高压断路器液压操动机构特性分析
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式中
dx32 dt 2
(15)
pB Ap − p0 Aq − F − Fb = m4
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
dx4 2 dt 2
(16)
式中
2.4.1 分闸过程 阀口流量方程为 Q2 = Cd2 A2
式中
2( pB − pd )
ρ
(11)
x4 ——液压缸位移 m4 ——缸活塞、活塞杆及负载质量 AP ——液压缸活塞面积 Aq ——液压缸有杆腔压力实际作用面积 F ——负载力 Fb ——缓冲反力 分闸流量连续性方程为 Q2 = AP dx2 VB dpB − dt K dt (17)
Q2 ——分闸阀口流量 pB ——主阀 Z 口压力 A2 ——分闸阀口过流面积 Cd2 ——主阀分闸阀口流量系数 主阀心力平衡方程为 dx32 dt 2 (12)
1. 弹簧座 2. 底座 3. 骨架 4. 线圈 5. 推杆 6. 调整垫圈 7. 衔铁 8. 隔磁环 9. 连接板
1. 电磁阀 2. 油箱 3. 液压缸 4. 泵 5. 电动机
在衔铁的实际运动过程中，只存在动态吸力特 性， 静态吸力特性只是衔铁缓慢移动的一种特例[3]。 通过电磁铁静态变参仿真，得到电磁铁磁通、输出 力与电流 i 及气隙 x 关系的二维数据表(图 4、5)，
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 550 kV SF6 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 中图分类号：TH137.5 控制阀 分合闸 响应时间 断路器
第 46 卷第 10 期 2010 年 5 月
机 械 工 程 学 报
JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING
Vol.46 May
No.10 2010
DOI：10.3901/JME.2010.10.148
高压断路器液压操动机构特性分析*
刘 伟 徐 兵 杨华勇 伍中宇
杭州 310027) (浙江大学流体传动及控制国家重点实验室
图4
磁通与气隙、安匝数的关系
在动作过程中，液压阀的瞬时流量达几千 L/min，液压缸速度高达 10 m/s，整个操作时间在几 十毫秒内完成。与其他液压系统相比，断路器液压 操动机构具有高压高速性、瞬时爆发大功率以及长 期等待性等特点[2]。
2 数学模型
2.1 电磁铁 电磁铁主要参数如表 1 所示。
图5
Characteristic Analysis of High Voltage Circuit Breaker with Hydraulic Operating Mechanism
LIU Wei XU Bing YANG Huayong WU Zhongyu
(The State Key Lab of Fluid Power Transmission and Control, Zhejiang University, Hangzhou 310027)
1 工作原理
图 1、2 分别为 550 kV SF6 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
月 2010 年 5 月
刘
伟等：高压断路器液压操动机构特性分析 表1
参数 线圈匝数 N 线圈电阻 R∕Ω 输入电压 U∕V 最大行程 s∕mm 磁性材料
电磁输出力与气隙、安匝数的关系
150
机
械
工
程
学
报
第 46 卷第 10 期期
通过二维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 = F(x, N , i)， i= i(x, N, F)。 2.2 一级阀 一级阀的结构图及节流口示意图如图 6 所示， 阀心右端与电磁铁推杆连接，电磁铁通电，推杆给 阀心向左的推力，一级阀打开，P1 口高压油通过锥 阀节流口与回油口 T1 相通。
* 国家“十一五”科技支撑计划(2006BAF01B12-02)和国家自然科学基金 (50675203)资助项目。20091029 收到初稿，20100306 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 500 kV SF6 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. 阀体 2，4，6. 密封圈 3. 阀心 5. 回程弹簧 7. 阀套
二级阀阀口流量方程
一级阀阀口流量方程 Q0 = Cd0 A0
[4-5]
2( p0 − pd )
Q1 = Cd1 A1
(1)
2( p1 − pe )
ρ
(6)
(7)
ρ
x ⎛ ⎞ A0 = π dx1 sin θ ⎜1 − 1 sin 2θ ⎟ ⎝ 2d ⎠ Q0 ——阀口流量 Cd0 ——一级阀阀口流量系数 A0 ——阀口过流面积 p0 ——P1 口压力 pd ——T1 口压力 d ——阀座孔直径 x1 ——阀心位移 θ ——锥阀阀心锥角的一半 ρ ——油液密度 一级阀阀心力平衡方程 d2 x Fe − Fv − Ff − Fs = m1 21 dt Fs = Cd0π dx1Δp sin 2θ π dLv0 μ Fv = Δr 式中 Fe ——电磁铁对阀心作用力 Fv ——液体粘性摩擦力 Ff ——回程弹簧阻力 Fs ——稳态液动力 m1 ——阀心质量 Δp ——进出口压力差 L ——阀心与阀体的接触长度 v0 ——阀心运动速度 μ ——油液动力粘度 Δr ——阀心和阀套空配合间隙
