缓冲器对高压SF_6断路器机械特性影响研究.docx

缓冲器对高压sf6断路器机械特性影响研究刘刚1 宋超2 李付永11.河南平高电气股份有限公司 2.平高集团有限公司基于高压断路器用弹簧操动机构中缓冲器的工作原理，建立了高压sf6 断路器机械特性仿真模型。得到了缓冲器缸体与活塞杆之间不同配合 间隙分布及缸体中不同阻尼孔结构等情况下的断路器分闸过程的机械特性 曲线，对比分析了不同情况下对断路器机械特性的影响，最后对机械特性 仿真曲线与试验曲线进行了对比分析。刘刚工程师关键词：高压sf6断路器/机械特性/弹簧操动机构/缓冲器高压 sf6 断路器是高压电器中最重要的一类缸体与活塞杆之间不同配合间隙分布及缸体中不同阻尼孔结构情况下的机械特性曲线，并对其进行了对比 分析。最后将仿真结果与试验结果进行了对比分析。电器，是电力系统中重要的控制和保护设备。而操动机构是高压断路器中不可或缺的重要组成部分，它不仅要保证断路器准确无误地开断和关合短 路电流，并可靠地保持在分闸或者合闸位置上，而且 还需要完成快速自动重合闸操作，具备防跳跃、自动 复位和闭锁等功能。断路器的分合闸操作都是通过操 动机构来实现的，操动机构的工作性能和质量优劣， 直接影响着高压断路器的工作性能和可靠性。高压断路器的分合闸速度很高，而触头的运动行 程相对较小。要使速度很高的运动部件在较短的行程 内停止，须采用缓冲器来吸收运动部分的动能，防止 断 路 器 中 某 些 零 部 件 因 受 到 巨 大 的 冲 击 而 损 坏。 此 外，在触头运动结束时刻，断路器的运动部分不应有 显著的反弹 1。因此，缓冲器的缓冲作用对断路器的 机械特性有着重要的影响。本文旨在研究缓冲器对高 压 sf6 断路器机械特性的影响，根据高压 sf6 断路器 用弹簧操动机构缓冲器的工作原理，建立了高压 sf6 断路器分闸过程中机械特性仿真模型，得到了缓冲器1仿真计算物理模型建立的物理模型如图 1 所示。123图 1 仿真分析物理模型1 断路器本体 2 弹簧操动机构 3 支架30 2014年第7期特别报道special reports确定 3。阻尼孔流量方程q =c d a图 1 中，对断路器本体进行了简化，对其传动部分进行归化质量计算，将其等效转换为配重块。 高 压 断 路 器 用 弹 簧 操 动 机 构 的 缓 冲 器 采 用 液 气式，其结构如图 2 所示。 2p(2)式 中，q 为 通 过 阻 尼 孔 的 流 量 ；c d 为 流 量 系 数， 完全 压 缩 情 况 下，c d =0.60.62 ；a 为 阻 尼 孔 的 流 通 总 面 积 ； 为 液 压 油 密 度 ；p 为 阻 尼 孔 两 侧 压 力 差。补充方程123456q =va 1v = x a (3)(4) (5) v 5p 2 =1.013 0vv 式 中，v 为 活 塞 的 运 动 速 度 ；x 为 活 塞 的 运 动 位 移 ；a 为活塞的横截面有效面积 ；v 为缸体中被压缩的 空气体积。图 2 弹簧机构缓冲器结构示意图1 大缸体 2 小缸体 3 阻尼孔 4 活塞杆 5 液压油 6 导套缓冲器对断路器机械特性的影响主要体现在小缸体中的阻尼孔及小缸体与活塞杆之间的配合间隙两方 面。图 2 中，活塞杆在弹簧机构弹簧力的作用下向右 或向左运动，小缸体与大缸体之间产生压强差，此压 强差用来吸收断路器运动部件的动能，液压油在压力 差的作用下通过阻尼孔及活塞杆与小缸体之间的配合 间隙在两个缸体之间流动。3仿真结果分析为了研究缓冲器对断路器机械特性的影响，对不同阻尼孔结构、小缸体与活塞杆之间不同配合间隙两 种方案进行仿真分析研究。方案 1 ：缓冲器小缸体与活塞之间有配合间隙与 无配合间隙研究。有配合间隙时两者之间的配合间隙 为 0.05 mm。小缸体中阻尼孔结构如图 3 所示。方 案 2 ：不 同 阻 尼 孔 结 构 及 不 同 配 合 间 隙 研 究。 如下表所示。10593 0.1752仿真计算数学模型2.1 假设条件为了得到较为准确的断路器机械特性仿真结果， 对缓冲器做以下假设。1) 假 设 缓 冲 器 的 工 作 过 程 为 绝 热 过 程。 在 液 压 动力学中，充油和放油时间小于 1 min 即可认为是绝 热过程 2。