高压断路器液压操动机构关键参数对分闸过程动态特性的影响

苏东海， 章申， 刘鑫

（沈阳工业大学机械工程学院，沈阳 110870）

高压断路器液压操动机构关键参数对分闸过程动态特性的影响

苏东海， 章申， 刘鑫

（沈阳工业大学机械工程学院，沈阳 110870）

以某型高压断路器的液压操动机构为研究对象，分析其分闸过程中的受力情况，建立分闸运动的数学模型，并在此基础上进行仿真，研究结构参数对其动态特性的影响，为设计高压断路器液压操动机构提供理论依据。

高压断路器；液压操动机构；数学模型；仿真；动态特性

0 引 言

高压断路器，与电路中其他设备如电动机、变压器等相比成本要低廉很多，但是一旦断路器发生故障，其所造成的损失，如导致电网中其他设备的损毁以及电力系统的故障，这比断路器本身的价值要大得多。而液压操动机构是高压断路器最重要的组成部分之一，它的性能是高压断路器的重要指标，是电网是否能正常运行、电网中其他设备是否能安全工作的重要保障。所以对高压断路器液压操动机构的研究具有十分重要的理论意义和实用价值。

某型高压断路器是一种新型断路器，它创新地使用了外套集成式液压操动机构，各液压模块、组件串套在工作缸体上布置，主缸体件形状简单，总体外形小，密封点少，制造精度要求不高，主缸体与串装组件在动作时的无惯性错动，液压模块组件均可采用普通结构钢即可，原材料费用低，到处都有，且制造工艺简单。该型高压断路器具有结构紧凑、安装方便、体积小、重量轻、液压油需求量小、泄漏量少等优点。

本文以某型高压断路器的液压操动机构为研究对象，讨论其各个参数与运行速度之间的关系，建立数学模型，进行仿真，归纳各个结构参数对运行速度的影响，为后续的分析和优化提供理论依据。

1 构建数学模型

如图1所示为该机构的液压原理图。在机构收到分闸信号时，分闸电磁铁得到合闸信号后，分闸电磁阀开启，蓄能器内的压力油通过分闸电磁阀回油箱，主阀移至左位，液压缸有杆腔高压，无杆腔接入低压，活塞杆向下运动完成分闸。

图1 液压原理图

由于该型高压断路器液压操动机构的储能元件为碟形弹簧，而碟形弹簧的弹力与应变呈非线性关系，较为复杂，不可将其直接做线性化处理，所以需针对碟形弹簧单独建立数学模型。

1.1 建立碟形弹簧模型

该型高压断路器液压操动机构采用8个相同的碟形弹簧，单个碟形弹簧的参数是：厚度t=14.4 mm，最大压缩量h0=18 mm，当压缩量时f=0.75h0，弹力Pf=255 069 N。

碟形弹簧一般工程经验公式为：

得出常量C的方程式：

将h0=18 mm，f=0.75h0，F=Pf=255 069 N代入，得到：

所以，得到单个碟形弹簧弹力F与压缩量f的关系：

1.2 建立运动模型

弹簧蓄能器中，碟形弹簧输出力FS作用在一个有效面积为S0的活塞上，则弹簧蓄能器输出的压力为

假设液压缸有杆腔内工作油压为P，活塞有效面积为S，液压缸输出力为F，根据加速度定理可以列出方程：

根据流量方程可列出方程：

联立式(5)、式(6)和式(7)得:

求解微分方程(8)，根据已知的初始条件t=0时，v=0,得出活塞运动速度与各结构参数之间的关系为：

1.3 建立缓冲阶段模型

图2 阶梯形柱塞缓冲器

图2所示为活塞杆上的阶梯形柱塞缓冲器，其优点是加工方便，缓冲制动时间短。当活塞杆运动到一定位置时，缓冲器开始产生作用，使活塞杆在很短的时间内停止运动。

假设液压缸有杆腔内工作油压为P，活塞有效面积为S，液压缸输出力为F，液压油缓冲背压为P1，缓冲行程为x，缓冲阶段初始速度为v0，则可列出方程：

根据加速度定理可以列出方程：

此时流量方程为。

其中，Δp=P。

联立式（10）、式（11）和式（12）得:

求解微分方程（13），假设加速阶段结束时，速度为v0，则初始条件为t=0时,v=v0，得出活塞运动速度与各参数之间的关系为：

图3 速度时间曲线

图4 位移时间曲线

图5 活塞直径对速度曲线的影响

图6 阀口过流间隙对速度曲线的影响

2 仿真

2.1 无缓冲阶段仿真

通过公式（9）对无缓冲阶段运动过程在Simulink中进行动态特性仿真，得到结果如图3～图6所示。

图3所示为活塞速度-时间曲线。从图中发现，该曲线初始阶段，是以较大且几乎恒定的加速度加速，到接近1点处加速度降低，并于1点处达到速度的峰值。1点过后开始减速。在断路器操动机构设计时，为获得足够大的刚分速度与加速度，选取的结构参数应保证使最大速度点落在1点之前。

图4所示为活塞的位移-时间曲线，从图中可以发现，活塞可以迅速移动至100 mm左右的位置，之后加速度就相对放缓，所以在设计操动机构时，尽量将额定行程控制在100 mm之内，以便得到更高的性能。

图5所示为控制变量法分析活塞直径对速度特性的影响，可以发现，在其他条件不变的情况下，活塞直径越大，受力面积越大，活塞的加速度越大，能越早达到速度峰值。但是，由于活塞越大，所受到的背压也越大，所以导致最大速度越小。

图6所示为控制变量法分析阀口过流间隙对速度特性曲线的影响，可以发现，在其他条件不变的情况下，阀口过流间隙对加速度影响很小，在初始的一段时间内，4条曲线以几乎同样的斜率上升，表明此时4种情况下的加速度几乎一致。但是，阀口过流间隙影响着最大极限速度，间隙越大，所能达到的最大极限速度越大，同时，达到最大极限速度所需的时间就越长。

图7 阻尼器位置对活塞位移的影响

图8 速度时间曲线

图9 位移时间曲线

2.2 分闸过程仿真

通过式(9)和式(14)对整个分闸运动过程在Simulink中进行动态特性仿真，得到结果如图7～图9所示。

图7所示为控制变量法分析阻尼器位置对活塞位移的影响。可以发现，在其他条件不变的情况下，无缓冲阶段运动的距离越短，活塞整体运动的距离越短，因为活塞越早进入缓冲阶段，其自身的能量越小，在缓冲器的作用下，便会越早停止运动。所以无缓冲阶段运动的距离能影响整个运动的行程。

图8和图9所示为最终的活塞的速度-时间曲线和位移-时间曲线，从图中可以发现，活塞在14 s左右进入缓冲阶段，并在16 s左右达到预定位置，与设计要求相符合。

3 结论

针对某型高压断路器液压操动机构建立动态特性数学模型，并模拟仿真。得到分闸过程的速度-时间曲线和位移-时间曲线。采用控制变量法，得到了活塞面积以及阀口过流间隙对动态特性的影响以及活塞无缓冲运动长度对活塞整体位移的影响。为后续的设计优化提供了理论依据。

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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

辽宁省高等学校优秀科技人才支持计划项目（LR2012004）

（编辑昊 天）

苏东海（1964—），男，博士，教授，研究方向为流体传动与控制；

章申（1992—），男，硕士，研究方向为流体机械及工程。

2017-03-08