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高压断路器液压操作机构进展演变和未来趋势

刘伟 徐兵 杨华勇 赵红飞 吴俊辉

浙江大学流体传动与控制国家重点实验室，杭州

河南平高电气有限公司，平顶山467001

2010年4月26日

摘要：

高压断路器是电力系统中最重要的保护和控制装置。作为电路的核心部分断路器，操

作机构在高压电网中具有液压式的趋势。与其他hy-液压系统，液压操作机构具有高液压高速，高的特点功率和长期等待等，这是因为特性的液压操作机构成为昼夜温差待开发ficult和越来越多的研究人员一直在引起显著的学习兴趣以及他们很有希望ising应用程序。因此，有必要总结液压作业机理的发展，特征和关键技术等。在本评价中，演变过程和最近的液压操作机理研究国内外观众。然后重点介绍液压操作的特点和关键技术机构，特别是时间和速度特性，高速气缸缓冲，快速响应和大流量控制阀，温度补偿，系统监控和故障诊断，智能操作，储能模块，最后，介绍了这一领域的未来趋势。

关键词：液压操作机构，高压断路器，控制阀，开闭运动，缓冲

1简介

随着社会的发展和规模的扩大的电网，安全运行越来越多对电力系统重要。因此，有对高压电路性能的要求较高断路器在保护和关闭中起重要作用电力系统。作为正常开口和断路器的闭合运动取决于操作 - 其工作能力和质量是非常重要的性能和可靠性高电压断路器作为断路器的关键部分，操作机构具有各种类型，例如弹簧机构，磁力机构，气动机构，电动机驱动机构。和....相比其他机构，液压操作机构广泛应用于上级电压电路领域断路器基于其优点的组件少 - tity，更高的可靠性，更稳定的输出性能，ance和更大的功率。随着经济的快速发展和增长需求的电力，国家电网的重点是项目从西向东传输电力，交流北与南之间的权力，连接网格在全中国。提出了一项改进策略输电电压等级和加强传输和改造750 kV电网西北建设更强大的电网。与此同时，关于1100 k V超高压的技术成为传输和传输领域的焦点，在中国的形成。所有这些都提供了良好的机会用于输配电的发展的二次设备行业，特别是电路断路器和液压操作机构。很清楚提高液压操作机械的性能 - 断路器的故障是非常迫切的。因此，审查具有指导意义，中国液压操作机构技术通过技术演变和特征的概述，液压操作机构的可靠性。

2液压操作机械的开发 -

液压操作机构的发展可以追溯到420k V气体回路的操作机构Dalle制造的断路器在世界之前在法国二战，如图1所示。虽然限于此信号传输的作用[1-3]，这是第一次液压驱动应用于高压电路断路器。直到20世纪50年代，第一液压操作机构是由Perri发明用于单极高电压断路器230 k V，如图2所示。通气自由脱扣器，气囊蓄能器使用单级滑阀，响应时间为

滑阀大约为0.9个交流周期[3-5]。在20世纪60年代，ETNA公司提供了Dallepany在法国有各种液压操作机械 - 断路器，例如断路器。系列OP，其中OP2B和OP2A是瞬时压力型

其余为恒压型。此外，液压操作机构应用于FA型SF电路从60年代中期，随着SF的发展

单压头断路器，要求对于操作功率变得更高。为了实现，提高了产能并缩短了开启时间，液压在日本开发了操作机构，如SHF系列高压断路器，OH型液压操作机构由Mitsubi-shi公司[6，7]。还使用液压机构而不是川崎公司的气动机构。因此，单压头型SF断路器是在高等级电压电源领域发展起来的。开发了用于吹气断路器的机构由东芝公司在20世纪80年代使用三级阀和双作用单活塞杆缸，关闭阀阀芯和打开阀芯分别放在第二级阀座上，做成使排油通道更顺畅和制造更容易。关闭操作必须在之后进行由于自锁而完成打开操作阀。液压机构的显着特征，这减少了管道并提高了可靠性，高集成三级阀。BBC公司开发了液压机构

1974年ELK型断路器，其示意图dia-克可以在图4中描述。三级阀，双级第一级开启阀提高可靠性，使用具有平衡活塞结构的蓄能器机制。一个反慢打开操作子单元，由压力开关控制，位于接触二 - 直接但不在阀块中。这是一个重要的特征，特别是液压机构是高度集成的

所有气瓶，阀门，蓄能器和油箱。ABB开发了独特的AHMA和HMB型式液压弹簧机构。到现在为止，ABB也致力于改进液压弹簧机构，并开发新一代产品。近年来，新一代的HMB-4/8型的开发了液压弹簧机构，如图所示图5.液压弹簧操作机构实现液压操作机构的图形工程

断路器将被开发和改进到a很大程度上。根据全球高压的发展断路器，液压操作机构由于其高输出功率的优点广泛应用，响应速度快，负载特性兼容性高高可靠性[2]，并且开发的过程可以总结如下：

