高壓斷路器液壓操動機構關鍵參數(shù)對分閘過程動態(tài)特性的影響

蘇東海， 章申， 劉鑫

（沈陽工業(yè)大學機械工程學院，沈陽 110870）

高壓斷路器液壓操動機構關鍵參數(shù)對分閘過程動態(tài)特性的影響

蘇東海， 章申， 劉鑫

（沈陽工業(yè)大學機械工程學院，沈陽 110870）

以某型高壓斷路器的液壓操動機構為研究對象，分析其分閘過程中的受力情況，建立分閘運動的數(shù)學模型，并在此基礎上進行仿真，研究結構參數(shù)對其動態(tài)特性的影響，為設計高壓斷路器液壓操動機構提供理論依據(jù)。

高壓斷路器；液壓操動機構；數(shù)學模型；仿真；動態(tài)特性

0 引 言

高壓斷路器，與電路中其他設備如電動機、變壓器等相比成本要低廉很多，但是一旦斷路器發(fā)生故障，其所造成的損失，如導致電網(wǎng)中其他設備的損毀以及電力系統(tǒng)的故障，這比斷路器本身的價值要大得多。而液壓操動機構是高壓斷路器最重要的組成部分之一，它的性能是高壓斷路器的重要指標，是電網(wǎng)是否能正常運行、電網(wǎng)中其他設備是否能安全工作的重要保障。所以對高壓斷路器液壓操動機構的研究具有十分重要的理論意義和實用價值。

某型高壓斷路器是一種新型斷路器，它創(chuàng)新地使用了外套集成式液壓操動機構，各液壓模塊、組件串套在工作缸體上布置，主缸體件形狀簡單，總體外形小，密封點少，制造精度要求不高，主缸體與串裝組件在動作時的無慣性錯動，液壓模塊組件均可采用普通結構鋼即可，原材料費用低，到處都有，且制造工藝簡單。該型高壓斷路器具有結構緊湊、安裝方便、體積小、重量輕、液壓油需求量小、泄漏量少等優(yōu)點。

本文以某型高壓斷路器的液壓操動機構為研究對象，討論其各個參數(shù)與運行速度之間的關系，建立數(shù)學模型，進行仿真，歸納各個結構參數(shù)對運行速度的影響，為后續(xù)的分析和優(yōu)化提供理論依據(jù)。

1 構建數(shù)學模型

如圖1所示為該機構的液壓原理圖。在機構收到分閘信號時，分閘電磁鐵得到合閘信號后，分閘電磁閥開啟，蓄能器內(nèi)的壓力油通過分閘電磁閥回油箱，主閥移至左位，液壓缸有桿腔高壓，無桿腔接入低壓，活塞桿向下運動完成分閘。

圖1 液壓原理圖

由于該型高壓斷路器液壓操動機構的儲能元件為碟形彈簧，而碟形彈簧的彈力與應變呈非線性關系，較為復雜，不可將其直接做線性化處理，所以需針對碟形彈簧單獨建立數(shù)學模型。

1.1 建立碟形彈簧模型

該型高壓斷路器液壓操動機構采用8個相同的碟形彈簧，單個碟形彈簧的參數(shù)是：厚度t=14.4 mm，最大壓縮量h0=18 mm，當壓縮量時f=0.75h0，彈力Pf=255 069 N。

碟形彈簧一般工程經(jīng)驗公式為：

得出常量C的方程式：

將h0=18 mm，f=0.75h0，F(xiàn)=Pf=255 069 N代入，得到：

所以，得到單個碟形彈簧彈力F與壓縮量f的關系：

1.2 建立運動模型

彈簧蓄能器中，碟形彈簧輸出力FS作用在一個有效面積為S0的活塞上，則彈簧蓄能器輸出的壓力為

假設液壓缸有桿腔內(nèi)工作油壓為P，活塞有效面積為S，液壓缸輸出力為F，根據(jù)加速度定理可以列出方程：

根據(jù)流量方程可列出方程：

聯(lián)立式(5)、式(6)和式(7)得:

求解微分方程(8)，根據(jù)已知的初始條件t=0時，v=0,得出活塞運動速度與各結構參數(shù)之間的關系為：

1.3 建立緩沖階段模型

圖2 階梯形柱塞緩沖器

圖2所示為活塞桿上的階梯形柱塞緩沖器，其優(yōu)點是加工方便，緩沖制動時間短。當活塞桿運動到一定位置時，緩沖器開始產(chǎn)生作用，使活塞桿在很短的時間內(nèi)停止運動。

