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新型500kV超高壓斷路器液壓操動機構(gòu)的研究
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高壓斷路器是電力輸送的關(guān)鍵設(shè)備，它在電網(wǎng)中承擔(dān)著控制和保護的雙重任務(wù)，而操動機構(gòu)是高壓斷路器的關(guān)鍵部件之一。“操動機構(gòu)液壓化”是國內(nèi)外發(fā)展的趨勢。液壓操動機構(gòu)的作用是當(dāng)分合閘指令到來之時，通過電磁鐵把分合閘電信號轉(zhuǎn)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(wù)。液壓操動機構(gòu)屬于高速大功率雙穩(wěn)態(tài)電液驅(qū)動系統(tǒng)，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(wěn)態(tài)（即合閘、分閘狀態(tài)）的轉(zhuǎn)換、大功率（瞬時功率達千kW級）控制基礎(chǔ)上。當(dāng)然考慮到電力輸送的特殊性，可靠性應(yīng)始終放在第一位。

1　結(jié)構(gòu)原理　　新型液壓操動機構(gòu)配500kV雙斷口(50～63)kA落地罐式SF6超高壓二周波斷路器。根據(jù)工作需要液壓操動機構(gòu)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(tài)時具有自保持作用和防“失壓慢合”、“失壓慢分”的作用；
　　（2）應(yīng)滿足斷路器的固分、固合時間和分合閘速度特性等要求［1］。現(xiàn)所配斷路器要求固分時間不大于20ms，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(tǒng)過高的沖擊壓力而造成機構(gòu)的損壞；
　　（4）不允許有外泄漏，盡量減少內(nèi)泄，以降低補油泵向蓄能器補油的次數(shù)，提高系統(tǒng)可靠性，在分閘或合閘狀態(tài)額定油壓下，靜止24h，壓力下降不大于2.5MPa。
　　（5）在額定壓力下，分閘操作一次壓力下降不大于2.5MPa，合閘操作一次壓力下降不大于1.5MPa。
　　新型液壓操動機構(gòu)能滿足上述要求，其結(jié)構(gòu)原理見圖1。分合閘電信號分別通過分合閘電磁鐵驅(qū)動一級球閥，圖1　新型500kV超高壓斷路器液壓操動機構(gòu)原理圖控制壓力油經(jīng)一級閥驅(qū)動二級錐閥，再經(jīng)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(jié)構(gòu)。二級閥的設(shè)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(nèi)泄漏等原因產(chǎn)生誤分閘，也保證了系統(tǒng)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(jié)構(gòu)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(tǒng)最高瞬時流量達2000L/min以上。

2　仿真分析　　計算機仿真的目的是在產(chǎn)品制造前就能通過仿真預(yù)測產(chǎn)品的性能，并能了解系統(tǒng)中各個參數(shù)對性能的影響，尋找一組既能滿足工藝又能滿足系統(tǒng)性能要求的設(shè)計參數(shù)。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(tǒng)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(gòu)的數(shù)學(xué)模型，并進行了計算機仿真［2～4］，綜合分析仿真結(jié)果，可以得出：
　　（1）液壓操動機構(gòu)中，影響斷路器分閘速度性能的關(guān)鍵參數(shù)有系統(tǒng)壓力、液壓缸活塞直徑、三級閥的排油閥閥口系數(shù)及其最大限位值4個參數(shù)，應(yīng)綜合性能、結(jié)構(gòu)要求及動作可靠性等因素進行確定。
　　（2）在滿足斷路器結(jié)構(gòu)及強度的條件下，應(yīng)盡量降低包括負載在內(nèi)的液壓缸活塞質(zhì)量和負載力。
　　（3）由合閘性能要求決定的參數(shù)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(shù)、二、三級閥的阻尼系數(shù)。“軟量”對性能無明顯影響，是液壓操動機構(gòu)性能穩(wěn)定、可靠的保證。
　　（5）在工程設(shè)計范圍內(nèi)，二、三級閥的閥芯質(zhì)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(gòu)的性能，樣機在試驗臺上進行了性能測試。
　　圖2是系統(tǒng)壓力對固分時間和剛分速度影響的曲線。隨著系統(tǒng)壓力的增高，固分時間（曲線圖2　系統(tǒng)壓力對液壓操動機構(gòu)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(jié)果相符合。另外，由圖2中曲線3知，隨著系統(tǒng)壓力增高電磁鐵動作時間從5.5ms上升到6.5ms，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5.2ms下降到3.5ms，兩者相抵實際下降不足1ms，說明固分時間隨系統(tǒng)壓力提高而縮短，主要原因是系統(tǒng)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