高壓斷路器自衛延時閥的研究

張建卓　杜之淳　王　潔　隋　心

1.遼寧工程技術大學，阜新，1230002.大連理工大學，大連，116024

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高壓斷路器自衛延時閥的研究

張建卓1杜之淳1王潔1隋心2

1.遼寧工程技術大學，阜新，1230002.大連理工大學，大連，116024

摘要：為保證高壓輸電網的安全穩定運行，高壓斷路器需要具備自衛延時功能，現有高壓斷路器操動機構自衛延時是通過輔助開關、時間繼電器等方式實現的,存在延時結構復雜、可靠性差等問題，為此，提出了一種基于操動機構自身液壓系統的延時機構，通過調整延時閥閥芯運動位移實現延時時間的無級調節。采用優化設計和正交仿真試驗的方法對其結構參數進行優化，根據優化結果加工兩臺試驗樣機并進行實驗研究，實驗測得延時時間范圍是41.6～59 ms，能夠滿足電網安全運行要求。

關鍵詞：高壓斷路器；自衛能力；延時閥組；優化設計；正交試驗

0引言

斷路器是高壓開關設備中最重要的組成部分，承擔著控制和保護的雙重任務[1-4]。斷路器的自衛延時就是重合閘過程中觸頭從閉合到第二次分開有一定時間,使得滅弧室的工況有充分的時間由合閘過程轉變為分閘前所需要的狀態。國家電網使用的超高壓斷路器曾因時間不夠導致斷開失敗[5]，根據《電力系統安全穩定導則》(DL/T755-2001)及有關規定要求，斷路器合-分時間的設計要求值一般取50±10ms[6]。

目前實現自衛延時有兩種方法：一種是在合閘回路通過時間繼電器實現延時功能，但是其延時控制回路比較復雜，且時間繼電器的電氣特性直接關系到斷路器的工作性能，實際工作中還存在斷路器動作時間與繼電保護裝置動作時間配合不當的問題[7]；另一種是利用輔助開關來實現，輔助開關是一種能夠使自衛延時時間得到較好控制的機構[8-9]，其動作過程包括主動卡片動作過程和從動卡片動作過程(延時運動過程)[10-13]。

為了獲得高穩定性延時機構，簡化延時操作機構，降低故障率，提高系統安全穩定性，最好的方式是通過斷路器自身結構來實現?；诖?，本文提出了一種新的基于操動機構自身液壓系統的延時結構，并實現延時時間的無級調節。

1斷路器操動機構原理

高壓斷路器液壓操動機構工作原理如圖1所示。該彈簧液壓操動機構屬于高速大功率雙穩態電液驅動系統，有合閘、分閘兩種工作狀態，延時功能由二級控制閥實現。

1.主工作缸　2.主閥　3.逆止閥　4.分閘先導閥 5.合閘先導閥　6.延時閥　7.溢流閥 8.高壓單柱塞泵　9.蓄能器圖1　液壓操動系統原理示意圖

操動機構工作時高壓單柱塞泵8向蓄能器9儲液，當蓄能器9達到額定工作壓力時，電機停止工作；蓄能器9壓力下降時系統自動補壓，時刻保持壓力穩定。蓄能器9為液壓系統提供工作恒壓油源，保證主工作缸1的有桿腔和延時閥芯的環形腔始終保持高壓。當合閘先導閥5通電時，左閥位接入系統，高壓油經由逆止閥3推動主閥2的閥芯左移，右閥位導通，高壓油經由主閥2進入主工作缸1的活塞腔，此時主工作缸1的活塞桿受到向左的合力，推動操動機構快速伸出，實現斷路器合閘動作；與此同時，高壓油經阻尼孔流入延時閥6閥芯的左端面，延時閥閥芯向右移動。當分閘先導閥4通電時，左閥位接入系統，此時主閥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，帶動操動機構迅速縮回，實現斷路器分閘。

斷路器進行重合閘操作時，合閘先導閥5一直處于合閘位置，當輸電線路出現故障時分閘先導閥4通電，斷路器進行分閘動作。分閘后再次進行重合閘，在合閘過程中如果分閘信號消失，斷路器合閘并保持合閘狀態；如果分閘信號仍然存在，此時只有當延時閥6的閥芯運動到指定位置，分閘先導閥4才能與油箱連通，斷路器完成分閘動作。

