基于AMESim的特高壓斷路器管道系統(tǒng)壓力波動

賴奇暐　巫世晶　張增磊　胡基才

武漢大學，武漢，430072

基于AMESim的特高壓斷路器管道系統(tǒng)壓力波動

賴奇暐巫世晶張增磊胡基才

武漢大學，武漢，430072

針對特高壓斷路器管道系統(tǒng)中產(chǎn)生的液壓沖擊波對操動系統(tǒng)運行的影響，以蓄能器及其管道系統(tǒng)作為研究對象，在分析其壓力波動產(chǎn)生機理的基礎上，確立了管道子模型的選取原則，應用AMESim軟件建立了液壓系統(tǒng)的綜合仿真模型，對模型進行求解后得到了液壓管道的壓力波動特性，同時分析了管道長度和內(nèi)徑對壓力波動幅度的影響。研究結(jié)果表明：現(xiàn)有管道系統(tǒng)的壓力波動幅度較大，不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定運行；對管道長度和內(nèi)徑組合進行優(yōu)化設計后，壓力波動的降幅在50%以上。所采用的研究方法對特高壓斷路器管道系統(tǒng)的優(yōu)化設計具有參考價值。

管道系統(tǒng)；壓力波動；參數(shù)優(yōu)化；特高壓斷路器

0　引言

特高壓斷路器作為電力系統(tǒng)中最重要、最復雜的電氣開關設備之一，起到控制特高壓輸電設備可靠、高效、安全運行的作用。特高壓斷路器操動機構(gòu)具有傳遞功率大、動作速度快等特點，因此大功率特高壓斷路器大部分采用液壓操動機構(gòu)來保證其工作可靠性。在特高壓斷路器進行分合閘時，由于分合閘極短的額定時間會導致合閘速度高達5 m/s，分閘速度甚至高達12.5 m/s，液壓操動機構(gòu)系統(tǒng)中管路流量會突然變化，從而引發(fā)壓力的劇烈變化，液壓沖擊波在管路中的來回傳播會直接影響系統(tǒng)管接頭的鏈接和密封件的保護，從而影響系統(tǒng)的可靠性。同時，管道油液額定壓力高達32.6 MPa，若動態(tài)壓力小于額定壓力、蓄能器的壓力減小將會導致分合閘閉鎖現(xiàn)象，導致斷路器無法正常工作。因此，需要對液壓管路沖擊波的產(chǎn)生機理、動態(tài)特性進行分析，并提出相關改進措施，從而減少甚至避免誤動作的出現(xiàn)[1-3]。

文獻[4]用節(jié)點法建立了液壓回路數(shù)學模型，根據(jù)容腔節(jié)點表征回路壓力變化。文獻[5]采用分布參數(shù)模型的近似思想，針對鋼制圓形液壓管路建立集中參數(shù)的動態(tài)模型，計算管道脈沖響應與流量波動響應。文獻[6]利用MATLAB Simulink中的SELCETOR模塊來求解時間和空間域上的二維偏微分方程，計算管道中壓力脈動動態(tài)響應特性。文獻[7]利用無窮乘積法建立了管路流體流動數(shù)學模型，對管路系統(tǒng)進行動態(tài)特性仿真。文獻[8]采用差分與特征線法編程計算的方法來研究壓管道水擊強度。上述文獻采用不同方法對管道壓力波動特性進行建模分析，僅僅針對孤立的液壓管道系統(tǒng)，未充分考慮液壓系統(tǒng)中其他元件對管道壓力波動的影響。同時，管道的復雜程度對液壓系統(tǒng)波動效應的影響也未能得到考慮。因此，為了更好地對管道壓力波動特性進行研究，在管道壓力波動數(shù)學模型的基礎上需要針對不同管道的特點進行具體建模，并需要考慮系統(tǒng)中其他構(gòu)件的綜合影響。

本文以1100 kV特高壓斷路器液壓操動機構(gòu)為研究對象，在分析管道壓力波動產(chǎn)生機理的基礎上，建立了液壓管道系統(tǒng)的AMESim綜合仿真模型，并對蓄能器出口到主閥的4條管路的壓力波動特性進行綜合分析，最終通過管道的組合優(yōu)化來減小壓力波動，提高液壓系統(tǒng)運行的可靠性。

1　管道壓力波動基本方程

管道內(nèi)壓力波動主要由水擊現(xiàn)象引起，是一種特殊的非恒定流。當前主流水擊理論主要是基于一維非恒定的基本微分方程組，在處理后得到能解決水擊問題的基本方程[9-10]。在管道中選取微小流段，如圖1所示。圖中，A為1-1截面的面積，m2；v為流速，m/s；ρ為液體密度，kg/m3；t為時間。假定管道為線性變形且是小變形的材料，液體的密度相對變化量較小，根據(jù)質(zhì)量守恒原理，可得非定常流連續(xù)性方程：

