蘇東海， 章申， 劉鑫

（沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110870）

高壓斷路器液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)對(duì)分閘過程動(dòng)態(tài)特性的影響

蘇東海， 章申， 劉鑫

（沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110870）

以某型高壓斷路器的液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)為研究對(duì)象，分析其分閘過程中的受力情況，建立分閘運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)模型，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行仿真，研究結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其動(dòng)態(tài)特性的影響，為設(shè)計(jì)高壓斷路器液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)提供理論依據(jù)。

高壓斷路器；液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)；數(shù)學(xué)模型；仿真；動(dòng)態(tài)特性

0 引 言

高壓斷路器，與電路中其他設(shè)備如電動(dòng)機(jī)、變壓器等相比成本要低廉很多，但是一旦斷路器發(fā)生故障，其所造成的損失，如導(dǎo)致電網(wǎng)中其他設(shè)備的損毀以及電力系統(tǒng)的故障，這比斷路器本身的價(jià)值要大得多。而液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)是高壓斷路器最重要的組成部分之一，它的性能是高壓斷路器的重要指標(biāo)，是電網(wǎng)是否能正常運(yùn)行、電網(wǎng)中其他設(shè)備是否能安全工作的重要保障。所以對(duì)高壓斷路器液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)的研究具有十分重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。

某型高壓斷路器是一種新型斷路器，它創(chuàng)新地使用了外套集成式液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)，各液壓模塊、組件串套在工作缸體上布置，主缸體件形狀簡(jiǎn)單，總體外形小，密封點(diǎn)少，制造精度要求不高，主缸體與串裝組件在動(dòng)作時(shí)的無慣性錯(cuò)動(dòng)，液壓模塊組件均可采用普通結(jié)構(gòu)鋼即可，原材料費(fèi)用低，到處都有，且制造工藝簡(jiǎn)單。該型高壓斷路器具有結(jié)構(gòu)緊湊、安裝方便、體積小、重量輕、液壓油需求量小、泄漏量少等優(yōu)點(diǎn)。

本文以某型高壓斷路器的液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)為研究對(duì)象，討論其各個(gè)參數(shù)與運(yùn)行速度之間的關(guān)系，建立數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行仿真，歸納各個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)運(yùn)行速度的影響，為后續(xù)的分析和優(yōu)化提供理論依據(jù)。

1 構(gòu)建數(shù)學(xué)模型

如圖1所示為該機(jī)構(gòu)的液壓原理圖。在機(jī)構(gòu)收到分閘信號(hào)時(shí)，分閘電磁鐵得到合閘信號(hào)后，分閘電磁閥開啟，蓄能器內(nèi)的壓力油通過分閘電磁閥回油箱，主閥移至左位，液壓缸有桿腔高壓，無桿腔接入低壓，活塞桿向下運(yùn)動(dòng)完成分閘。

圖1 液壓原理圖

由于該型高壓斷路器液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)的儲(chǔ)能元件為碟形彈簧，而碟形彈簧的彈力與應(yīng)變呈非線性關(guān)系，較為復(fù)雜，不可將其直接做線性化處理，所以需針對(duì)碟形彈簧單獨(dú)建立數(shù)學(xué)模型。

1.1 建立碟形彈簧模型

該型高壓斷路器液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)采用8個(gè)相同的碟形彈簧，單個(gè)碟形彈簧的參數(shù)是：厚度t=14.4 mm，最大壓縮量h0=18 mm，當(dāng)壓縮量時(shí)f=0.75h0，彈力Pf=255 069 N。

碟形彈簧一般工程經(jīng)驗(yàn)公式為：

得出常量C的方程式：

將h0=18 mm，f=0.75h0，F(xiàn)=Pf=255 069 N代入，得到：

所以，得到單個(gè)碟形彈簧彈力F與壓縮量f的關(guān)系：

1.2 建立運(yùn)動(dòng)模型

彈簧蓄能器中，碟形彈簧輸出力FS作用在一個(gè)有效面積為S0的活塞上，則彈簧蓄能器輸出的壓力為

假設(shè)液壓缸有桿腔內(nèi)工作油壓為P，活塞有效面積為S，液壓缸輸出力為F，根據(jù)加速度定理可以列出方程：

根據(jù)流量方程可列出方程：

聯(lián)立式(5)、式(6)和式(7)得:

求解微分方程(8)，根據(jù)已知的初始條件t=0時(shí)，v=0,得出活塞運(yùn)動(dòng)速度與各結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系為：

1.3 建立緩沖階段模型

圖2 階梯形柱塞緩沖器

圖2所示為活塞桿上的階梯形柱塞緩沖器，其優(yōu)點(diǎn)是加工方便，緩沖制動(dòng)時(shí)間短。當(dāng)活塞桿運(yùn)動(dòng)到一定位置時(shí)，緩沖器開始產(chǎn)生作用，使活塞桿在很短的時(shí)間內(nèi)停止運(yùn)動(dòng)。

