高压断路器液压操动机构特性分析

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【ｌｊ。 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
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 ｏｆｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｖａｌｖｅ Ｏｐｅｎｉｎｇ ａｎｄ ｃｌｏｓｉｎｇ ｍｏｔｉｏｎ
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：液压操动机构控制阀分合闸响应时间断路器 中图分类号：ＴＨｌ３７．５
ｍ彳３—。—ｑ０阀腔心阀质心量有效受压面积
ｑ口腔阀心有效受压面积 彳。——Ａ０腔阀心有效受压面积
彳ｄ
２．４．２合闸过程 阀口流量方程
Ｑ：ｃ盔４—Ｉ、／２—（Ｐ了ｑｐｉ－一ＰＢ）
（１４）
式中 Ｑ３——合闸阀口流量
ｐｌFra Baidu bibliotek—主阀Ｐ口压力
么３——合闸阀口过流面积
Ｃ缸——主阀合闸阀口流量系数
风４一风４一，一磊＝豫等 （１６）
肌卅１口压力 彳ｏ——阀口过流面积
肌一Ｔｌ口压力
ｄ——阀座孔直径 工ｌ——阀心位移 目——锥阀阀心锥角的一半 ｐ——油液密度 一级阀阀心力平衡方程
只一Ｅ一辱一Ｅ＝％争
（３）
、Ｅ＝ｃｄ伊出。卸ｓｉｎ２８
（４）
Ｆ：—ｘｄＬ—ｖｏ∥ ’
（５）
△，
式中 Ｒ——电磁铁对阀心作用力
Ｒ——液体粘性摩擦力
毋——回程弹簧阻力
２．４主阀
主阀结构原理图如图８所示。Ａ０为常高压腔， ＣＯ为压力控制腔，当ＣＯ充入高压油时，推动主阀
万方数据
—三塑竺兰三旦——————————』监！．壹垦堑堕墨壅堡堡垫塑塑堑堡坌堑
！！！
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ＣＯ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。
式中 Ｑ２——分闸阀口流量 邝——主阀Ｚ口压力 彳２——分闸阀口过流面积 Ｃａ２——主阀分闸阀口流量系数
主阀心力平衡方程为
既４＋肋以一风４一％一‰一民＝％等 （１２）
昂＝Ｃａ．ａｔ ｄ／√２脚ｖ
（１３）
式中 ｐｏ一，重。，彳。面作用的压力 耶一幽面作用的压力
肋——主阀心位移
Ｆ，２——液体粘性摩擦力
凡——动态液动力 ＆——稳态液动力
第４６卷第ｌＯ期 ２０ １ ０年５月
机械工程学报
ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ
Ｖｂｌ．４６ ＮＯ．１０
Ｍａｙ
２０ ｌ ０
ＤｏＩ：１０．３９０１／ＪＭ［Ｅ．２０１０．１０．１４８
高压断路器液压操动机构特性分析木
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 ００２７）
宰国家“十－－ｑ５”科技支撑计划（２００６ＢＡＦ０１８１２－０２）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 指标例。
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。
ｏｆ ｃｉｒｃｕｉｔ ｂｒｅａｋｅｒ．Ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｉｎ ｃｉｒｃｕｉｔ ｂｒｅａｋｅｒ ａｒｅ
ｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄ，ｓｈｏｒｔ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｔｉｍｅ ａｎｄ ｈｉｇｈ ｐｒ船ｓｕｒｅ．Ｔｈｅ ｗｏｒｋｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ５５０ ｋＶ ｈｉｇｈ ｖｏｌｔａｇｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ｂｒｅａｋｅｒ ｉｓ ｉｎｗｏｄｕｃｅｄ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌｓ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔ．ｈｉｇｈ－ｓｐｅｅｄ ｇｒｅａｔ ｆｌｏｗ ｃｏｎｔｒｏｌ ｖａｌｖｅ ａｎｄ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｃｙｌｉｎｄｅｒ玳ｂｕｉｌｔ． Ｔｈｅ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｔｉｍｅ ｏｆ ｃｏｎｔｒｏｌ ｖａｌｖｅ．ｏｐｅｎｉｎｇ ａｎｄ ｃｌｏｓｉｎｇ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ａｎｄ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｌｏｓｓ ｉｎ ｐｉｐｅ ａｒｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ａｒｅ ｃ｛ｍ№ｄ ｏｕｔ
只——稳态液动力
ｍｌ——阀心质量
卸——进出口压力差
上——阀心与阀体的接触长度
Ⅶ——阀心运动速度
∥——油液动力粘度
△，——阀心和阀套空配合间隙
图７二级阀结构原理图 １．阀体２，４，６．密封豳３．阀心５．回程弹簧７．阁套
二级阀阀口流量方程
ｇ：ｃｄ。４坦里掣 （６） ～ｐ
小咄出口【卜奇咖２叫 （７）
式中 Ｑｌ——阀口流量 Ｑｌ——二级阀阀口流量系数
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：，＝舷Ｎ，０，／＿－氓Ｍｎ。
２．２一级阀
２．３二级阀 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
一级阀的结构图及节流口示意图如图６所示，