（1）如前面的液压操作机构，降低了机床的液压原理，采用机械混合驱动开闭运动。此后，

瞬时压力类型的变化图8（a），但是它们逐渐退出从市场上由于结构复杂，反应低等。恒压型液压机构，结构在国内外得到普及，如图8（b）所示。

（2）现有三种典型液压结构

图8液压操作机构示意图。 （一个）瞬时压力型; （b）恒压型。操作机构如图9所示操作机制正在进行中“简单复杂 - 简单”结构。从阀门之间的管道连接结构和阀门，阀门和气缸，液压操作机构发展到集成阀的机制块。最后，随着简化结构断路器和机构，完全集成

的阀门，气缸和蓄能器广泛应用于液压操作机构。（3）原来的膀胱蓄积器被pis-吨蓄电池完全存储模块。碟形弹簧应用于仅生产的液压弹簧机构由ABB引起的长期稳定性的优点，温度独立，无气体泄漏。

（4）液压操作机构的原理恒压型，如图10所示。在下面的机构中使用两级阀220 k V断路器，如图10（a）所示。如图10（b）和10（c）所示，三级阀是图9液压操作机构的结构。 （a）液压弹簧类型; （b）水平布置; （c）垂直安排。图10液压操作机构示意图。 1，油

坦克; 2，过滤器; 3，电机; 4，泵; 5，止回阀; 6，蓄电池; 7，浮雕阀; 8，8.1，8.2，气缸;主阀。主阀。 120 Liu W，et al。科学技术Sci。（2011）Vol.54 No.1

用于550 k V电路级的机制断路器。然而，与图10（b）相比，在图10（c）中采用用于打开和关闭的阀。虽然所有的系统使用差动缸，有控制阀及其布局几乎没有差别。如图所示

在图10（d）中，在1000kV中添加辅助气缸断路器满足大功率需求开闭运动。

（5）图11显示了主要的三个基本结构阀，并且可以看出2位3通阀主要用于液压操作机构。开关通过压力实现开闭运动控制室的释放和充电。主阀是锥形密封阀保持打开或关闭位置，。图11（a）和11（b）是滑阀节流面积图11（c）是提升阀节流面积。

3关键技术及现状与趋势

3.1时间和速度的匹配特性

开闭运动打开和关闭时间和速度，不同类型的断路器，都是重要的特性参数评估液压机械的性能 - 断路器。延长是非常有益的断路器的使用寿命和执行性能打破异常电流，缩短开启时间增加开启速度。所需的开放时间是约一个交流周期。比较仿真和实验结果，液压机构的性能，用于550kV高压 - 年龄断路器在图12和图13中描述开闭运动。可以得到，仿真结果是在accor-跳舞与实验结果。开闭时间对应于开启点和关闭点，以及10ms内平均速度的开闭速度是液压机构性能评价的关键技术参数[7,12-16]。如图14所示，由于液压操作机构和中间断路器之间的联接关系，应当改善开启和关闭速度，并且应当减小开启和关闭时间以获得良好的断续器性能。然而，高的打开和关闭速度将挑战大的能量缓冲，然后影响系统的可靠性。分析液压机构和断续器之间的耦合关系，以及开闭运动过程中速度和时间特性的优化是液压机构的核心设计技术。目前，SF6高压断路器开关特性的研究更集中在图11主阀结构的电场和气流场分布上。图12液压缸的位移（打开运动）。图13液压缸的位移（关闭运动）。图14液压操作机构和断续器之间的耦合关系。具有给定的输出压力和速度的机构或具有给定恒定负载的液压机构的性能。然而，研究较少考虑液压操作机构和断流器之间的耦合关系。具有机械储能的优点，长期稳定性，温度独立的能量储存装置，用于动力的无磨损缸 - 活塞单元传动，集成和无磨损液压阻尼，液压系统无管接头，无油漏等。他们充分利用高适应性的优势不同的动力机构和盘的各种优点弹簧储能，免维护条件。目前，机制，这不仅仅是配备了ABB产品，也为一些产品中国，占有很大的市场份额。从上世纪60年代初，上海华通开关厂开发了国内第一台液压机构CY1-双向瞬时压力的类型。因为由于结构复杂和制造过程的许多泄漏，高压绝缘管，CY1型图灵困难的液压机构退出市场gradu-盟友。此后，液压机构瞬间压力型CY2带非存储模块和常量压力型CY3到型号CY6已开发suc-停止。如图6所示，它是一幅草图CY3型液压机构。可以观察到有液压和联动杆的混合驱动，较少的部件和具有开口的简单结构关闭阀门，但潜在的危险动作“慢开放运动“严重影响了可靠性系统[8-11]。进一步开发高级电压液压op-最后在中国已经实现了淘汰机制几年。如图7所示，它是液压操作机构的220 k V断路器由Pin-高电气有限公司其经营性能实现了与国外同等水平的产品简单控制阀结构，提高系统集成度与以前的产品相比具有良好的可靠性。改进高压设备的技术满足电力工业的需求，经济发展，高压开关柜公司引进先进技术的断路器，从MG，三菱，日立，东芝，ABB等。随着ERS引进技术的吸收，在制造利物浦大学和Menoufiya大学做了大量的气体压力特性研究具有给定恒定液压力的断续器[17]。在1990年代，丁从浙江大学，中国研究速度和时间的特点影响液压机构的结构参数打开和关闭运动，假设负载力为断路器[4]。重视内部气体压力性能和断流器室中的流量控制研究[18-20]，沉阳工业大学，中国建立了一个252 k V电路的共模拟模型断路器液压机构和断流器。然而，难以对字符特征进行详细分析，阀门，气缸和管道的复杂性，液压机构的液压模型。来自浙江大学的徐建成综合仿真模型与液压系统，电气负载断路器。静态和动态特性 - 液压元件的tics已经验证，精神和详细分析。它专注于开放＆关闭时间和速度受各种结构的影响参数[12-16]。