2延時閥結構及優化設計

基于操動機構自身液壓系統實現斷路器自衛延時功能的控制閥結構如圖2所示。

1.閥套環形縫隙　2.主閥　3.閥套(簡化)　4.細長管 5.延時調整桿　6.延時閥桿小孔　7.細長孔 8.延時閥芯左端面　9.高壓油入口　10.延時閥芯 11.低壓油出口　12.壓板　13.延時閥套　14.主閥芯回油圖2　延時機構結構原理圖

合閘信號發出時，高壓油進入主工作缸的活塞腔，操動機構實現合閘動作，與此同時高壓油經入口9進入環形縫隙1，經細長管4、延時調整桿小孔6和細長孔7到達延時閥芯左端面8，此時延時閥芯受到向右的合力，推動延時閥芯10向右移動，延時閥芯10運動的時間即為延時時間。只有當延時閥芯移動到指定位置處，主閥芯回油14和低壓油回油11接通，此時出現分閘信號才能使操動機構主閥換向，主工作缸的活塞腔與油箱接通，實現斷路器操動機構分閘，這樣就保證操動機構不會在未合閘到位前就出現分閘的動作。

由上述分析可知，延時閥芯的運動時間即為延時時間，影響閥芯運動時間有兩個因素，即延時閥芯10的運動位移范圍和運動速度。而這兩個因素主要取決于延時調整桿5的結構參數。延時調整桿結構設計首先確定理論最優解，再通過正交仿真試驗確定最優解，最后通過實驗驗證。

2.1優化設計

首先建立時間差值的目標函數。操動機構延時時間設計范圍是40ms至60ms。以延時閥芯位移在最大值時為例進行分析，延時調整桿的優化設計問題歸結為延時閥芯運動時間與要求合-分上限時間60ms的絕對值最小。建立目標函數如下：

f(d3，l3，n，d4，l4)=

式中，l1為環形縫隙1的長度，mm；d1為環形縫隙1內圓柱體直徑，mm；h1為環形縫隙1厚度，mm；l2為細長管4的長度，mm；d2為細長管4的直徑，mm；d5為延時閥芯10左端面的直徑，mm；d6為延時閥芯10右端面的直徑，mm；l7為延時閥芯10節流口的長度，mm；d7為延時閥芯10節流口的直徑，mm；p為延時閥芯左端面8的壓力，MPa；μ為液壓油的動力黏度，Pa·s；s為延時閥芯10運動的位移，mm；n為延時閥桿小孔6的個數；d3為延時閥桿小孔6的直徑，mm；l3為延時閥桿小孔6的長度，mm；l4為延時閥桿細長孔7的長度，mm；d4為延時閥桿細長孔7的直徑，mm。

由于閥體結構限制，l1、d1、h1、l2、d2、d5、d6、l7、d7、p、μ、s為已知常量，在設計過程中保持不變。5個設計變量分別為：n、d3、l3、l4、d4。

目標函數中有5個設計變量，這是五維非線性優化問題，采用復合形法進行優化設計[14-15]，利用MATLAB提供的復合形法程序中的兩個函數進行計算:主函數opt_complex完成初始可行點、復合形形心及反射、延伸、收縮等計算；函數gen_complex根據初始可行點產生復合形[11]。優化計算結果如表1所示。

表1　優化結果　mm

上述優化計算目標函數是在理想簡化模型情況下進行的，忽略了渦流等因素。以表1的優化結果作為一個參考點，小孔的個數保持4個不變化，采用正交仿真試驗的方法對其余4個參數進行優化得到最優值。