级阀打开，Ｐ２口高压油通过锥阀节流口与回油口
阀心右端与电磁铁推杆连接，电磁铁通电，推杆给 Ｔ２相通。
衔铁
６
线圈
７
推杆
８ 骨架
底座
９
图３ 电磁铁结构图及有限元仿真模型 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
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ｐ】。 通过电磁铁静态变参仿真，得到电磁铁磁通、输出 力与电流ｆ及气隙ｘ关系的二维数据表（图４、５），
１ 工作原理
图ｌ、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
万方数据
２０１０年５月
刘伟等：高压断路器液压操动机构特性分析
１４９
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。
２数学模型
２．１电磁铁 电磁铁主要参数如表ｌ所示。
万方数据
图４磁通与气隙、安匝数的关系 图５ 电磁输出力与气隙、安匝数的关系
——。！—竺—————————‘————。————’—————一—一—一———————机 ———械 ———工 ———程 ———学 ———报 二——‘二＿—————————————一一一一 第 ：：： ４６卷＝： 第＝ １０期：：：
图ｌ ５５０ ｋＶ高压断路器液压操动机构 １．电磁阀２．油箱３．液压缸４．泵５．电动机
表１电磁铁主要参数
参数 线圈匝数．ｖ 线圈电阻Ｒ／Ｑ 输入电压ｃ，／Ｖ 最大行程Ｊ／ｍｅ 磁性材料
数值
２ ８５０ １９３
ＤＣ２２０ ３
电工纯铁口ｒ３
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ＡｎｓｏＲ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。
４ｌ——阀口过流面积
ｐｌ——Ｐ２口压力
ｐｅ一２口压力
ｄｌ——阀座孔直径 娩——阀心位移
仅——阀心位移 二级阀阀心力平衡方程
磊喝一晶喝氇争 （８）
Ｆｖｌ一－－警 只Ｉ＝ｃｄ一戤锄ｓｉｎ２ａ
（９） （１０）
式中 Ｒｌ——液体粘性摩擦力 ％——回程弹簧阻力 Ｅｌ——稳态液动力 ｍ２——阀心质量 卸ｌ——进出口压力差 厶——阀心与阀体的接触长度 ’，ｌ——阀心运动速度 ∥——油液动力粘度 Ａｒｌ——阀心和阀套空配合间隙
锄以吾竽０９）
瓴＝艺毒了８２
（２０）
式中，——管道长度 ｄ——管道直径 名——沿程阻力系数 ＇，——管道中的油液流速 磊——局部损失系数
３仿真与试验结果分析
根据式（１）～（２０）数学模型，通过系统仿真软件 ＡＭＥｓｉｍ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。
式中 嗣——液压缸位移
ｍ４——缸活塞、活塞杆及负载质量
缶——液压缸活塞面积
‘
彳ｑ——液压缸有杆腔压力实际作用面积 Ｆ——负彰沩
Ｒ——缓冲反力
分闸流量连续性方程为
Ｑ２＝４誓一睾訾
（１７）
式中 ％——液压缸无杆腔容积 Ｘ——液体体积模量
合闸流量连续性方程为
Ｑ＝４堕ｄｔ＋ｉｉｄＰＢ
（１８）
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ｆ３】ｏ沿程和局部损失方程分别为
Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｈｉｇｈ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｂｒｅａｋｅｒ ｗｉｔｈ
Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ
ＬＩＵ Ｗｅｉ ＸＵ Ｂｉｎｇ ＹＡＮＧ Ｈｕａｙｏｎｇ、ｖＵ Ｚｈｏｎｇｙｕ （Ｔｈｅ Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂ ｏｆＦｌｕｉｄ Ｐｏｗｅｒ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ａｎｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ，Ｚｈｅｊｉａｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ ３ １００２７）
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
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‘２１。
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｈｉｇｈ ｖｏｌｔａｇｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ｂｒｅａｋｅｒ ｉｓ ｔｈｅ ｍｏｓｔ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｐｐａｒａｔｕｓ ｉｎ ｐｏｗｅｒ ｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ
ｃ呲ｐａｒｔ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｉｓ ｔｈｅ
主阀心力平衡方程为
风４＋而４一‰４一岛一呢一比＝，，１３专≠（１５）
式中凡——液体粘性摩擦力 凡——动态液动力 氏——稳态液动力
２．５液压缸
力平衡方程为
图８主阀结构原理图 １．阀体２．合闸阀Ｉ＝１ 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：％４塑年型 ｑｐ
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Ｔｌ相通。
Ｃｌ
图６一级阀结构图及节流口示意图 １．阀套１ ２、４、６、９．密封圈３．阀套２ ５．阀体
７．阀心８．回程弹簧
一级阀阀口流量方程【ｔ５】
Ｑ：ｃｄ。４塑粤型
（１）
心ｐ
４Ⅻｄｘ，咖口（１。寺ｓｉ们叫 （２）
式中 Ｑｏ——阀口流量 Ｃｄｏ——一级阀阀口流量系数