二级阀 图 7 为二级阀结构原理图。P2 口为高压进油 口，T2 口为回油口。当控制腔 C2 为低压油时，二 级阀打开，P2 口高压油通过锥阀节流口与回油口 T2 相通。
2.3
图6
一级阀结构图及节流口示意图
7. 阀心 8. 回程弹簧
图7
二级阀结构原理图
1. 阀套 1 2、4、6、9. 密封圈 3. 阀套 2 5. 阀体
149 电磁铁主要参数
数值 2 850 193 DC220 3 电工纯铁 DT3
能器为系统提供工作油源，在分合闸动作完成后电 动机液压泵启动给蓄能器补油。液压缸活塞杆通过 连杆机构与断路器的灭弧机构相连，有杆腔处于常 高压状态，通过二位三通电磁方向控制阀控制液压 缸无杆腔油压进行断路器的分合闸动作。电磁方向 控制阀由电磁铁、分合闸一级阀、分合闸二级阀及 主阀组成，为提高系统的可靠性，分闸动作还采用 了一个备用一级阀。
式中
(2)
(3)
(4)
(5)
⎛ ⎞ x A1 = π dx2 sin α ⎜1 − 2 sin 2α ⎟ ⎝ 2d1 ⎠ 式中 Q1 ——阀口流量 Cd1 ——二级阀阀口流量系数 A1 ——阀口过流面积 p1 ——P2 口压力 pe ——T2 口压力 d1 ——阀座孔直径 x2 ——阀心位移 α ——阀心位移 二级阀阀心力平衡方程 d2 x F0 − Fv1 − Ff1 − Fs1 = m2 22 dt Fs1 = Cd1π dx2 Δp1 sin 2α π d Lvμ Fv1 = 1 1 1 Δr1
月 2010 年 5 月
刘
伟等：高压断路器液压操动机构特性分析
151
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 C0 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。
主阀心力平衡方ห้องสมุดไป่ตู้为
p0 Ac + pD Ad − p0 Aa − Fv3 − Fs3 − Fs4 = m3 Fv3 ——液体粘性摩擦力 Fs3 ——动态液动力 Fs4 ——稳态液动力 2.5 液压缸 力平衡方程为
螺线管开关电磁铁结构如图 3 所示。利用电磁 铁结构轴对称性， 取其一半结构作为仿真研究对象， 在 基 于 有 限 元 法 的 电 磁 场 仿 真 软 件 Ansoft 的 Maxswell 模块中建立电磁铁的仿真模型[3]，如图 3 所示，定义电磁铁材料属性和边界条件进行仿真。
图1
550 kV 高压断路器液压操动机构 图 3 电磁铁结构图及有限元仿真模型
图2
550 kV 高压断路器液压操动机构原理图
1. 油箱 2. 过滤器 3. 电动机 4. 泵 5. 单向阀 6. 溢流阀 7. 蓄能器 8. 液压缸 9. 合闸一级阀 10，11. 分闸一级阀 12. 合闸二级阀 13. 分闸二级阀 16，18，19. 阀内过滤器 15，17，21，22. 阀内节流孔 14. 主阀
(8) (9) (10)
式中 Fv1 ——液体粘性摩擦力 Ff1 ——回程弹簧阻力 Fs1 ——稳态液动力 m2 ——阀心质量 Δp1 ——进出口压力差 L1 ——阀心与阀体的接触长度 v1 ——阀心运动速度 μ ——油液动力粘度 Δr1 ——阀心和阀套空配合间隙 2.4 主阀 主阀结构原理图如图 8 所示。A0 为常高压腔， C0 为压力控制腔，当 C0 充入高压油时，推动主阀
Abstract：High voltage circuit breaker is the most important protection and control apparatus in power system. The hydraulic operating mechanism is the core part of circuit breaker. The characteristics of hydraulic operating mechanism in circuit breaker are high speed, short operating time and high pressure. The working principle of hydraulic operating mechanism of 550 kV high voltage circuit breaker is introduced. Simulation models of electromagnet, high-speed great flow control valve and hydraulic cylinder are built. The response time of control valve, opening and closing velocity and pressure loss in pipe are discussed. Experiments are carried out to test the pressure, displacement and velocity of hydraulic system. The simulation results prove the accuracy of the models, thus providing the basis for optimizing the performance of hydraulic operating mechanism. Key words：Hydraulic operating mechanism Control valve Opening and closing motion Response time Circuit breaker
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[1]。 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