(1)

圖1　水擊連續(xù)性方程推導示意圖

由于工程上常使用水頭H，將式(1)整理并改寫成用水頭H表示的方程：

(2)

式中，c為波速，m/s；α為x軸與水平面的夾角。

(3)

式(2)與式(3)為管道非定常流連續(xù)性方程的使用形式，主要考慮了液體的壓縮性與管壁的彈性變形。

(4)

在總流中取長為dx的微小流段作為隔離體，坐標軸x的方向與液體流動方向一致，如圖2所示。

圖2　水擊運動方程推導示意圖

(5)

考慮壓力與水頭的關系，將水利坡度關系式代入式(5)，得到水擊運動方程：

(6)

式中，D為管道內(nèi)徑，mm。

(7)

2　管道系統(tǒng)仿真模型

AMESim軟件中根據(jù)管道長細比以及黏性系數(shù)的大小，提供了23種管道模型，主要涉及3種流體現(xiàn)象：Compressibility(C容性)，用于計算壓力；Friction(R阻性)，用于計算沿程壓力損失；Inertia(I慣性)，用于計算波動效應[11]。一般來說，管道模型越復雜，計算結(jié)果越精確。但復雜的管道模型可能與其他模型發(fā)生沖突而導致計算速度變慢甚至計算失敗，因此應該根據(jù)實際結(jié)果合理選擇管道模型。在AMESim的管道模型中，需要著重考慮以下3個參數(shù)：

(1)長細比Aratio=L/D。其中，L為管長，mm。該參數(shù)用來判斷管路的幾何特征是短粗管還是長細管[12]。

(2)波動傳播時間Twave=L/a。其中，a為聲速，取340 m/s。Twave通常與計算時間步長Tcount相比較，Tcount表示關心的頻率范圍，用比較的結(jié)果來決定是否要考慮波動效應。如果該時間小于仿真設定的通訊時間(communication interva，即所需要的采樣時間)，則沒有必要選擇考慮波動效應的模型，Twave的計算公式為

Twave=L/c

(8)

(9)

式中，β為液體體積彈性模量，MPa。

所研究的對象模型中，油液為10號航空油，其密度ρ=850 kg/m3，體積彈性模量β=850 MPa，得波速c=1 km/s。

(3)黏性影響度Ndiss計算公式為

Ndiss=4Lu/(aD2)

(10)

其中，u是液體的動力黏度，Pa·s；當Ndiss>1時，其他影響因素與黏性相比就不是很重要了。管道建模具體依據(jù)如圖3所示。

圖3　管道建模依據(jù)

本文研究對象為特高壓斷路器液壓操動機構(gòu)，其結(jié)構(gòu)布局簡圖見圖4。主要研究的管道為蓄能器出口至控制閥入口的幾條管道。其中，管道1、管道2與另一蓄能器出口兩根管道對稱分布，管道3為液壓缸缸壁上的一段很長的通道；管道4為進入主閥的一段較短的管道。

圖4　液壓操動機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡圖

通過分析計算，4條主要管道的長細比均小于6，黏性影響度都大于1，因此管道均采用集中參數(shù)模型建立。同時考慮AMESim管道模型的特性，最終管道模型選擇如下：管道1選擇模型HL03，管道2、管道4選擇模型HL01，管道3選擇模型HL07。依據(jù)上述理論分析，以某超高壓斷路器的分閘動作為例，建立的AMESim系統(tǒng)綜合仿真模型如圖5所示。

圖5　液壓操動機構(gòu)AMESim綜合仿真模型

3　計算結(jié)果及分析

對圖5所示的計算模型進行求解，求解器選擇AMESim中的動力學標準自動變步長積分器，誤差類型為混合型，收斂容差為10-5，輸出打印間隔為10-6，仿真總時間為0.2 s。最后計算得到4條管道的端口壓力波動結(jié)果如圖6所示。

圖6　各管道端口壓力波動曲線

由圖6可以看出，壓力波動使得管道內(nèi)的油液壓力不斷振蕩，且具有較大的振幅，其中管道4的壓力波動最為嚴重，波動峰值最高為33 MPa，最低為31 MPa。管道4為主閥入口處的管道，表明主閥處的壓力波動最大，而主閥位于所研究的管道下游，這與理論分析的結(jié)果基本一致。

