簡(jiǎn)介： 針對(duì)現(xiàn)用高壓斷路器分閘速度無法有效調(diào)節(jié)的現(xiàn)狀，提出了在斷路器液壓機(jī)構(gòu)中加裝電磁開關(guān)閥，采用不連續(xù)的流量控制以實(shí)現(xiàn)速度的調(diào)節(jié)。該方法可以滿足高壓智能操作斷路器分閘速度分級(jí)調(diào)節(jié)的需要。 關(guān)鍵字：斷路器，智能操作，液壓機(jī)構(gòu)，電磁開關(guān)閥，控制 1　引言 斷路器是電力系統(tǒng)中最重要的保護(hù)和控制設(shè)備，隨著微機(jī)被引入斷路器控制，人們開始研究智能化的斷路器。文［1］首先提出智能操作的概念，即“動(dòng)觸頭從一個(gè)位置到另一個(gè)位置的自適應(yīng)控制的轉(zhuǎn)換”。隨后提出智能操作實(shí)施的第一步可以采用分級(jí)調(diào)節(jié)［2］，即對(duì)大量額定電流以下的正常負(fù)荷電流操作和次數(shù)不多的故障電流或電容電流的開斷，采用不同的2級(jí)或3級(jí)速度，實(shí)現(xiàn)智能操作。本文針對(duì)配液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)的高壓斷路器的智能操作提出了應(yīng)用電磁開關(guān)閥分級(jí)調(diào)速的方案原理。 2　斷路器液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)的操動(dòng)原理及過程 斷路器液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)采用的液壓工作缸有直動(dòng)式和差動(dòng)式2種。本文所要分析的常高壓保持式液壓機(jī)構(gòu)采用差動(dòng)式液壓工作缸，如圖1所示。圖中的液壓機(jī)構(gòu)處于合閘狀態(tài)，分閘閥關(guān)閉，合閘閥打開，活塞2端均處于高壓油的作用之下，由于差動(dòng)力的作用，斷路器保持在合閘狀態(tài)。分閘時(shí)分閘閥2打開，合閘閥6關(guān)閉，工作缸活塞桿5左側(cè)的高壓油經(jīng)分閘閥2排入低壓油箱1，在活塞5右側(cè)的高壓油的作用下活塞桿向左運(yùn)行，帶動(dòng)斷路器迅速分閘，最后緩沖頭4進(jìn)入緩沖空腔中使速度下降［3］。 圖2為壓氣式六氟化硫斷路器（直動(dòng)式模型斷路器）的空載分閘運(yùn)動(dòng)特性。分閘開始階段，運(yùn)行速度以較大的加速度增加。隨著速度的增加，斷路器滅故分閘的加速度逐漸開始減小，但斷路器的分閘運(yùn)動(dòng)速度保持上升。隨后斷路器分閘進(jìn)入緩沖階段。由于緩沖力的作用，速度下降。模型斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)的緩沖器為2級(jí)緩沖，在圖2中的V－l特性上表現(xiàn)出2次速度的急劇降低，最后分閘結(jié)束［4］。 對(duì)于斷路器的分閘過程可列出活塞運(yùn)動(dòng)方程，將運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的質(zhì)量全部歸化到活塞，則有 式中P1為液壓工作缸有桿腔壓力；A1為液壓工作缸有桿腔實(shí)際作用面積；P2為液壓工作缸無桿腔壓力；A2為液壓工作缸無桿腔實(shí)際作用面積；M為歸化到液壓工作缸活塞的總質(zhì)量；x為液壓工作缸行程；t為運(yùn)動(dòng)時(shí)間；B為粘性阻尼系數(shù)；F1為壓氣室反力；k為系數(shù)，在液壓工作缸活塞進(jìn)入緩沖前為0，進(jìn)入緩沖后為1；F2為液壓緩沖力。 