 式中X 4 液压缸位移 m4 缸活塞、活塞杆及负载质量 P 液压缸活塞面积 。 液压缸有杆腔压力实际作用面积 F 缓冲反力 分闸流量连续性方程为 Q 2 4 鲁～ 睾 1 7 式中 液压缸无杆腔容积 液体体积模量 合闸流量连续性方程为 Q 3 4 鲁 睾 訾 1 8 2 ． 6 管道损失 液压操动机构 由于其大功率、 高速大流量特性 ， 管道压力损失是系统设计和分析不可忽略的重要部 分 引 。沿程和局部损失方程分别为 Lp I 等 1 9 m 毒 2 0 式 中， 管道长度 管道直径 沿程阻力系数 管道中的油液流速 盏局部损失系数 3 仿真与试验结果分析 根 1 -- -- 2 0 数学模型，通过系统仿真软件 A ME s i m 建立了图 9所示用户化模型，并进行了仿 真分析。通过液压操动机构试验测试，对仿真结果 进行 了试验验证。表 2为液压操动机构主要参数 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 5 2 机械工程学报 第 4 6 卷第 l 0期 黼 ．L2oN0UT_ 七 L工 ]I l 级 -L20N lN _ 广 一 I 1一 l 【 I - ⋯L、 _ 卜 一U T -- 1 ． -L 2 0 FF -I N j I 缓 冲 日 zl T 一一 ]1 1lFF IC l 一s分闸 IP Iz I I I 。l 史 l 级 阀 ④ ； r_ 釜 二 爰 阀 一 图9 A ME s i m 模型 表 2 液压系统主要参数 液压系统额定压力p／ MP 液压缸行程 s l ／ mn l 液压缸内径 ／ mi ll 液压缸杆径 ／ ran 1 蓄能器容积 V／ L 主油路管道内径 ／l n m 主阀行程S 2 ／ra m 1 主阀通径 d ． ／ 衄 分闸位置主阀阀口开度 ， l ／mm 合闸位置主阀阀 口开度 f 2 ／m m 二级阀行程 曲／ 衄 二级 阀通径 如 ／ mm 一 级阀行程 ＆／ mm 一 级阀通径 ／ mm 环境温度 ／℃ 液压油型号 液压油液体积模量 ／ MP a 液压油液密度p／ g c m- 3 1 ． 5 6 2 0 1 0 航空液压油 8 5 0 0 ． 8 5 3 ． 1 控制阀的响应特性 图 1 0 、l 1 分别为分闸和合闸各级阀位移 曲线 ， 、 、 分别为一级 、二级、主 阀位移 曲线，电 磁铁输入为直流 2 2 0 V电压信号。 g 时同 f ／ms 图 1 O 分闸各级阀位移曲线 从电磁铁通电到各级阀完成动作，分闸时一级 阀、 二级 阀、 主 阀的动作时间分别为 8 ． 8 ms 、 7 ． 6 ms 、 1 0 ． 6 ms ；合闸时各级阀动作时间分别为 8 ． 8 ms 、7 ． 8 ms 、l 1 ． 8 ms 。主阀分合闸动作时间有所不同，主阀 控制腔分闸动作是卸压过程，而合闸动作是充压过 程，压力的建立相对失压时间稍长，同时分闸过程 压力作用在阀心上的面积差要大于合闸。这种设计 是基于分闸动作在断路器中重要性的考虑【6 ] 。 g 趟 图 1 1 合闸各级 阀位移 曲线 图 1 2所示为主阀控制腔分闸压力特性。 液压系 统压力为 3 2 ． 6 MP a ，分闸二级阀打开，主阀控制腔 与通过二级 阀与油箱连通，压力迅速下降，此时主 阀控制腔与油箱之间还没有流量。随着流量建立， 主 阀控制腔压力又迅速回升，流量增大 ，压力也有 所增加，当主阀换向完成，阀心停止动作，主阀控 制腔高压油全部流回油箱，压力降为零。从仿真与 试验 曲线对 比图可 以看 出，主阀动作 时间试验 为 3 ． 6 3 ms ，仿真结果为 3 ． 9 5 ms ，误差在 8 ％以内。 3 5 3 O ∞ 2 5 皇2 o ＼ 1 5 出1 0 5 0 b _ _ _ 3．6 3ms 。 试聪 一 ／硅 喜 ．一． r I 一 ． ⋯ 2 0 4 0 6 O 时间 f ／ ms 图 1 2 主 阀控制腔压力特性 分闸 图 1 3 所示为合闸动作电磁方向控制阀主阀控制 腔的压力特性。当合闸二级阀打开，蓄能器经过长 管和二级 阀给控制腔充入高压油 。主阀动作完成后， 由于管道中压力波的传递效应使主阀控制腔的压力 产生的压力振荡。试验和仿真曲线基本吻合，主阀 动作时间仿真和试验分别为 3 ． 9 8 I I I S 和 4 ． 0 5 ms 。 时间 f ／ ms 图 1 3 主阀控制腔压力特性 合闸 啪 “ H 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 0年 5月 刘伟等高压断路器液压操动机构特性分析 1 5 3 3 ． 2 分闸特性 图 1 4 、1 5分别为液压缸分闸位移速度特性曲 线，试验与仿真结果相一致 。分 闸时液压缸动作时 间试验仿真结果分别为 3 6 ． 6 I T I S ，3 4 ． 3 I l l s ，液压缸 最大速度分别为 1 0 ． 2 m／ s 和 9 ． 9 m／ s 。液压机构的高 速性保证了断路器安全可靠地实现分合闸。 目 ＼ 的 I 呐 ● 县 ＼ 图 1 4 液压缸位移特性 分闸 图 1 5 液压缸速度特性 分 闸 3 - 3 合 闸特性 图 1 6 、1 7 所示为液压缸合 闸位移速度 曲线 ， 试 验与仿真结果 比较吻合。