假設液壓缸有桿腔內(nèi)工作油壓為P，活塞有效面積為S，液壓缸輸出力為F，液壓油緩沖背壓為P1，緩沖行程為x，緩沖階段初始速度為v0，則可列出方程：

根據(jù)加速度定理可以列出方程：

此時流量方程為。

其中，Δp=P。

聯(lián)立式（10）、式（11）和式（12）得:

求解微分方程（13），假設加速階段結束時，速度為v0，則初始條件為t=0時,v=v0，得出活塞運動速度與各參數(shù)之間的關系為：

圖3 速度時間曲線

圖4 位移時間曲線

圖5 活塞直徑對速度曲線的影響

圖6 閥口過流間隙對速度曲線的影響

2 仿真

2.1 無緩沖階段仿真

通過公式（9）對無緩沖階段運動過程在Simulink中進行動態(tài)特性仿真，得到結果如圖3～圖6所示。

圖3所示為活塞速度-時間曲線。從圖中發(fā)現(xiàn)，該曲線初始階段，是以較大且?guī)缀鹾愣ǖ募铀俣燃铀伲浇咏?點處加速度降低，并于1點處達到速度的峰值。1點過后開始減速。在斷路器操動機構設計時，為獲得足夠大的剛分速度與加速度，選取的結構參數(shù)應保證使最大速度點落在1點之前。

圖4所示為活塞的位移-時間曲線，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，活塞可以迅速移動至100 mm左右的位置，之后加速度就相對放緩，所以在設計操動機構時，盡量將額定行程控制在100 mm之內(nèi)，以便得到更高的性能。

圖5所示為控制變量法分析活塞直徑對速度特性的影響，可以發(fā)現(xiàn)，在其他條件不變的情況下，活塞直徑越大，受力面積越大，活塞的加速度越大，能越早達到速度峰值。但是，由于活塞越大，所受到的背壓也越大，所以導致最大速度越小。

圖6所示為控制變量法分析閥口過流間隙對速度特性曲線的影響，可以發(fā)現(xiàn)，在其他條件不變的情況下，閥口過流間隙對加速度影響很小，在初始的一段時間內(nèi)，4條曲線以幾乎同樣的斜率上升，表明此時4種情況下的加速度幾乎一致。但是，閥口過流間隙影響著最大極限速度，間隙越大，所能達到的最大極限速度越大，同時，達到最大極限速度所需的時間就越長。

圖7 阻尼器位置對活塞位移的影響

圖8 速度時間曲線

圖9 位移時間曲線

2.2 分閘過程仿真

通過式(9)和式(14)對整個分閘運動過程在Simulink中進行動態(tài)特性仿真，得到結果如圖7～圖9所示。

圖7所示為控制變量法分析阻尼器位置對活塞位移的影響。可以發(fā)現(xiàn)，在其他條件不變的情況下，無緩沖階段運動的距離越短，活塞整體運動的距離越短，因為活塞越早進入緩沖階段，其自身的能量越小，在緩沖器的作用下，便會越早停止運動。所以無緩沖階段運動的距離能影響整個運動的行程。

圖8和圖9所示為最終的活塞的速度-時間曲線和位移-時間曲線，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，活塞在14 s左右進入緩沖階段，并在16 s左右達到預定位置，與設計要求相符合。

3 結論

針對某型高壓斷路器液壓操動機構建立動態(tài)特性數(shù)學模型，并模擬仿真。得到分閘過程的速度-時間曲線和位移-時間曲線。采用控制變量法，得到了活塞面積以及閥口過流間隙對動態(tài)特性的影響以及活塞無緩沖運動長度對活塞整體位移的影響。為后續(xù)的設計優(yōu)化提供了理論依據(jù)。

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Effect of Hydraulic Operation Mechanism Parameters in High Voltage Circuit Breaker on Dynamic Characteristics

SU Donghai,ZHANG Shen,LIU Xin
(School ofMechanical Engineering,ShenyangUniversityofTechnology,Shenyang110870,China)

This paper presents a comprehensive analysis of a hydraulic mechanism for a HV circuit breaker which mainly includes mathematical modeling and simulation.The dynamic characteristics are obtained,and the effects of key parameters are studied.

HV circuit breaker;hydraulic operating mechanism;mathematical model;simulation；dynamic characteristics

TH 123,TH 137

A

1002－2333（2018）01－0001－04

遼寧省高等學校優(yōu)秀科技人才支持計劃項目（LR2012004）

（編輯昊 天）

蘇東海（1964—），男，博士，教授，研究方向為流體傳動與控制；

章申（1992—），男，碩士，研究方向為流體機械及工程。

2017-03-08