高壓斷路器自衛(wèi)延時(shí)閥的研究

張建卓　杜之淳　王　潔　隋　心

1.遼寧工程技術(shù)大學(xué)，阜新，1230002.大連理工大學(xué)，大連，116024

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高壓斷路器自衛(wèi)延時(shí)閥的研究

張建卓1杜之淳1王潔1隋心2

1.遼寧工程技術(shù)大學(xué)，阜新，1230002.大連理工大學(xué)，大連，116024

摘要：為保證高壓輸電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，高壓斷路器需要具備自衛(wèi)延時(shí)功能，現(xiàn)有高壓斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)自衛(wèi)延時(shí)是通過(guò)輔助開(kāi)關(guān)、時(shí)間繼電器等方式實(shí)現(xiàn)的,存在延時(shí)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、可靠性差等問(wèn)題，為此，提出了一種基于操動(dòng)機(jī)構(gòu)自身液壓系統(tǒng)的延時(shí)機(jī)構(gòu)，通過(guò)調(diào)整延時(shí)閥閥芯運(yùn)動(dòng)位移實(shí)現(xiàn)延時(shí)時(shí)間的無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)。采用優(yōu)化設(shè)計(jì)和正交仿真試驗(yàn)的方法對(duì)其結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，根據(jù)優(yōu)化結(jié)果加工兩臺(tái)試驗(yàn)樣機(jī)并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)測(cè)得延時(shí)時(shí)間范圍是41.6～59 ms，能夠滿足電網(wǎng)安全運(yùn)行要求。

關(guān)鍵詞：高壓斷路器；自衛(wèi)能力；延時(shí)閥組；優(yōu)化設(shè)計(jì)；正交試驗(yàn)

0引言

斷路器是高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備中最重要的組成部分，承擔(dān)著控制和保護(hù)的雙重任務(wù)[1-4]。斷路器的自衛(wèi)延時(shí)就是重合閘過(guò)程中觸頭從閉合到第二次分開(kāi)有一定時(shí)間,使得滅弧室的工況有充分的時(shí)間由合閘過(guò)程轉(zhuǎn)變?yōu)榉珠l前所需要的狀態(tài)。國(guó)家電網(wǎng)使用的超高壓斷路器曾因時(shí)間不夠?qū)е聰嚅_(kāi)失敗[5]，根據(jù)《電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導(dǎo)則》(DL/T755-2001)及有關(guān)規(guī)定要求，斷路器合-分時(shí)間的設(shè)計(jì)要求值一般取50±10ms[6]。

目前實(shí)現(xiàn)自衛(wèi)延時(shí)有兩種方法：一種是在合閘回路通過(guò)時(shí)間繼電器實(shí)現(xiàn)延時(shí)功能，但是其延時(shí)控制回路比較復(fù)雜，且時(shí)間繼電器的電氣特性直接關(guān)系到斷路器的工作性能，實(shí)際工作中還存在斷路器動(dòng)作時(shí)間與繼電保護(hù)裝置動(dòng)作時(shí)間配合不當(dāng)?shù)膯?wèn)題[7]；另一種是利用輔助開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)，輔助開(kāi)關(guān)是一種能夠使自衛(wèi)延時(shí)時(shí)間得到較好控制的機(jī)構(gòu)[8-9]，其動(dòng)作過(guò)程包括主動(dòng)卡片動(dòng)作過(guò)程和從動(dòng)卡片動(dòng)作過(guò)程(延時(shí)運(yùn)動(dòng)過(guò)程)[10-13]。

為了獲得高穩(wěn)定性延時(shí)機(jī)構(gòu)，簡(jiǎn)化延時(shí)操作機(jī)構(gòu)，降低故障率，提高系統(tǒng)安全穩(wěn)定性，最好的方式是通過(guò)斷路器自身結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)?；诖?，本文提出了一種新的基于操動(dòng)機(jī)構(gòu)自身液壓系統(tǒng)的延時(shí)結(jié)構(gòu)，并實(shí)現(xiàn)延時(shí)時(shí)間的無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)。

1斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)原理

高壓斷路器液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)工作原理如圖1所示。該彈簧液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)屬于高速大功率雙穩(wěn)態(tài)電液驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，有合閘、分閘兩種工作狀態(tài)，延時(shí)功能由二級(jí)控制閥實(shí)現(xiàn)。

1.主工作缸　2.主閥　3.逆止閥　4.分閘先導(dǎo)閥 5.合閘先導(dǎo)閥　6.延時(shí)閥　7.溢流閥 8.高壓?jiǎn)沃谩?.蓄能器圖1　液壓操動(dòng)系統(tǒng)原理示意圖

操動(dòng)機(jī)構(gòu)工作時(shí)高壓?jiǎn)沃?向蓄能器9儲(chǔ)液，當(dāng)蓄能器9達(dá)到額定工作壓力時(shí)，電機(jī)停止工作；蓄能器9壓力下降時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)補(bǔ)壓，時(shí)刻保持壓力穩(wěn)定。蓄能器9為液壓系統(tǒng)提供工作恒壓油源，保證主工作缸1的有桿腔和延時(shí)閥芯的環(huán)形腔始終保持高壓。當(dāng)合閘先導(dǎo)閥5通電時(shí)，左閥位接入系統(tǒng)，高壓油經(jīng)由逆止閥3推動(dòng)主閥2的閥芯左移，右閥位導(dǎo)通，高壓油經(jīng)由主閥2進(jìn)入主工作缸1的活塞腔，此時(shí)主工作缸1的活塞桿受到向左的合力，推動(dòng)操動(dòng)機(jī)構(gòu)快速伸出，實(shí)現(xiàn)斷路器合閘動(dòng)作；與此同時(shí)，高壓油經(jīng)阻尼孔流入延時(shí)閥6閥芯的左端面，延時(shí)閥閥芯向右移動(dòng)。當(dāng)分閘先導(dǎo)閥4通電時(shí)，左閥位接入系統(tǒng)，此時(shí)主閥2的b油路和油箱連通，主閥2閥芯右移而工作在左閥位，使得主工作缸1的活塞腔與油箱連通，主工作缸1的活塞受到向右的合力，帶動(dòng)操動(dòng)機(jī)構(gòu)迅速縮回，實(shí)現(xiàn)斷路器分閘。

斷路器進(jìn)行重合閘操作時(shí)，合閘先導(dǎo)閥5一直處于合閘位置，當(dāng)輸電線路出現(xiàn)故障時(shí)分閘先導(dǎo)閥4通電，斷路器進(jìn)行分閘動(dòng)作。分閘后再次進(jìn)行重合閘，在合閘過(guò)程中如果分閘信號(hào)消失，斷路器合閘并保持合閘狀態(tài)；如果分閘信號(hào)仍然存在，此時(shí)只有當(dāng)延時(shí)閥6的閥芯運(yùn)動(dòng)到指定位置，分閘先導(dǎo)閥4才能與油箱連通，斷路器完成分閘動(dòng)作。

2延時(shí)閥結(jié)構(gòu)及優(yōu)化設(shè)計(jì)

基于操動(dòng)機(jī)構(gòu)自身液壓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)斷路器自衛(wèi)延時(shí)功能的控制閥結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.閥套環(huán)形縫隙　2.主閥　3.閥套(簡(jiǎn)化)　4.細(xì)長(zhǎng)管 5.延時(shí)調(diào)整桿　6.延時(shí)閥桿小孔　7.細(xì)長(zhǎng)孔 8.延時(shí)閥芯左端面　9.高壓油入口　10.延時(shí)閥芯 11.低壓油出口　12.壓板　13.延時(shí)閥套　14.主閥芯回油圖2　延時(shí)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)原理圖