3　液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)調(diào)速回路分析 在液壓系統(tǒng)中，通過調(diào)節(jié)回路流量實(shí)現(xiàn)速度調(diào)節(jié)的調(diào)速方式有3種［5］：①節(jié)流調(diào)速　采用定量泵供油，由流量控制閥改變流入和流出執(zhí)行元件的流量以調(diào)節(jié)速度，這種系統(tǒng)稱為閥控系統(tǒng)；②容積調(diào)速采用變量泵和變量馬達(dá)，以改變泵或馬達(dá)的排量調(diào)節(jié)速度，這種系統(tǒng)稱為泵控系統(tǒng)；③容積節(jié)流調(diào)速采用壓力反饋式變量泵供油，由流量控制閥改變流入或流出執(zhí)行元件的流量，進(jìn)而調(diào)節(jié)速度，同時(shí)又使變量泵的流量與通過流量控制閥的流量相適應(yīng)。 目前斷路器液壓機(jī)構(gòu)在動(dòng)作時(shí)由蓄能器提供能量，針對(duì)此特點(diǎn)應(yīng)采用節(jié)流調(diào)速。在實(shí)際斷路器設(shè)計(jì)制造中采用調(diào)節(jié)分閘定徑孔或合閘定徑孔大小的方法。該方法是一種節(jié)流調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)分閘定徑孔即為調(diào)節(jié)液壓工作缸出口流量。分閘定徑孔調(diào)節(jié)的原理見圖3。 　　 對(duì)于活塞運(yùn)動(dòng)方程式（1），P1為蓄能器的輸出壓力，基本為恒值；A1、A2為定值；M、F1、F2在結(jié)構(gòu)確定后特性也隨之確定；B可按流體力學(xué)原理求??；P2應(yīng)為從液壓工作缸無桿腔至油箱的壓差與油箱壓力之和。從液壓工作缸無桿腔至油箱的壓差等于液壓工作缸出口壓力損失與回油路管道壓力損失總和ΔP1加定徑孔壓力損失ΔP2。ΔP2為： 式中λ為定徑孔壓力損失系數(shù)，是定徑孔面積的函數(shù)；ρ為液壓油密度；V1為定徑孔處液流速度。 由式（2）可見，液壓缸活塞運(yùn)動(dòng)特性與定徑孔壓力損失系數(shù)λ有關(guān)。因此液壓缸活塞速度特性的調(diào)節(jié)可以通過調(diào)節(jié)λ實(shí)現(xiàn)。而λ是定徑孔過流面積的函數(shù)，因此液壓缸活塞運(yùn)動(dòng)速度在其他條件不變的情況下，可通過定徑孔過流面積來調(diào)節(jié)。在液壓機(jī)構(gòu)中以流量控制閥代替固定定徑孔即可實(shí)現(xiàn)速度調(diào)節(jié)的功能。 4　液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)流量控制閥的選擇 在液壓機(jī)構(gòu)系統(tǒng)中液壓閥是控制元件，其合理與否，直接影響液壓機(jī)構(gòu)的性能指標(biāo)。因此根據(jù)斷路器液壓機(jī)構(gòu)的工作特點(diǎn)合理地選擇控制元件十分重要。 液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)作與一般的液壓傳動(dòng)設(shè)備不同，其動(dòng)作速度快，操作過程時(shí)間短，從分閘電磁鐵動(dòng)作開始至觸頭分離并減速直至停止運(yùn)動(dòng)僅需幾十ms。另外高壓斷路器液壓機(jī)構(gòu)其液壓系統(tǒng)的操作壓力相對(duì)較高，可高達(dá)幾十MPa。因此液壓閥的選擇要求工作壓力高，動(dòng)作速度快，動(dòng)作可靠。 液壓控制中可以實(shí)現(xiàn)速度分級(jí)且滿足工作要求的元件有電液伺服閥、電液比例閥和電磁開關(guān)閥3種，其性能比較見表1［6］。 電液伺服閥是一種能按輸入電信號(hào)的極性和大小來連續(xù)地控制液流方向和流量（或壓力）的控制閥，具有體積小、線性度好、死區(qū)小、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。 電液比例閥從控制功能和特性上看，與電液伺服閥相類似，但其控制精度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)比電液伺服閥低。