dx32 dt 2
(15)
pB Ap − p0 Aq − F − Fb = m4
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
dx4 2 dt 2
(16)
式中
2.4.1 分闸过程 阀口流量方程为 Q2 = Cd2 A2
式中
2( pB − pd )
ρ
(11)
x4 ——液压缸位移 m4 ——缸活塞、活塞杆及负载质量 AP ——液压缸活塞面积 Aq ——液压缸有杆腔压力实际作用面积 F ——负载力 Fb ——缓冲反力 分闸流量连续性方程为 Q2 = AP dx2 VB dpB − dt K dt (17)
Q2 ——分闸阀口流量 pB ——主阀 Z 口压力 A2 ——分闸阀口过流面积 Cd2 ——主阀分闸阀口流量系数 主阀心力平衡方程为 dx32 dt 2 (12)
1. 弹簧座 2. 底座 3. 骨架 4. 线圈 5. 推杆 6. 调整垫圈 7. 衔铁 8. 隔磁环 9. 连接板
1. 电磁阀 2. 油箱 3. 液压缸 4. 泵 5. 电动机
在衔铁的实际运动过程中，只存在动态吸力特 性， 静态吸力特性只是衔铁缓慢移动的一种特例[3]。 通过电磁铁静态变参仿真，得到电磁铁磁通、输出 力与电流 i 及气隙 x 关系的二维数据表(图 4、5)，
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 550 kV SF6 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 中图分类号：TH137.5 控制阀 分合闸 响应时间 断路器
第 46 卷第 10 期 2010 年 5 月
机 械 工 程 学 报
JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING
Vol.46 May
No.10 2010
DOI：10.3901/JME.2010.10.148
高压断路器液压操动机构特性分析*
刘 伟 徐 兵 杨华勇 伍中宇
杭州 310027) (浙江大学流体传动及控制国家重点实验室
图4
磁通与气隙、安匝数的关系
在动作过程中，液压阀的瞬时流量达几千 L/min，液压缸速度高达 10 m/s，整个操作时间在几 十毫秒内完成。与其他液压系统相比，断路器液压 操动机构具有高压高速性、瞬时爆发大功率以及长 期等待性等特点[2]。
2 数学模型
2.1 电磁铁 电磁铁主要参数如表 1 所示。
图5
Characteristic Analysis of High Voltage Circuit Breaker with Hydraulic Operating Mechanism
LIU Wei XU Bing YANG Huayong WU Zhongyu
(The State Key Lab of Fluid Power Transmission and Control, Zhejiang University, Hangzhou 310027)
1 工作原理
图 1、2 分别为 550 kV SF6 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
月 2010 年 5 月
刘
伟等：高压断路器液压操动机构特性分析 表1
参数 线圈匝数 N 线圈电阻 R∕Ω 输入电压 U∕V 最大行程 s∕mm 磁性材料
电磁输出力与气隙、安匝数的关系
150
机
械
工
程
学
报
第 46 卷第 10 期期
通过二维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 = F(x, N , i)， i= i(x, N, F)。 2.2 一级阀 一级阀的结构图及节流口示意图如图 6 所示， 阀心右端与电磁铁推杆连接，电磁铁通电，推杆给 阀心向左的推力，一级阀打开，P1 口高压油通过锥 阀节流口与回油口 T1 相通。
* 国家“十一五”科技支撑计划(2006BAF01B12-02)和国家自然科学基金 (50675203)资助项目。20091029 收到初稿，20100306 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 500 kV SF6 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. 阀体 2，4，6. 密封圈 3. 阀心 5. 回程弹簧 7. 阀套
二级阀阀口流量方程
一级阀阀口流量方程 Q0 = Cd0 A0
[4-5]
2( p0 − pd )
Q1 = Cd1 A1
(1)
2( p1 − pe )
ρ
(6)
(7)
ρ
x ⎛ ⎞ A0 = π dx1 sin θ ⎜1 − 1 sin 2θ ⎟ ⎝ 2d ⎠ Q0 ——阀口流量 Cd0 ——一级阀阀口流量系数 A0 ——阀口过流面积 p0 ——P1 口压力 pd ——T1 口压力 d ——阀座孔直径 x1 ——阀心位移 θ ——锥阀阀心锥角的一半 ρ ——油液密度 一级阀阀心力平衡方程 d2 x Fe − Fv − Ff − Fs = m1 21 dt Fs = Cd0π dx1Δp sin 2θ π dLv0 μ Fv = Δr 式中 Fe ——电磁铁对阀心作用力 Fv ——液体粘性摩擦力 Ff ——回程弹簧阻力 Fs ——稳态液动力 m1 ——阀心质量 Δp ——进出口压力差 L ——阀心与阀体的接触长度 v0 ——阀心运动速度 μ ——油液动力粘度 Δr ——阀心和阀套空配合间隙
二级阀 图 7 为二级阀结构原理图。P2 口为高压进油 口，T2 口为回油口。当控制腔 C2 为低压油时，二 级阀打开，P2 口高压油通过锥阀节流口与回油口 T2 相通。