合閘信號(hào)發(fā)出時(shí)，高壓油進(jìn)入主工作缸的活塞腔，操動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)合閘動(dòng)作，與此同時(shí)高壓油經(jīng)入口9進(jìn)入環(huán)形縫隙1，經(jīng)細(xì)長(zhǎng)管4、延時(shí)調(diào)整桿小孔6和細(xì)長(zhǎng)孔7到達(dá)延時(shí)閥芯左端面8，此時(shí)延時(shí)閥芯受到向右的合力，推動(dòng)延時(shí)閥芯10向右移動(dòng)，延時(shí)閥芯10運(yùn)動(dòng)的時(shí)間即為延時(shí)時(shí)間。只有當(dāng)延時(shí)閥芯移動(dòng)到指定位置處，主閥芯回油14和低壓油回油11接通，此時(shí)出現(xiàn)分閘信號(hào)才能使操動(dòng)機(jī)構(gòu)主閥換向，主工作缸的活塞腔與油箱接通，實(shí)現(xiàn)斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)分閘，這樣就保證操動(dòng)機(jī)構(gòu)不會(huì)在未合閘到位前就出現(xiàn)分閘的動(dòng)作。

由上述分析可知，延時(shí)閥芯的運(yùn)動(dòng)時(shí)間即為延時(shí)時(shí)間，影響閥芯運(yùn)動(dòng)時(shí)間有兩個(gè)因素，即延時(shí)閥芯10的運(yùn)動(dòng)位移范圍和運(yùn)動(dòng)速度。而這兩個(gè)因素主要取決于延時(shí)調(diào)整桿5的結(jié)構(gòu)參數(shù)。延時(shí)調(diào)整桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)首先確定理論最優(yōu)解，再通過(guò)正交仿真試驗(yàn)確定最優(yōu)解，最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

2.1優(yōu)化設(shè)計(jì)

首先建立時(shí)間差值的目標(biāo)函數(shù)。操動(dòng)機(jī)構(gòu)延時(shí)時(shí)間設(shè)計(jì)范圍是40ms至60ms。以延時(shí)閥芯位移在最大值時(shí)為例進(jìn)行分析，延時(shí)調(diào)整桿的優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題歸結(jié)為延時(shí)閥芯運(yùn)動(dòng)時(shí)間與要求合-分上限時(shí)間60ms的絕對(duì)值最小。建立目標(biāo)函數(shù)如下：

f(d3，l3，n，d4，l4)=

式中，l1為環(huán)形縫隙1的長(zhǎng)度，mm；d1為環(huán)形縫隙1內(nèi)圓柱體直徑，mm；h1為環(huán)形縫隙1厚度，mm；l2為細(xì)長(zhǎng)管4的長(zhǎng)度，mm；d2為細(xì)長(zhǎng)管4的直徑，mm；d5為延時(shí)閥芯10左端面的直徑，mm；d6為延時(shí)閥芯10右端面的直徑，mm；l7為延時(shí)閥芯10節(jié)流口的長(zhǎng)度，mm；d7為延時(shí)閥芯10節(jié)流口的直徑，mm；p為延時(shí)閥芯左端面8的壓力，MPa；μ為液壓油的動(dòng)力黏度，Pa·s；s為延時(shí)閥芯10運(yùn)動(dòng)的位移，mm；n為延時(shí)閥桿小孔6的個(gè)數(shù)；d3為延時(shí)閥桿小孔6的直徑，mm；l3為延時(shí)閥桿小孔6的長(zhǎng)度，mm；l4為延時(shí)閥桿細(xì)長(zhǎng)孔7的長(zhǎng)度，mm；d4為延時(shí)閥桿細(xì)長(zhǎng)孔7的直徑，mm。

由于閥體結(jié)構(gòu)限制，l1、d1、h1、l2、d2、d5、d6、l7、d7、p、μ、s為已知常量，在設(shè)計(jì)過(guò)程中保持不變。5個(gè)設(shè)計(jì)變量分別為：n、d3、l3、l4、d4。

目標(biāo)函數(shù)中有5個(gè)設(shè)計(jì)變量，這是五維非線性優(yōu)化問(wèn)題，采用復(fù)合形法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)[14-15]，利用MATLAB提供的復(fù)合形法程序中的兩個(gè)函數(shù)進(jìn)行計(jì)算:主函數(shù)opt_complex完成初始可行點(diǎn)、復(fù)合形形心及反射、延伸、收縮等計(jì)算；函數(shù)gen_complex根據(jù)初始可行點(diǎn)產(chǎn)生復(fù)合形[11]。優(yōu)化計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1　優(yōu)化結(jié)果　mm