假設(shè)液壓缸有桿腔內(nèi)工作油壓為P，活塞有效面積為S，液壓缸輸出力為F，液壓油緩沖背壓為P1，緩沖行程為x，緩沖階段初始速度為v0，則可列出方程：

根據(jù)加速度定理可以列出方程：

此時(shí)流量方程為。

其中，Δp=P。

聯(lián)立式（10）、式（11）和式（12）得:

求解微分方程（13），假設(shè)加速階段結(jié)束時(shí)，速度為v0，則初始條件為t=0時(shí),v=v0，得出活塞運(yùn)動(dòng)速度與各參數(shù)之間的關(guān)系為：

圖3 速度時(shí)間曲線

圖4 位移時(shí)間曲線

圖5 活塞直徑對(duì)速度曲線的影響

圖6 閥口過流間隙對(duì)速度曲線的影響

2 仿真

2.1 無緩沖階段仿真

通過公式（9）對(duì)無緩沖階段運(yùn)動(dòng)過程在Simulink中進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性仿真，得到結(jié)果如圖3～圖6所示。

圖3所示為活塞速度-時(shí)間曲線。從圖中發(fā)現(xiàn)，該曲線初始階段，是以較大且?guī)缀鹾愣ǖ募铀俣燃铀?，到接?點(diǎn)處加速度降低，并于1點(diǎn)處達(dá)到速度的峰值。1點(diǎn)過后開始減速。在斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，為獲得足夠大的剛分速度與加速度，選取的結(jié)構(gòu)參數(shù)應(yīng)保證使最大速度點(diǎn)落在1點(diǎn)之前。

圖4所示為活塞的位移-時(shí)間曲線，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，活塞可以迅速移動(dòng)至100 mm左右的位置，之后加速度就相對(duì)放緩，所以在設(shè)計(jì)操動(dòng)機(jī)構(gòu)時(shí)，盡量將額定行程控制在100 mm之內(nèi)，以便得到更高的性能。

圖5所示為控制變量法分析活塞直徑對(duì)速度特性的影響，可以發(fā)現(xiàn)，在其他條件不變的情況下，活塞直徑越大，受力面積越大，活塞的加速度越大，能越早達(dá)到速度峰值。但是，由于活塞越大，所受到的背壓也越大，所以導(dǎo)致最大速度越小。

圖6所示為控制變量法分析閥口過流間隙對(duì)速度特性曲線的影響，可以發(fā)現(xiàn)，在其他條件不變的情況下，閥口過流間隙對(duì)加速度影響很小，在初始的一段時(shí)間內(nèi)，4條曲線以幾乎同樣的斜率上升，表明此時(shí)4種情況下的加速度幾乎一致。但是，閥口過流間隙影響著最大極限速度，間隙越大，所能達(dá)到的最大極限速度越大，同時(shí)，達(dá)到最大極限速度所需的時(shí)間就越長(zhǎng)。

圖7 阻尼器位置對(duì)活塞位移的影響

圖8 速度時(shí)間曲線

圖9 位移時(shí)間曲線

2.2 分閘過程仿真

通過式(9)和式(14)對(duì)整個(gè)分閘運(yùn)動(dòng)過程在Simulink中進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性仿真，得到結(jié)果如圖7～圖9所示。

圖7所示為控制變量法分析阻尼器位置對(duì)活塞位移的影響?？梢园l(fā)現(xiàn)，在其他條件不變的情況下，無緩沖階段運(yùn)動(dòng)的距離越短，活塞整體運(yùn)動(dòng)的距離越短，因?yàn)榛钊皆邕M(jìn)入緩沖階段，其自身的能量越小，在緩沖器的作用下，便會(huì)越早停止運(yùn)動(dòng)。所以無緩沖階段運(yùn)動(dòng)的距離能影響整個(gè)運(yùn)動(dòng)的行程。

圖8和圖9所示為最終的活塞的速度-時(shí)間曲線和位移-時(shí)間曲線，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，活塞在14 s左右進(jìn)入緩沖階段，并在16 s左右達(dá)到預(yù)定位置，與設(shè)計(jì)要求相符合。

3 結(jié)論

針對(duì)某型高壓斷路器液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)建立動(dòng)態(tài)特性數(shù)學(xué)模型，并模擬仿真。得到分閘過程的速度-時(shí)間曲線和位移-時(shí)間曲線。采用控制變量法，得到了活塞面積以及閥口過流間隙對(duì)動(dòng)態(tài)特性的影響以及活塞無緩沖運(yùn)動(dòng)長(zhǎng)度對(duì)活塞整體位移的影響。為后續(xù)的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供了理論依據(jù)。

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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

遼寧省高等學(xué)校優(yōu)秀科技人才支持計(jì)劃項(xiàng)目（LR2012004）

（編輯昊 天）

蘇東海（1964—），男，博士，教授，研究方向?yàn)榱黧w傳動(dòng)與控制；

章申（1992—），男，碩士，研究方向?yàn)榱黧w機(jī)械及工程。

2017-03-08