而该缓冲器的缓冲过程为几十毫秒，因此 假设为绝热过程。2) 由于缓冲器中液压油的重力势能远小于其动能 及压力势能，故仿真过程中不考虑液压油的重力。3) 忽略由于压力及温度变化引起的系统刚性构件 的弹性变形。4) 忽略由于压力升高引起的液压油的压缩量。2.2 数学模型缓冲反力方程209.54.51.3 2.56.5 0.1b+0.1815 0+0.225.5 0+0.2540 0图 3 阻尼孔结构示意图不同阻尼孔结构及不同配合间隙表19.5，4.5，1.3，2.50.03f=p 1a 1 p 2a 2(1)式中，f 为缓冲反力 ；p 1 为小缸体中液压油压强 ；a 1为小缸体的作用面积 ；p 2 为大缸体中液压油压强 ；a 2为大缸体的作用面积。 小孔流动类型可以根据孔的长度与直径的比值来39.5，3，1.3，30.03312014年第7期 49.5，3，1.3，30.0529.5，4.5，1.3，2.50.05方案 2 序号阻尼孔结构 /mm配合间隙 /mm特别报道special reports0.03.1 方案 1 仿真结果对方案 1 进行仿真，得到小缸体与活塞杆之间有、 无配合间隙时断路器机械特性曲线如图 4 所示。0.0-50.0-100.0-126.6835-150.0-50.0-200.0-100.000.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1t /s-143.007 5-150.0图 5方案 2 情况下断路器机械特性仿真曲线-115.0-126.6835-135.0-200.000.01 0.02 0.03 0.040.05t /s0.06 0.07 0.080.090.1 -155.0图 4 方案 1 情况下断路器机械特性仿真曲线从图 4 中可以看出，由于配合间隙的存在，曲线较曲线更加平滑，曲线的最大幅值约为 181.2 mm， 曲线 的 最 大 幅 值 约 为 179.9 mm， 且有配合间隙时 动触头达到最大位移的时间比无配合间隙时缩短了近15 ms。 活 塞 杆 与 小 缸 体 之 间 存 在 0.05 mm 的 间 隙， 相 当 于 活 塞 杆 作 用 面 上 存 在 一 个 2.2 mm 的 通 孔， 该孔作用于缓冲全过程。缓冲过程初期，由于存在 20 mm 及 4.5 mm 的 阻尼孔，在动触头位移曲线上基本反映不出配合间隙 的影响。当动触头运动到 143 mm 时，配合间隙开始 发挥作用。该时刻对应活塞杆运动 80 mm，此时供大 小缸体之间进行油量交换的阻尼孔只剩下 1.3 mm、 2.5 mm 孔及 4.5 mm 孔的小部分。无配合间隙存 在时，大小缸体之间的液压油交换量较有配合间隙时 少，导致小缸体中压强较大，活塞杆运动速度较慢， 动触头到达最大位移的时间较长，断路器机械特性如 图 4 中曲线所示。有配合间隙时运动情况正好与无 配合间隙时相反，小缸体中压强相对较小，活塞杆运 动速度相对较快，导致动触头达到最大位移的时间较 短，并出现稍微过冲现象，断路器机械特性如图 4 中 曲线所示。3.2 对比方案 2 仿真结果对方案 2 进行仿真，得到不同情况下断路器机械 特性曲线如图 5 所示。对图 4 中机械特性曲线变化显 著处进行局部放大，如图 6 所示。从图 5 中可以看出，阻尼孔结构及配合间隙对断 路 器 机 械 特 性 的 影 响 主 要 集 中 在 机 械 特 性 曲 线 的 中 间 阶 段， 即 动 触 头 运 动 到 126.7 mm 以 后 ( 活 塞 杆 运 动到 71 mm 以后 ) 阶段。在该阶段以外，4 条机械特-175.0-195.00.150.02750.04t /s0.05250.065图 6 方案 2 机械特性仿真曲线局部图性 曲 线 大 致 相 同。 活 塞 杆 运 动 到 71 mm 以 后， 供 大 小缸体之间进行油量交换的阻尼孔只剩下 4.5 mm、 1.3 mm、 2.5 mm 孔及配合间隙。结合图 5 和图 6，对不同阻尼孔结构及配合间隙 对断路器机械特性的影响进行对比分析如下。1）阻尼孔结构相同，配合间隙不同对断路器机 械特性的影响。