上述優(yōu)化計(jì)算目標(biāo)函數(shù)是在理想簡(jiǎn)化模型情況下進(jìn)行的，忽略了渦流等因素。以表1的優(yōu)化結(jié)果作為一個(gè)參考點(diǎn)，小孔的個(gè)數(shù)保持4個(gè)不變化，采用正交仿真試驗(yàn)的方法對(duì)其余4個(gè)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化得到最優(yōu)值。

2.2正交試驗(yàn)

設(shè)計(jì)變量取d3、l3、d4、l4這4個(gè)因素，每個(gè)因素3個(gè)水平，正交試驗(yàn)的因素和水平如表2所示。

表2　因素和水平　mm

選用L27(313)正交表[16]，每個(gè)水平進(jìn)行9次試驗(yàn)，試驗(yàn)總次數(shù)為27，并查交互作用表，作出各因素及其交互作用的安排，試驗(yàn)采用虛擬仿真的方法進(jìn)行，在Inventor軟件里建立閥組的三維模型后導(dǎo)入到Simulation CFD中進(jìn)行流場(chǎng)分析。Simulation CFD 是一款進(jìn)行傳熱和流體流動(dòng)分析的計(jì)算流體力學(xué)(CFD)工具軟件。它可以進(jìn)行高速湍流與不可壓縮流，以及導(dǎo)熱與對(duì)流傳熱的三維仿真分析。液體參數(shù)按照10號(hào)液壓油標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置，采用壓力場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)的湍流模型求解。圖3為第11組試驗(yàn)的壓力云圖和速度云圖，圖4為圖3中從a點(diǎn)到b點(diǎn)的壓力變化曲線，出口壓力為29 MPa。圖5所示為圖3中c-c截面速度變化曲線，出口平均流速為197 m/s。計(jì)算出延時(shí)閥芯運(yùn)動(dòng)的平均速度，進(jìn)而計(jì)算出延時(shí)閥芯運(yùn)動(dòng)的時(shí)間為58.487 ms。

(a)壓力云圖　　　(b)速度云圖圖3　第11組試驗(yàn)壓力云圖和速度云圖

圖3中a到b的距離dab/mm圖4　圖3中從a點(diǎn)到b點(diǎn)的壓力變化曲線

圖3中c-c截面的距離dc-c/mm圖5　圖3中c-c截面速度變化曲線

所有的正交試驗(yàn)組按照相應(yīng)參數(shù)改變?nèi)S模型，并進(jìn)行仿真模擬，得到的虛擬仿真分析結(jié)果列于表3中。其中，Ki(i=1,2,3)表示各因素的第i個(gè)水平試驗(yàn)結(jié)果之和；Q為Ki的平方和除以各因素第i個(gè)水平試驗(yàn)次數(shù)得到的平均值；S為各因素的離差平方和，反映了某一因素的水平變化對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響程度。

表3　L27(313)試驗(yàn)正交表及分析結(jié)果

2.3正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的方差分析

將各因素平均離差平方和與誤差平均離差平方和之比，得出F值。F值的大小體現(xiàn)了各因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響程度的大小。給出檢驗(yàn)水平α為0.01，從F分布表[12]中查出臨界值F0.01(2,18)=6.01。將臨界值與表4中的FA、FB、FC、FD比較，得到A、B、D因素的影響不顯著，C因素的影響是高度顯著的結(jié)論，將上述分析計(jì)算概括地列成方差分析表，如表4所示。

表4　方差分析表

由表4分析結(jié)果可知，最優(yōu)方案為A2B2C2D3。但是這個(gè)最優(yōu)方案并未在已經(jīng)做過(guò)的27次試驗(yàn)中出現(xiàn)，而與之較為接近的是第11次試驗(yàn)，在第11次試驗(yàn)中只有因素B不是處在最好水平，但是因素B對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響是這4個(gè)因素中最小的。為了判定試驗(yàn)方案一(A2B2C2D3)和第11次試驗(yàn)方案二(A2B1C2D3)的優(yōu)劣，需進(jìn)行樣機(jī)實(shí)驗(yàn)對(duì)比測(cè)試。