在已建立的管道模型基礎上，通過對管道長度以及管道內(nèi)徑這兩個主要參數(shù)進行變參分析來研究其對管道的壓力波動的影響。

3.1管道長度的影響分析

3.1.1對管道3、管道4進行長度方案設計

在保證管道總長不變的情況下，對管道3、管道4進行長度方案設計，見表1。

表1　管道3和管道4的長度設計方案　mm

通過仿真計算得到管道4的壓力波動在不同設計方案下的對比結(jié)果如圖7所示。

圖7　4種設計方案下管道4端口壓力的波動情況對比(一)

從圖7可以看出，方案2的壓力波動最大壓力值小于原方案，最小壓力值大于原方案，使得波動的壓力區(qū)間減小，并且方案2壓力波動的衰減明顯快于其他方案，因此方案2對于減小壓力波動有較好的效果。4種方案的壓力波動對比結(jié)果見表2。

表24種設計方案下壓力波動對比(一)

MPa

3.1.2對管道1、管道2進行長度方案設計

在保證管道總長不變的情況下，對管道1、管道2進行長度方案設計，見表3。

表3　管道1和管道2的長度設計方案　mm

通過仿真計算得到管道4的壓力波動在不同設計方案下的對比結(jié)果，如圖8所示。

圖8　4種設計方案下管道4端口壓力的波動情況對比(二)

由圖8可以看出，方案4的最大壓力值小于原方案，最小壓力值大于原方案，壓力變化區(qū)間減小，并且方案4壓力波動衰減明顯快于其他方案，因此在保證總長不變的情況下延長管道1和管道2、縮短管道3和管道4對減小壓力波動有明顯作用。4種方案的壓力波動峰值與原方案對比結(jié)果見表4。

表4　4種設計方案下壓力波動對比(二) MPa

3.2管道內(nèi)徑的影響分析

對4根管道進行內(nèi)徑方案設計，見表5。

表5　改變管徑的設計方案　mm

通過仿真計算得到5種不同設計方案下管道4的壓力波動的對比結(jié)果，如圖9所示。

圖9　5種設計方案下管道4端口壓力的波動情況對比

由圖9可以看出，除原方案外，壓力波動曲線基本重合。說明對管道1、管道2進行內(nèi)徑調(diào)整對管道波動情況影響不大，主要影響仍在管道3、管道4的內(nèi)徑上。在擴大管道3、管道4內(nèi)徑的基礎上能有效減小管道壓力波動情況，而管道1、管道2的內(nèi)徑則可根據(jù)實際情況選擇。壓力波動的對比見表6。

表6　5種設計方案下壓力波動對比　MPa

以上結(jié)果表明，適當增大管道3、管道4的內(nèi)徑，能有效減小管道的壓力波動。由此得出，主要管道內(nèi)徑設計得越大，動態(tài)壓力的最大值越小，波動越平緩。

3.3管道優(yōu)化方案設計

通過管道長度和直徑的變參數(shù)分析，發(fā)現(xiàn)管道3和管道4的長度和直徑對系統(tǒng)壓力波動的影響最大，筆者在參數(shù)分析的基礎上設計了多種優(yōu)化方案，可以有效地減小系統(tǒng)的壓力波動。

通過對管道3、管道4的長度、內(nèi)徑進行變參分析，得出一組最優(yōu)優(yōu)化方案，即增加管道3長度、縮短管道4長度并增大兩條管道內(nèi)徑。與原方案進行結(jié)果對比，壓力波動曲線如圖10所示。

圖10　優(yōu)化設計方案壓力波動曲線對比

由圖10可以看出，優(yōu)化方案的壓力波動幅度為1.501 MPa，壓力波動幅度降低為原方案的57.66%，且壓力波動的衰減快于原方案。

4　結(jié)語

本文基于AMESim液壓系統(tǒng)仿真平臺對特高壓斷路器的管道系統(tǒng)進行壓力波動研究。通過管道子模型的合理選取，運用液壓系統(tǒng)綜合仿真的方法研究了從蓄能器出口到主閥的4條管道壓力波動的特性。通過變參數(shù)分析，得到了管道長度和內(nèi)徑變化對壓力波動影響的量化結(jié)果，通過對液壓系統(tǒng)中長管道的縮短和短管道的加長、增大管道內(nèi)徑的合理組合方式有效地降低了壓力波動幅度，降低幅度超過50%。運用液壓系統(tǒng)綜合建模的方法，通過管長和內(nèi)徑組合優(yōu)化設計，對有效地降低液壓管道的壓力波動幅度具有一定的工程實用價值。

[1]范舜.高壓斷路器液壓操動機構(gòu)[M].北京：機械工業(yè)出版社，1999.

