蓄能器使系统运行更加平稳；
蓄能器使系统运行更加安全；
蓄能器使系统运行效率提高；
蓄能器使系统运行能耗降低。

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新型500kV超高压断路器液压操动机构的研究

 

【关键词】SF6断路器 液压系统 过渡过程 速度高压断路器是电力输送的关键设备，它在电网中承担着控制和保护的双重任务，而操动机构是高压断路器的关键部件之一。“操动机构液压化”是国内外发展的趋势。液压操动机构的作用是当分合闸指令到来之时，通过电磁铁把分合闸电信号转为机械信号，并通过多级液压阀放大，迅速控制液压缸带动触头动作，完成高压断路器的分合闸任务。液压操动机构属于高速大功率双稳态电液驱动系统，因此对它的研究必须放在如何高速（动作时间以毫秒计算），进行两个稳态（即合闸、分闸状态）的转换、大功率（瞬时功率达千kW级）控制基础上。当然考虑到电力输送的特殊性，可靠性应始终放在第一位。1 结构原理   新型液压操动机构配500 kV双断口(50～63)kA落地罐式SF6超高压二周波断路器。根据工作需要液压操动机构必须满足以下要求：  （1）除动作可靠外，还必须确保分合闸状态时具有自保持作用和防“失压慢合”、“失压慢分”的作用；  （2）应满足断路器的固分、固合时间和分合闸速度特性等要求〔1〕。现所配断路器要求固分时间不大于20 ms，断路器触头的刚分速度为(10.5～11.5) m/s、刚合速度为(4～5) m/s；  （3）液压缸有良好的缓冲性能，以防止液压系统过高的冲击压力而造成机构的损坏；  （4）不允许有外泄漏，尽量减少内泄，以降低补油泵向蓄能器补油的次数，提高系统可靠性，在分闸或合闸状态额定油压下，静止24 h，压力下降不大于2.5 MPa。  （5）在额定压力下，分闸操作一次压力下降不大于2.5 MPa，合闸操作一次压力下降不大于1.5 MPa。  新型液压操动机构能满足上述要求，其结构原理见图1。分合闸电信号分别通过分合闸电磁铁驱动一级球阀，图1 新型500kV超高压断路器液压操动机构原理图控制压力油经一级阀驱动二级锥阀，再经二级阀控制三级阀（由排油阀、进油阀两部分组成），最后由三级阀控制液压缸动作，是典型的三级液压放大结构。二级阀的设计，使分合闸时都有足够的差动（自保持)压力。同时，三级阀中排油阀上弹簧力作用和进油阀上补油油路保证了合闸时不会因外界震动或阀、缸内泄漏等原因产生误分闸，也保证了系统失压及泵重新启动升压时不致引起慢分、慢合动作。三级阀采用排油阀结构可以获得较快的分闸速度。液压缸活塞尾部有阶梯形的缓冲装置，对高速运动的活塞有良好的制动缓冲作用。采用活塞蓄能器供油，保证系统最高瞬时流量达2000 L/min以上。2 仿真分析  计算机仿真的目的是在产品制造前就能通过仿真预测产品的性能，并能了解系统中各个参数对性能的影响，寻找一组既能满足工艺又能满足系统性能要求的设计参数。超高压断路器分闸过程的性能要求远高于合闸过程，因此，计算机仿真主要是针对分闸过程的。在充分考虑系统中阀口流量、蓄能器、气体压力等各种非线性因素后，建立了新型液压操动机构的数学模型，并进行了计算机仿真〔2～4〕，综合分析仿真结果，可以得出：  （1）液压操动机构中，影响断路器分闸速度性能的关键参数有系统压力、液压缸活塞直径、三级阀的排油阀阀口系数及其最大限位值4个参数，应综合性能、结构要求及动作可靠性等因素进行确定。  （2）在满足断路器结构及强度的条件下，应尽量降低包括负载在内的液压缸活塞质量和负载力。  （3）由合闸性能要求决定的参数有液压缸活塞杆直径。  （4）对断路器刚分速度和固分时间均无明显影响的“软量”有液压缸阻尼系数、二、三级阀的阻尼系数。“软量”对性能无明显影响，是液压操动机构性能稳定、可靠的保证。  （5）在工程设计范围内，二、三级阀的阀芯质量对断路器刚分速度和固分时间无明显的影响。3 试验及分析  为了进一步了解液压操动机构的性能，样机在试验台上进行了性能测试。  图2是系统压力对固分时间和刚分速度影响的曲线。随着系统压力的增高，固分时间（曲线图2 系统压力对液压操动机构分闸性能的影响1）减小，刚分速度（曲线2）增大，这与计算机仿真结果相符合。另外，由图2中曲线3知，随着系统压力增高电磁铁动作时间从5.5 ms上升到6.5 ms，这是因为一级的球阀芯上液压力增大的缘故。但从曲线4可见，这时阀的动作时间则从5.2 ms下降到3.5 ms，两者相抵实际下降不足1 ms，说明固分时间随系统压力提高而缩短，主要原因是系统压力的提高使活塞运动速度加快的缘故。  图3是分闸信号电压变化对动作时间、刚分图3 分闸信号电压对液压操动机构分闸性能的影响速度的影响曲线。试验结果可以分成3个区域，不动作区(<100 V)、过渡区(100～120 V)和动作区(>120 V)。不动作区电磁铁无法打开一级球阀。过渡区电磁铁能否打开一级球阀有很大的随机性。结果表明新型液压操动机构完全能满足信号电压高于65%额定电压时，液压操动机构必须保证动作，低于35%额定电压时，液压操动机构必须保证不动作的设计要求，提高了抗干扰能力。从图3还可以看出，随着信号电压的提高，电磁铁的动作时间缩短(曲线3)，而阀动作时间曲线明显地分成2段（曲线4），在电压为(120～160)V范围内由于信号电压较低，出现电磁铁多次冲击一级阀而使球阀打开的现象，随电压提高减少了冲击次数，阀动作时间迅速下降。当电压高于160 V时电磁铁仅一次冲击就能打开球阀，故阀动作时间几乎保持不变。由于上述原因。固分时间（曲线1）也在电压为(120～160)V区段曲线快速下降，高于160V区段曲线仅受电磁铁动作时间的影响，下降缓慢。刚分速度仅取决于排油阀开口和系统压力，故不随电压而变化（曲线2）。  图4、图5为新型液压操动机构由西安高压开关厂完成带模拟负载时实测的特性曲线。图4 新型液压操动机构带模拟负载的分闸性能测试结果测试条件：分合闸信号额定电压220 V，额定电流2 A，系统压力28 MPa，10＃航空液压油，油温25℃。测定结果：固分时间17.5 ms；断路器触头刚分速度10.2 m/s（图4）；固合时间61 ms，断路器触头刚合速度4.8 m/s（图5）。图5 新型液压操动机构带模拟负载的合闸性能测试结果4 结论  经过计算机仿真、理论分析和试验测试表明，新型液压操动机构结构简单，工作可靠，性能及寿命均达到了设计要求，与国外同类产品性能相当。新型液压操动机构的研制也为我国断路器液压操动机构的进一步开发，积累了一定的经验。另外，这类液压系统还可应用于高压容器的快速泄压、安全阀门的快速开启等场合。