2.2正交試驗

設計變量取d3、l3、d4、l4這4個因素，每個因素3個水平，正交試驗的因素和水平如表2所示。

表2　因素和水平　mm

選用L27(313)正交表[16]，每個水平進行9次試驗，試驗總次數為27，并查交互作用表，作出各因素及其交互作用的安排，試驗采用虛擬仿真的方法進行，在Inventor軟件里建立閥組的三維模型后導入到Simulation CFD中進行流場分析。Simulation CFD 是一款進行傳熱和流體流動分析的計算流體力學(CFD)工具軟件。它可以進行高速湍流與不可壓縮流，以及導熱與對流傳熱的三維仿真分析。液體參數按照10號液壓油標準設置，采用壓力場標準的湍流模型求解。圖3為第11組試驗的壓力云圖和速度云圖，圖4為圖3中從a點到b點的壓力變化曲線，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。計算出延時閥芯運動的平均速度，進而計算出延時閥芯運動的時間為58.487 ms。

(a)壓力云圖　　　(b)速度云圖圖3　第11組試驗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點到b點的壓力變化曲線

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

所有的正交試驗組按照相應參數改變三維模型，并進行仿真模擬，得到的虛擬仿真分析結果列于表3中。其中，Ki(i=1,2,3)表示各因素的第i個水平試驗結果之和；Q為Ki的平方和除以各因素第i個水平試驗次數得到的平均值；S為各因素的離差平方和，反映了某一因素的水平變化對試驗結果的影響程度。

表3　L27(313)試驗正交表及分析結果

2.3正交試驗設計的方差分析

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值的大小體現了各因素對試驗結果的影響程度的大小。給出檢驗水平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論，將上述分析計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分析結果可知，最優方案為A2B2C2D3。但是這個最優方案并未在已經做過的27次試驗中出現，而與之較為接近的是第11次試驗，在第11次試驗中只有因素B不是處在最好水平，但是因素B對試驗結果的影響是這4個因素中最小的。為了判定試驗方案一(A2B2C2D3)和第11次試驗方案二(A2B1C2D3)的優劣，需進行樣機實驗對比測試。

3實驗分析

建立斷路器操作機構實驗數據采集系統，操動機構實驗樣機如圖6所示。按試驗方案一(A2B2C2D3)、試驗方案二(A2B1C2D3)加工延時調整桿進行對比實驗。

圖6　彈簧液壓操動機構

方案一重合閘測試實測曲線如圖7所示，方案二的重合閘測試實測曲線如圖8所示。

圖7　方案一重合閘測試實測曲線

圖8　方案二重合閘測試實測曲線

圖7中，合分閘延時時間為57 ms，與實際要求60 ms存在5%的誤差；圖8中，合分閘延時時間為59 ms，與實際要求60 ms存在1.6%的誤差。試驗方案二的實測結果誤差為1.6%，可以滿足應用要求。因此，最終確定實驗方案二為最優方案。

調節延時調整桿5(圖2)使得延時閥芯10(圖2)運動位移最小，再次進行重合閘測試，所得曲線如圖9所示。從圖9中可以看出，它的合分閘延時時間為41.6 ms，與實際要求40 ms存在4%的誤差。這樣通過調節延時調整桿的位移可使合分閘延時時間在41.6～59 ms范圍內無級調節。

圖9　方案二延時閥芯位移最小時測試實測曲線

4結束語

提出了一種基于操動機構自身液壓系統的延時方法，通過控制閥組實現斷路器操動機構的延時自衛功能，并能實現延時時間的無級調節。對延時閥組的關鍵元件延時閥桿進行了優化設計，并通過正交仿真試驗獲得優化設計方案。進行樣機試制和實驗研究，實驗結果表明，優化設計的延時閥組能夠實現延時功能且延時時間可實現無極調節。

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(編輯袁興玲)

收稿日期：2015-08-31

基金項目：國家自然科學基金資助項目(51574140)

中圖分類號:TH123

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

作者簡介：張建卓，男，1971年生。遼寧工程技術大學機械工程學院教授。主要研究方向為機械設計/振動控制工程、機電液一體化。發表論文30余篇。杜之淳，男，1988年生。遼寧工程技術大學機械工程學院碩士研究生。王潔， 女，1981年生。 遼寧工程技術大學機械工程學院講師。隋心，男，1994年生。大連理工大學機械工程學院本科生。

StudyonSelfDefenseDelayValveofHighVoltageCircuitBreaker

ZhangJianzhuo1DuZhichun1WangJie1SuiXin2

1.LiaoningTechnologyUniversity，Fuxin，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