合闸时液压缸动作时间试 验仿真结果分别为 6 5 ． 6 ms 和 6 8 ． 8 ms ，液压缸最大 速度分别为 5 m／ s 和 4 ． 2 m ／ s 。由于合 闸动作是液压 缸无杆腔 以及主阀控制腔都是充压过程，相 比分 闸 失压过程响应 明显变慢 ，同时合闸有效作用面积小 于分 闸动作 ，驱动力变 小，液压缸速度也远 小于 分 闸。 吕 ＼ 时间 t ／ ms 图 1 6 液压缸位移特性 合闸 { ∞ ● 邑 ＼ 煅 图 l 7 液压缸速度特性 合闸 3 ． 4 液压缸 内径 的影响 液压缸结构参数是影响分合闸速度最关键的参 数之一 。合理的液压缸 内径和杠径能使液压机构达 到最高的效率，减小液压机构庞大的体积和质量。 分闸过程，液压缸 内径增大，液压缸实际作用 面积增大，输出力增大，同时内径过大使液压缸流 量增大，管路和阀 口压力损失增大，降低 了输 出力， 因此存在一个合适 的缸径使分 闸速度达到最大 。合 闸过程，液压缸实际作用面积不随缸径变化，但是 随着缸径增加，流量增大，阀口和管道损失增大， 合 闸速度 降低 。根据断路器 电气特性要求，图 1 8 表明缸径在 7 3 r n n l 左右 比较合适，分 闸速度最大， 同时合闸速度满足系统要求 。 液压缸内径 ／ I n I n 图 1 8 液压 缸内径对 分合闸速度的影响 3 ． 5 液压缸杆径的影响 随着液压缸杆径增大 ，分闸时液压缸作用面积 减小，输 出力较小，分闸速度 降低。合闸时，随着 杆径增大压力作用面积增大，合闸速度增大。根据 断路器特性要求，分 闸特性一般 比合 闸重要对速度 要求较高，图 1 9为液压缸杆径对分合闸速度 的影 响，杆径在 3 5 m i ll 左右比较合适，满足系统要求。 3 ． 6 管道损失的影响 式 2 1 ～ 2 3 为液压机构管道中一个9 0 。转折 无倒角 的管道局部损失与控制 阀阀口节流损失计算 对 比， 可 以看出， 管道损失可 以与阀口损失相 比拟 ， 是液压操动机构中压力损失的重要部分， 不可忽略。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 机械工程学报 第 4 6卷第 1 0期 I ∞ ● 旦 ＼ Q2 p Q2 p Q 2 p 丽 2 1 2 C a 7 c 0 ．O 3 4 5 0 ． 0 0 7 詈 2 2 _ v a lv e 1 ．7 7 2 3 图 2 0是液压机构分闸过程中控制阀和管道内 压力损 失的仿 真 与试验 曲线 对 比。 时 皇 ＼ 崮 叟 ＼ 出 时间 t ／ms a 仿真结果 时间 t ／ Il l s b 试验结果 图 2 0 阀和管道内压力损失比较 分闸 图 2 0中， 阀进 口压力 1 和 阀出口压力 2之间的 压力差为阀内损失，阀出口压力 2和油箱压力 3之 间的压力差为管道损失， 仿真和试验 曲线基本一致。 4 0 ms 左右，液压缸速度增大，管道 内液体流速变 大，管道损失明显加剧。 图 2 l是合闸过程中控制阀和管道内压力损失 仿真与试验 曲线对 比，阀进 口压力 5和阀出 口压力 6之间的压力差为阀内损失，蓄能器 出口压力 4与 阀进 口压力 5之间的差为管道损失，仿真和试验曲 线基本一致。由于合闸比分闸过程主管道长，弯管 多，因此管道损失 明显大于分闸。 曼 ＼ 矗 叟 ＼ 5 0 1 O O 时间 t ／I l l s a 仿真结果 时间 t ／ ms b 试验结果 图 2 l 阀和管道内压力损失比较 合闸 图 2 2 、 2 3反应了主管道压力损失对液压机构分 合闸速度 的影响。随着主管路长度增加和弯管转折 数 目增多，液压机构分合闸速度明显降低 。减少液 压操动机构管道连接量 ，增强紧凑性和无管化特征 是提高液压机构效率和分合 闸性能的重要方向。 l ∞ ● 邑 ＼ 1趟 图 2 2 主管道长度对分合闸速度的影响 ∞ ∞ 加 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 0年 5月 刘伟等高压断路器液压操动机构特性分析 1 5 5 图 2 3 主管道局部损失对分合 闸速度 的影 响 4 结论 1 建立了液压机构系统仿真模型 。通过仿真 与试验对比，分析了控制阀响应性能和液压机构速 度时间特性，仿真与试验结果基本一致 。仿真模型 具有较高的精度，对高压断路器优化设计具有重要 指导价值 。 2 讨论了系统压力和液压缸等主要参数对液 压机构性能的影响。推荐 5 5 0 k V 高压断路器液压 机构液压缸缸径在 7 3 mn l ，杆径 3 5 n l I T I 左右。 3 分析 了管道压力损失对液压操动机构高速 系统特性的影响，试验与仿真结果基本吻合。管道 损失是液压操动机构中重要的压力损失部分，减少 管道长度和转弯，实现无管化设计可明显提高系统 的分合闸性能。 参考文献 [ 1 】苑舜 ．高压断路器 液压操动机 构[ M】 ．