[2]Yoshioka Y.Present Status of Power Circuit Breaker and Its Future[J].IEE J. Transactions on Power and Energy, 2006，126(7): 653-656.

[3]劉偉，楊華勇，徐兵，等.高壓斷路器液壓操動機構(gòu)管道特性研究[J].農(nóng)業(yè)機械學報，2010,41(1):182-187.

Liu Wei, Yang Huayong, Xu Bing,et al.Pipe Characteristics of High Voltage Circuit Breaker with Hydraulic Operating Mechanism[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Machinery, 2010,41(1): 182-187.

[4]高欽和.SIMULINK在液壓回路動態(tài)特性仿真中的應用[C]//全國第二屆DSP應用技術學術會議論文.北京，2004: 406-408.

[5]高欽和, 黃先祥, 郭曉松.機液一體化系統(tǒng)中液壓管路動態(tài)特性的建模與仿真研究[J].中國機械工程，2003, 14(10): 823-825.

Gao Qinhe, Huang Xianxiang, Guo Xiaosong.Research on Dynamic Modeling and Simulation of Fluid-transmission Line in Hydraulic-driven System[J].China Mechanical Engineering, 2003,14(10):823-825.

[6]李松晶,鮑文.采用 MATLAB Simulink 的液壓管路瞬態(tài)壓力脈動分析[J].工程力學，2006, 23(9): 184-188.

Li Songjing, Bao Wen.Analysis of Transient Hydraulic Pressure Pulsation in Pipelines Using MATLAB Simulink[J].Engineering Mechanics,2006,23(9): 194-188.

[7]張洪.基于 MATLAB 的液壓管路動態(tài)特性的仿真[J]. 液壓與氣動，2003(9): 28-30.

Zhang Hong.The Simulation for the Dynamic Character of the Hydraulic Pipe Based on MATLAB[J].Chinese Hydraulics & Pneumatics, 2003(9):28-30.

[8]葉達忠,唐新發(fā).特征線法速算有壓管道的水擊強度及其曲線繪制[J].大眾科技, 2009(12): 125-126.

Ye Dazhong, Tang Xinfa.Rapid Calculation of Intensity of Water Hammer in Pressure Pipeline Based on Characteristics Method and Curve Plotting[J].Da Zhong Ke Ji, 2009(12): 125-126.

[9]吳持恭.水力學(下冊)[M].北京：高等教育出版社，2003.

[10]齊鄂榮，曾玉紅.工程流體力學[M]. 武漢：武漢大學出版社，2005.

[11]車學科.液體推進劑供應管道動態(tài)特性研究[D].長沙：國防科學技術大學，2005.

[12]劉鵬.一種氣液聯(lián)合式破碎錘工作性能的建模與仿真研究[D].長沙：中南大學，2012.

(編輯陳勇)

Analysis of Pressure Fluctuation in UHV Breaker Hydraulic Pipeline Based on AMESim

Lai QiweiWu ShijingZhang ZengleiHu Jicai

Wuhan University，Wuhan，430072

With the purpose of settling the impact of hydraulic shock in hydraulic operating system of UHV breaker, energy accumulator and its hydraulic pipeline system served as the research objects. Based on the analysis of pressure fluctuation mechanism，principles of selecting sub-model of pipeline were established. With the simulation of comprehensive model of the hydraulic system using software AMESim, characteristics of pressure fluctuation in the hydraulic pipeline was obtained. Meanwhile，impacts of length and diameter of pipeline on pressure fluctuation were analyzed. The results show that the existing pressure fluctuation amplitude is large, which is not conducive to the stable operation of the system. After combinatorial optimization of length and diameter of pipeline, pressure fluctuation is reduced by over 50%. The adopted research methods have certain theoretical guidance and practical value to optimal design of pipeline system in UHV breaker.

hydraulic pipeline system；pressure fluctuation；parameter optimization；ultra high voltage(UHV) breaker

2014-05-07

國家自然科學基金資助項目(51375350)；湖北省科技廳重點資助項目(2011132094)；國家電網(wǎng)公司科技項目(208239881)

TH137DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2015.07.002

賴奇暐，男，1991年生。武漢大學動力與機械學院博士研究生。主要研究方向為機電液復合傳動、機械動力學。巫世晶，男，1963年生。武漢大學動力與機械學院教授、博士研究生導師。張增磊，男，1987年生。武漢大學動力與機械學院博士研究生。胡基才，男，1962年生。武漢大學動力與機械學院副教授。