蓄能器使系統運行更加平穩；
蓄能器使系統運行更加安全；
蓄能器使系統運行效率提高；
蓄能器使系統運行能耗降低。

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新型500kV超高壓斷路器液壓操動機構的研究

 

【關鍵詞】SF6斷路器 液壓系統 過渡過程 速度高壓斷路器是電力輸送的關鍵設備，它在電網中承擔著控制和保護的雙重任務，而操動機構是高壓斷路器的關鍵部件之一。“操動機構液壓化”是國內外發展的趨勢。液壓操動機構的作用是當分合閘指令到來之時，通過電磁鐵把分合閘電信號轉為機械信號，并通過多級液壓閥放大，迅速控制液壓缸帶動觸頭動作，完成高壓斷路器的分合閘任務。液壓操動機構屬于高速大功率雙穩態電液驅動系統，因此對它的研究必須放在如何高速（動作時間以毫秒計算），進行兩個穩態（即合閘、分閘狀態）的轉換、大功率（瞬時功率達千kW級）控制基礎上。當然考慮到電力輸送的特殊性，可靠性應始終放在第一位。1 結構原理   新型液壓操動機構配500 kV雙斷口(50～63)kA落地罐式SF6超高壓二周波斷路器。根據工作需要液壓操動機構必須滿足以下要求：  （1）除動作可靠外，還必須確保分合閘狀態時具有自保持作用和防“失壓慢合”、“失壓慢分”的作用；  （2）應滿足斷路器的固分、固合時間和分合閘速度特性等要求〔1〕?，F所配斷路器要求固分時間不大于20 ms，斷路器觸頭的剛分速度為(10.5～11.5) m/s、剛合速度為(4～5) m/s；  （3）液壓缸有良好的緩沖性能，以防止液壓系統過高的沖擊壓力而造成機構的損壞；  （4）不允許有外泄漏，盡量減少內泄，以降低補油泵向蓄能器補油的次數，提高系統可靠性，在分閘或合閘狀態額定油壓下，靜止24 h，壓力下降不大于2.5 MPa。  （5）在額定壓力下，分閘操作一次壓力下降不大于2.5 MPa，合閘操作一次壓力下降不大于1.5 MPa。  新型液壓操動機構能滿足上述要求，其結構原理見圖1。分合閘電信號分別通過分合閘電磁鐵驅動一級球閥，圖1 新型500kV超高壓斷路器液壓操動機構原理圖控制壓力油經一級閥驅動二級錐閥，再經二級閥控制三級閥（由排油閥、進油閥兩部分組成），最后由三級閥控制液壓缸動作，是典型的三級液壓放大結構。二級閥的設計，使分合閘時都有足夠的差動（自保持)壓力。同時，三級閥中排油閥上彈簧力作用和進油閥上補油油路保證了合閘時不會因外界震動或閥、缸內泄漏等原因產生誤分閘，也保證了系統失壓及泵重新啟動升壓時不致引起慢分、慢合動作。三級閥采用排油閥結構可以獲得較快的分閘速度。液壓缸活塞尾部有階梯形的緩沖裝置，對高速運動的活塞有良好的制動緩沖作用。采用活塞蓄能器供油，保證系統最高瞬時流量達2000 L/min以上。2 仿真分析  計算機仿真的目的是在產品制造前就能通過仿真預測產品的性能，并能了解系統中各個參數對性能的影響，尋找一組既能滿足工藝又能滿足系統性能要求的設計參數。超高壓斷路器分閘過程的性能要求遠高于合閘過程，因此，計算機仿真主要是針對分閘過程的。在充分考慮系統中閥口流量、蓄能器、氣體壓力等各種非線性因素后，建立了新型液壓操動機構的數學模型，并進行了計算機仿真〔2～4〕，綜合分析仿真結果，可以得出：  （1）液壓操動機構中，影響斷路器分閘速度性能的關鍵參數有系統壓力、液壓缸活塞直徑、三級閥的排油閥閥口系數及其最大限位值4個參數，應綜合性能、結構要求及動作可靠性等因素進行確定。  （2）在滿足斷路器結構及強度的條件下，應盡量降低包括負載在內的液壓缸活塞質量和負載力。  （3）由合閘性能要求決定的參數有液壓缸活塞桿直徑。  （4）對斷路器剛分速度和固分時間均無明顯影響的“軟量”有液壓缸阻尼系數、二、三級閥的阻尼系數?！败浟俊睂π阅軣o明顯影響，是液壓操動機構性能穩定、可靠的保證。  （5）在工程設計范圍內，二、三級閥的閥芯質量對斷路器剛分速度和固分時間無明顯的影響。3 試驗及分析  為了進一步了解液壓操動機構的性能，樣機在試驗臺上進行了性能測試。  圖2是系統壓力對固分時間和剛分速度影響的曲線。隨著系統壓力的增高，固分時間（曲線圖2 系統壓力對液壓操動機構分閘性能的影響1）減小，剛分速度（曲線2）增大，這與計算機仿真結果相符合。另外，由圖2中曲線3知，隨著系統壓力增高電磁鐵動作時間從5.5 ms上升到6.5 ms，這是因為一級的球閥芯上液壓力增大的緣故。但從曲線4可見，這時閥的動作時間則從5.2 ms下降到3.5 ms，兩者相抵實際下降不足1 ms，說明固分時間隨系統壓力提高而縮短，主要原因是系統壓力的提高使活塞運動速度加快的緣故。  圖3是分閘信號電壓變化對動作時間、剛分圖3 分閘信號電壓對液壓操動機構分閘性能的影響速度的影響曲線。試驗結果可以分成3個區域，不動作區(<100 V)、過渡區(100～120 V)和動作區(>120 V)。不動作區電磁鐵無法打開一級球閥。過渡區電磁鐵能否打開一級球閥有很大的隨機性。結果表明新型液壓操動機構完全能滿足信號電壓高于65%額定電壓時，液壓操動機構必須保證動作，低于35%額定電壓時，液壓操動機構必須保證不動作的設計要求，提高了抗干擾能力。從圖3還可以看出，隨著信號電壓的提高，電磁鐵的動作時間縮短(曲線3)，而閥動作時間曲線明顯地分成2段（曲線4），在電壓為(120～160)V范圍內由于信號電壓較低，出現電磁鐵多次沖擊一級閥而使球閥打開的現象，隨電壓提高減少了沖擊次數，閥動作時間迅速下降。當電壓高于160 V時電磁鐵僅一次沖擊就能打開球閥，故閥動作時間幾乎保持不變。由于上述原因。固分時間（曲線1）也在電壓為(120～160)V區段曲線快速下降，高于160V區段曲線僅受電磁鐵動作時間的影響，下降緩慢。剛分速度僅取決于排油閥開口和系統壓力，故不隨電壓而變化（曲線2）。  圖4、圖5為新型液壓操動機構由西安高壓開關廠完成帶模擬負載時實測的特性曲線。圖4 新型液壓操動機構帶模擬負載的分閘性能測試結果測試條件：分合閘信號額定電壓220 V，額定電流2 A，系統壓力28 MPa，10＃航空液壓油，油溫25℃。測定結果：固分時間17.5 ms；斷路器觸頭剛分速度10.2 m/s（圖4）；固合時間61 ms，斷路器觸頭剛合速度4.8 m/s（圖5）。圖5 新型液壓操動機構帶模擬負載的合閘性能測試結果4 結論  經過計算機仿真、理論分析和試驗測試表明，新型液壓操動機構結構簡單，工作可靠，性能及壽命均達到了設計要求，與國外同類產品性能相當。新型液壓操動機構的研制也為我國斷路器液壓操動機構的進一步開發，積累了一定的經驗。另外，這類液壓系統還可應用于高壓容器的快速泄壓、安全閥門的快速開啟等場合。