3實(shí)驗(yàn)分析

建立斷路器操作機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，操動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)如圖6所示。按試驗(yàn)方案一(A2B2C2D3)、試驗(yàn)方案二(A2B1C2D3)加工延時(shí)調(diào)整桿進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

圖6　彈簧液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)

方案一重合閘測(cè)試實(shí)測(cè)曲線如圖7所示，方案二的重合閘測(cè)試實(shí)測(cè)曲線如圖8所示。

圖7　方案一重合閘測(cè)試實(shí)測(cè)曲線

圖8　方案二重合閘測(cè)試實(shí)測(cè)曲線

圖7中，合分閘延時(shí)時(shí)間為57 ms，與實(shí)際要求60 ms存在5%的誤差；圖8中，合分閘延時(shí)時(shí)間為59 ms，與實(shí)際要求60 ms存在1.6%的誤差。試驗(yàn)方案二的實(shí)測(cè)結(jié)果誤差為1.6%，可以滿足應(yīng)用要求。因此，最終確定實(shí)驗(yàn)方案二為最優(yōu)方案。

調(diào)節(jié)延時(shí)調(diào)整桿5(圖2)使得延時(shí)閥芯10(圖2)運(yùn)動(dòng)位移最小，再次進(jìn)行重合閘測(cè)試，所得曲線如圖9所示。從圖9中可以看出，它的合分閘延時(shí)時(shí)間為41.6 ms，與實(shí)際要求40 ms存在4%的誤差。這樣通過(guò)調(diào)節(jié)延時(shí)調(diào)整桿的位移可使合分閘延時(shí)時(shí)間在41.6～59 ms范圍內(nèi)無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)。

圖9　方案二延時(shí)閥芯位移最小時(shí)測(cè)試實(shí)測(cè)曲線

4結(jié)束語(yǔ)

提出了一種基于操動(dòng)機(jī)構(gòu)自身液壓系統(tǒng)的延時(shí)方法，通過(guò)控制閥組實(shí)現(xiàn)斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)的延時(shí)自衛(wèi)功能，并能實(shí)現(xiàn)延時(shí)時(shí)間的無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)。對(duì)延時(shí)閥組的關(guān)鍵元件延時(shí)閥桿進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，并通過(guò)正交仿真試驗(yàn)獲得優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。進(jìn)行樣機(jī)試制和實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，優(yōu)化設(shè)計(jì)的延時(shí)閥組能夠?qū)崿F(xiàn)延時(shí)功能且延時(shí)時(shí)間可實(shí)現(xiàn)無(wú)極調(diào)節(jié)。

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(編輯袁興玲)

收稿日期：2015-08-31

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51574140)

中圖分類(lèi)號(hào):TH123

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2016.12.018

作者簡(jiǎn)介：張建卓，男，1971年生。遼寧工程技術(shù)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教授。主要研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)/振動(dòng)控制工程、機(jī)電液一體化。發(fā)表論文30余篇。杜之淳，男，1988年生。遼寧工程技術(shù)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院碩士研究生。王潔， 女，1981年生。 遼寧工程技術(shù)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院講師。隋心，男，1994年生。大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院本科生。

StudyonSelfDefenseDelayValveofHighVoltageCircuitBreaker

ZhangJianzhuo1DuZhichun1WangJie1SuiXin2

1.LiaoningTechnologyUniversity，F(xiàn)uxin，Liaoning，123000 2.DalianUniversityofTechnology,Dalian,Liaoning,116024

Abstract:In order to ensure the safety and stable operation of high voltage transmission network, the high voltage circuit breaker needed to have the function of self defense delay. The existing high voltage circuit breakers realized this function by the auxiliary switch, time relay and other ways, but it resulted in the problems of structural complexity and low reliability. A new type of self defense delay structure was proposed herein based on the hydraulic system of the operating mechanism, which might adjust the time delay steplessly by adjusting the displacement of the self defense delay valve spool. The optimized design and orthogonal experiments were used to optimize the parameters of the structure. According to the optimized results, two experimental prototypes were processed and the experimental study was carried out. The measured results are in the range of 41.6～59 ms, which can meet the requirements of the safe operation of power grid.

Key words:high voltage circuit breaker; self defense ability; time-delay valve group; optimization design; orthogonal experiment