配合间隙大的机械特性曲线较配合间 隙小的更为平滑，动触头的最大位移更大，且动触头 到达最大位移的时间更短。如曲线与曲线，曲线 与曲线。2）阻尼孔结构不同，配合间隙相同对断路器机 械特性的影响。如曲线与曲线，当动触头运动到164 mm( 活塞杆运动到 91 mm) 时两曲线相交。在相 交之前，曲线位于曲线上方 ；过交点之后，曲线 位于曲线上方，最后阶段两曲线的稳定点基本相 同。 其 原 因 是 活 塞 杆 运 动 到 91 mm 时， 只 剩 下 最 后 一个阻尼孔。活塞杆运动到 91 mm 之前，方案 2.1 中 阻尼孔流量大于方案 2.3 中阻尼孔流量，因此活塞杆 受到的液压油的阻力较小，运动速度较快，同一时刻 活塞杆的运动位移大，故曲线位于曲线下方。活 塞杆运动到 91 mm 之后，由于具有相同的配合间隙， 而方案 2.3 中阻尼孔流量大于方案 2.1 中阻尼孔流量， 故曲线位于曲线下方。该情况同样反映在曲线 与曲线中。3）阻尼孔结构不同、配合间隙不同对断路器机32 2014年第7期l / m ml / m ml / m m特别报道special reports械特性的影响。对比曲线与曲线及曲线与曲线发现，对于具有不同阻尼孔结构、不同配合间隙的 曲线来说，配合间隙对断路器机械特性的影响大于阻 尼孔结构对断路器机械特性的影响。5结束语在 影 响 高 压 sf6 断 路 器 机 械 特 性 的 众 多 因 素 中，缓冲器对其的影响较大。在产品调试试验过程中，多 采用调整缓冲器来满足断路器机械特性指标。缓冲器 中影响断路器机械特性的主要因素是阻尼孔的结构以 及活塞杆与小缸体之间的配合间隙。通过仿真计算， 得到了不同阻尼孔结构及不同配合间隙下的断路器机 械特性曲线。对各种情况下对应的机械特性曲线进行 对比发现，可以通过修改缓冲器中阻尼孔结构及小缸 体与活塞杆之间配合间隙来满足断路器机械特性的要 求。阻尼孔结构对缓冲特性的影响主要体现在最末级 的阻尼孔上，而配合间隙的影响持续于缓冲器作用的 全过程。在实际应用过程中，可以在不影响机构速度 特性的情况下修改小缸体阻尼孔结构，然后调整小缸 体与活塞杆之间的配合间隙来满足断路器机械特性的 要求。4仿真与试验对比分析试验过程中采用的缸体结构为方案 2.4。将方案2.4 得到的断路器机械特性仿真曲线与试验曲线进行 对比，如图 7 所示。0.0-50.0试验曲线-100.0仿真曲线-150.0-181.2105-200.000.01 0.020.030.04 0.05 0.06t /s0.07 0.08 0.09 0.1图 7 断路器机械特性仿真曲线与试验曲线对比图从图 7 可以看出，断路器机械特性仿真曲线与试验曲线的变化趋势基本一致。试验曲线较仿真曲线更 加平滑，说明整个系统中运动部分的运动比较平稳， 这对系统中零部件的寿命是有益的。从仿真动画中可 以看出，活塞杆在运动过程中有瞬时的停顿，造成仿 真曲线出现 凸起 。造成该现象的原因一方面是由 于仿真无法完全模拟实际的工况，另一方面是由于仿 真模型中删除了一些与运动关联不密切的零部件，导 致仿真模型与实际产品不完全匹配。参考文献1 徐 国 政 高 压 断 路 器 m 北 京 ：清 华 大 学 出 版 社 ，20002 金朝铭液压流体力学 m北京 ：国防工业出版社，19943 王宝和流体传动与控制 m长沙 ：国防科技大学 出版社，2001( 收稿日期 ：2014-04-11) em( 上接第 29 页）环保。整个相柱包括机构在内重量减轻 35%。相距从 900 mm 减至 700 mm。占地面积减少了 40%。可三相整装发运。alstom 公 司 利 用 单 灭 弧 室 双 动 断 路 器 开 发 除 了 420 kv 63 ka 高电压大容量金属封闭式组合电器（gis）。这是单灭弧室双动技术的又一进步。制出一种双动技术，由一只连杆带动两只触头反向运动，这样机构的速度减半，开断时只需弹簧储能的 40%。t155 cb3 型单灭弧室双动断路器如图 7 所示， 相比迄今的单动双断口开断具有很大的优势 ：减少 了开断能量 40%。 sf6 气体用量减少 40%，有利于参考文献1 李建基 . 高压开关设备实用技术