2.3
图6
一级阀结构图及节流口示意图
7. 阀心 8. 回程弹簧
图7
二级阀结构原理图
1. 阀套 1 2、4、6、9. 密封圈 3. 阀套 2 5. 阀体
149 电磁铁主要参数
数值 2 850 193 DC220 3 电工纯铁 DT3
能器为系统提供工作油源，在分合闸动作完成后电 动机液压泵启动给蓄能器补油。液压缸活塞杆通过 连杆机构与断路器的灭弧机构相连，有杆腔处于常 高压状态，通过二位三通电磁方向控制阀控制液压 缸无杆腔油压进行断路器的分合闸动作。电磁方向 控制阀由电磁铁、分合闸一级阀、分合闸二级阀及 主阀组成，为提高系统的可靠性，分闸动作还采用 了一个备用一级阀。
式中
(2)
(3)
(4)
(5)
⎛ ⎞ x A1 = π dx2 sin α ⎜1 − 2 sin 2α ⎟ ⎝ 2d1 ⎠ 式中 Q1 ——阀口流量 Cd1 ——二级阀阀口流量系数 A1 ——阀口过流面积 p1 ——P2 口压力 pe ——T2 口压力 d1 ——阀座孔直径 x2 ——阀心位移 α ——阀心位移 二级阀阀心力平衡方程 d2 x F0 − Fv1 − Ff1 − Fs1 = m2 22 dt Fs1 = Cd1π dx2 Δp1 sin 2α π d Lvμ Fv1 = 1 1 1 Δr1
月 2010 年 5 月
刘
伟等：高压断路器液压操动机构特性分析
151
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 C0 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。
主阀心力平衡方ห้องสมุดไป่ตู้为
p0 Ac + pD Ad − p0 Aa − Fv3 − Fs3 − Fs4 = m3 Fv3 ——液体粘性摩擦力 Fs3 ——动态液动力 Fs4 ——稳态液动力 2.5 液压缸 力平衡方程为
螺线管开关电磁铁结构如图 3 所示。利用电磁 铁结构轴对称性， 取其一半结构作为仿真研究对象， 在 基 于 有 限 元 法 的 电 磁 场 仿 真 软 件 Ansoft 的 Maxswell 模块中建立电磁铁的仿真模型[3]，如图 3 所示，定义电磁铁材料属性和边界条件进行仿真。
图1
550 kV 高压断路器液压操动机构 图 3 电磁铁结构图及有限元仿真模型
图2
550 kV 高压断路器液压操动机构原理图
1. 油箱 2. 过滤器 3. 电动机 4. 泵 5. 单向阀 6. 溢流阀 7. 蓄能器 8. 液压缸 9. 合闸一级阀 10，11. 分闸一级阀 12. 合闸二级阀 13. 分闸二级阀 16，18，19. 阀内过滤器 15，17，21，22. 阀内节流孔 14. 主阀
(8) (9) (10)
式中 Fv1 ——液体粘性摩擦力 Ff1 ——回程弹簧阻力 Fs1 ——稳态液动力 m2 ——阀心质量 Δp1 ——进出口压力差 L1 ——阀心与阀体的接触长度 v1 ——阀心运动速度 μ ——油液动力粘度 Δr1 ——阀心和阀套空配合间隙 2.4 主阀 主阀结构原理图如图 8 所示。A0 为常高压腔， C0 为压力控制腔，当 C0 充入高压油时，推动主阀
Abstract：High voltage circuit breaker is the most important protection and control apparatus in power system. The hydraulic operating mechanism is the core part of circuit breaker. The characteristics of hydraulic operating mechanism in circuit breaker are high speed, short operating time and high pressure. The working principle of hydraulic operating mechanism of 550 kV high voltage circuit breaker is introduced. Simulation models of electromagnet, high-speed great flow control valve and hydraulic cylinder are built. The response time of control valve, opening and closing velocity and pressure loss in pipe are discussed. Experiments are carried out to test the pressure, displacement and velocity of hydraulic system. The simulation results prove the accuracy of the models, thus providing the basis for optimizing the performance of hydraulic operating mechanism. Key words：Hydraulic operating mechanism Control valve Opening and closing motion Response time Circuit breaker
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[1]。 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