電液伺服閥和電液比例閥都可實(shí)現(xiàn)連續(xù)調(diào)節(jié)。電磁開關(guān)閥是一種通過開關(guān)控制信號(hào)控制液流流向的控制閥。它雖然只有兩種控制狀態(tài)，但是通過數(shù)個(gè)電磁開關(guān)閥組合可以實(shí)現(xiàn)更多的不同控制狀態(tài)。 綜合以上特點(diǎn)，對(duì)于分級(jí)調(diào)速方案，電磁開關(guān)閥由于其開關(guān)速度快、控制簡(jiǎn)單等特點(diǎn)而成為一種可行的控制元件。電磁開關(guān)閥的動(dòng)作持性如圖4所示。 由圖4可知：電磁快速開關(guān)閥開關(guān)滯后將使流量特性曲線存在明顯的零位死區(qū)，快速開關(guān)閥的流量曲線與壓力信號(hào)特性類似。 快速開關(guān)閥打開時(shí)靜態(tài)輸出流量的計(jì)算方法為 式中Q為快速開關(guān)閥流量；Cd為閥口流量系數(shù)；w為閥口面積梯度；xf為閥芯位移；ρ為油液密度；ΔP為閥進(jìn)口與出口的壓力差。 5　采用快速開關(guān)閥調(diào)節(jié)的控制策略 由上面分析液壓機(jī)構(gòu)流量在最大流量和最小流量（產(chǎn)生斷路器最低可靠分閘速度的流量）之間的有限個(gè)點(diǎn)取值就可以實(shí)現(xiàn)速度的分級(jí)調(diào)節(jié)，這種調(diào)節(jié)采用幾個(gè)開關(guān)閥和一個(gè)常開節(jié)流閥可以實(shí)現(xiàn)。具體調(diào)節(jié)方法如圖5及表2所示（本文采用2個(gè)開關(guān)閥和1個(gè)節(jié)流閥）。 在打開位置時(shí)，快速開關(guān)閥R1和R2的可能輸出流量為Q1和Q2，固定節(jié)流閥R0的流量為Q0。此時(shí)相應(yīng)的控制模塊輸出流量為：Q＝k1Q1＋k2Q2＋Q0（4） 式中Q為控制模塊輸出流量；k1和k2為開關(guān)閥的狀態(tài)參數(shù)，閥的打開狀態(tài)為1，關(guān)閉狀態(tài)為0。 6　結(jié)論 為滿足高壓智能操作斷路器分閘速度的可控調(diào)節(jié)，以配液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)的斷路器采用快速開關(guān)閥進(jìn)行出口節(jié)流調(diào)速的方法是切實(shí)可行的，而且也是經(jīng)濟(jì)可靠的。 本文推導(dǎo)的相應(yīng)的斷路器可控調(diào)節(jié)的分閘運(yùn)動(dòng)方程式為斷路器的可控調(diào)速提供了理論依據(jù)，并具有較廣的通用性，不僅可根據(jù)該式計(jì)算相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)速度，而且也為正確選擇控制方案和開關(guān)閥的參數(shù)給出了定量的關(guān)系。 參考文獻(xiàn)： ［1］馬志瀛，徐黎明，李冶．超高壓斷路器設(shè)計(jì)的兩個(gè)理論基礎(chǔ)及智能操作［C］．500kV高壓開關(guān)設(shè)備運(yùn)行技術(shù)論文集，1997． ［2］馬志瀛，陳曉寧，等．超高壓SF6斷路器的智能操作［J］．中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，1999，19（7）． ［3］施文耀．開關(guān)液壓機(jī)構(gòu)［M］．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1990． ［4］　徐黎明．壓氣式SF6高壓斷路器開斷性能仿真分析和智能操作［D］．西安：西安交通大學(xué)，1998． ［5］高記念，蔚長(zhǎng)春．電液控制技術(shù)及應(yīng)用［M］．北京：石油工業(yè)出版社，1991． ［6］劉少軍．高速開關(guān)電磁閥的現(xiàn)狀及應(yīng)用［J］．液壓與氣動(dòng)，1995.