北 京机械工业 出版社，2 0 0 0 ． YUAN S h u n ． Hi g h v o l t a g e c i r c u i t b r e a k e r wi t h 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[ M] ．Be ij i n g C h i n a Ma c h i n e P r e s s ， 2 0 00． 【 2 ]施文耀． 开关液压机构【 M] ．北京 机械 工业 出版 社 ， 】 9 90 ． S H I We n y a o ．Hy d r a u l i c me c h ani s m o f s wi t c h g e a r [ M] ． B e ij i n g C h i n a Ma c h i n e P r e s s ， 1 9 9 0 ． [ 3 】倪鸿雁．基于 An s o f t 磁悬 浮列车悬浮 电磁铁 的动态性 能 分析[ J 】 ．大众科技，2 0 0 5 1 1 1 1 8 - 1 2 3 ． NI Ho n g y an ． Dy n a mi c p e r f o r man c e an 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 ma g n e t u s i n g A n s o f t [ J ] ． P o p u l a r S c i e n c e ， 2 0 0 5 1 1 1 1 8 - 1 2 3 ． [ 4 】Z H OU Y u n s h an， L I U J i n g a n g ， C AI Y u anc h u n ． Mo d e l i n g ， v a l i d a t i o n a n d o p t i ma l d e s i g n o f the c l a mp i n g f o r c e c o n tro l v a l v e u s e d i n c o n ti n u o u s l y v a r i a b l e tr ans mi s s i o n [ J ] ． C h i n e s e J o u rna l o f Me c h ani c a l E n g i n e r i n g ， 2 0 0 8 ， 2 1 4 51 ． 55 ． [ 5 ]5 贺小峰， 何海洋．先导式水压溢流阀动态特性的仿真[ J ] ． 机械工程学报，2 0 0 6 ， 4 2 1 7 5 8 O ． HE Xi a o f e n g ， HE Ha i y a n g ． Nu m e ric a l s i mu l a tio n o n t h e d y n a mi c c h a r a c t e r i s t i c s o f a t wo - s t a g e wa t e r h y dra u l i c r e l i e f v a l v e [ J ] ．C h i n e s e J o u r n a l o f Me c h ani c a l E n g i n e r i n g ， 2 0 0 6 ， 4 2 1 7 5 - 8 0 ． [ 6 】T AK AG I Hi r o k a z u ． I mp r o v e me n t i n the r e s p o n s e o f h y dra u l i c s y s t e ms f o r c ir c mt b r e ake r s [ J ] ．J o u r n a l o f Ni h o n Y u k u a t s u Ga k k a i R o n b uns h u ， 2 0 0 1 3 2 1 2 4 1 3 0 ． 【 7 ]魏俊梅， 林莘．s F 6 高压断路器压力特性与机械特性耦合 数值模拟[ J ] ．中国电机工程学报， 2 0 0 7 ， 2 7 1 5 1 1 0 ． 1 1 6 ． W EI J u n me i ， L1 N Xin． P r e s s u r e c h ara c t e r an d me c h an i s m c h ara c t e r c o u p l i n g c o mp u t a t i o n o f S F 6 h i g h v o l t a g e c ir c u i t b r e a k e r [ J ] ． P r o c e e d i n g s o f the C S E E ，2 0 0 7 ，2 7 1 5 1 1 0 ． 1 1 6 ． 作者简介刘伟，男，1 9 8 2年出生，博士研究生。主要研究方向为机 电 液控制。 E - ma i l 1 w2 0 0 2 c n 2 0 0 0 1 6 3 ． c o rn 徐兵 通信作者 ，男，1 9 7 1 年出生，教授，博士研究生导师。主要研究 方 向为机电控制及液压传动控制。 E - m a i l b x u z j u ．e d u ．c n 一 ． Ⅲ 艘 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m