3.2高速气缸缓冲

液压操作的最大气缸速度机制通常达到10 m / s。高效缓冲约为系统压力的2-3倍有必要降低汽缸的行驶速度活塞撞击端盖并提高可靠性和系统的工作寿命。降低速度活塞在其行程的末端降低了圆柱体上的应力，同时减少机械振动结构中的振动，具有集成的液压端位置，侧气缸缓冲几乎在电路中采用断路器由于结构简单，体积小，加上任何流量控制阀等组成。使用由ABB生产的旁辙形柱塞结构在液压弹簧机构。拥有2.5倍的高系统压力，阻尼压力的峰值靠近液压端位置最高可达1400 bar操作。如图15所示，它是一个sidestep形状柱塞具有7个步骤用于550kV的家用机构断路器。在峰值压力的条件下是系统压力的2.1倍，模拟仿真和实验结果，在打开运动期间确定在缓冲室中在图16 [15，16]。端子速度需要尽可能低同时降低峰值压力以实现有效的缓冲。如图17所示，缓冲结构应为op-timized [15，16]速度高达1 m / s。图15缓冲活塞的结构（打开运动）。 1，气缸;如图2所示，缓冲活塞; 3，侧锥形柱塞; 4，坐垫套。 图16缓冲室压力（打开运动）。图17压力和速度 - 位移特性。

控制峰值压力非常重要缓冲设计的端子速度。方法为基于仿真和优化设计高成本和长周期经由丰富的实验。作为一个结果是复杂多变的流场缓冲过程，如何构建精密模型，es-特别是在节流时确定和建立一个模型状态的转折点，是一个困难的研究缓冲技术。浙江大学学报，

不同的内圆柱缓冲结构，如作为柱状，锥形，抛物线形，形状柱塞活塞，特别是在建模和分析具有在不同节流阶段的相等流量的原理一个转折点[4]。然而，Wu et al。指出雷诺数可用于确定节流阶段的建模转折点[15]。在由欧洲委员会资助的综合项目中，任务，Roquet公司进行模拟在垫 - Bond-graph和进行了许多实验性垫片，离子测试在3种不同类型的缓冲，如活塞槽，金属环，锥形缓冲。气缸在缓冲测试台上进行测试两个室内的位移，速度和压力。

Cantelli从Roquet公司，西班牙调查缓冲可以通过添加第二金属来改善环，并且改变凹槽的数量及其深度以及几何形状和活塞长度等[24]。与都灵理工大学合作，Atos对设计进行了重大研究优化技术结构几何形状，连接到其气缸的内部部件，新材料的生产以及特定的治疗 -ments。这项工作是为了改进缓冲的柔软性和延长圆柱滚子轴承的工作寿命，在重型应用中。新开发的离子在压力“流动 - 在缓冲启动期间“缓冲”到缓冲室在这种行动中给予更大的恒定性沿其长度。同时，外部缓冲方法和创新的结构设计，搜索字段。

3.3快速响应和大流量控制阀

快速响应和2位三通阀具有大流量速率几乎用于液压操作机构其开关时间约为8-10 ms，瞬时流量速率需要 达到2000L / min。其中一个关键技术 - 液压操作机构的改进是改进响应性能和流通能力[25-28]。到目前为止，还没有这类产品的应用在中国。因此，生产商主要从液压进口这类产品公司如Bucher和Hawe。减少影响流动力的匹配关系，确保并在每个级阀之间流动，并提高电磁执行器的响应性能，对控制阀的研究。响应时间是cir-电路断路器控制。通常使用开/关电磁阀他们的激活。各位移特性级阀和气缸如图18所示图18阀和气缸的位移（打开运动）。影响响应特性的重要因素，阀门的响应时间为[12-14]约6ms。开发新型致动器是重要的进一步

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