應用電磁開關閥實現斷路器智能操作分閘速度調節

1　引言
　　斷路器是電力系統中最重要的保護和控制設備，隨著微機被引入斷路器控制，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“動觸頭從一個位置到另一個位置的自適應控制的轉換”。隨后提出智能操作實施的第一步可以采用分級調節［2］，即對大量額定電流以下的正常負荷電流操作和次數不多的故障電流或電容電流的開斷，采用不同的2級或3級速度，實現智能操作。本文針對配液壓操動機構的高壓斷路器的智能操作提出了應用電磁開關閥分級調速的方案原理。
2　斷路器液壓操動機構的操動原理及過程
　　斷路器液壓操動機構采用的液壓工作缸有直動式和差動式2種。本文所要分析的常高壓保持式液壓機構采用差動式液壓工作缸，如圖1所示。圖中的液壓機構處于合閘狀態，分閘閥關閉，合閘閥打開，活塞2端均處于高壓油的作用之下，由于差動力的作用，斷路器保持在合閘狀態。分閘時分閘閥2打開，合閘閥6關閉，工作缸活塞桿5左側的高壓油經分閘閥2排入低壓油箱1，在活塞5右側的高壓油的作用下活塞桿向左運行，帶動斷路器迅速分閘，最后緩沖頭4進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（直動式模型斷路器）的空載分閘運動特性。分閘開始階段，運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，但斷路器的分閘運動速度保持上升。隨后斷路器分閘進入緩沖階段。由于緩沖力的作用，速度下降。模型斷路器操動機構的緩沖器為2級緩沖，在圖2中的V－l特性上表現出2次速度的急劇降低，最后分閘結束［4］。
　　對于斷路器的分閘過程可列出活塞運動方程，將運動系統的質量全部歸化到活塞，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際作用面積；M為歸化到液壓工作缸活塞的總質量；x為液壓工作缸行程；t為運動時間；B為粘性阻尼系數；F1為壓氣室反力；k為系數，在液壓工作缸活塞進入緩沖前為0，進入緩沖后為1；F2為液壓緩沖力。

　
3　液壓操動機構調速回路分析
　　在液壓系統中，通過調節回路流量實現速度調節的調速方式有3種［5］：①節流調速　采用定量泵供油，由流量控制閥改變流入和流出執行元件的流量以調節速度，這種系統稱為閥控系統；②容積調速采用變量泵和變量馬達，以改變泵或馬達的排量調節速度，這種系統稱為泵控系統；③容積節流調速　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行元件的流量，進而調節速度，同時又使變量泵的流量與通過流量控制閥的流量相適應。
　　目前斷路器液壓機構在動作時由蓄能器提供能量，針對此特點應采用節流調速。在實際斷路器設計制造中采用調節分閘定徑孔或合閘定徑孔大小的方法。該方法是一種節流調節。調節分閘定徑孔即為調節液壓工作缸出口流量。分閘定徑孔調節的原理見圖3。
　　對于活塞運動方程式（1），P1為蓄能器的輸出壓力，基本為恒值；A1、A2為定值；M、F1、F2在結構確定后特性也隨之確定；B可按流體力學原理求取；P2應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，是定徑孔面積的函數；ρ為液壓油密度；V1為定徑孔處液流速度。

　　由式（2）可見，液壓缸活塞運動特性與定徑孔壓力損失系數λ有關。因此液壓缸活塞速度特性的調節可以通過調節λ實現。而λ是定徑孔過流面積的函數，因此液壓缸活塞運動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節。在液壓機構中以流量控制閥代替固定定徑孔即可實現速度調節的功能。
4　液壓操動機構流量控制閥的選擇
　　在液壓機構系統中液壓閥是控制元件，其合理與否，直接影響液壓機構的性能指標。因此根據斷路器液壓機構的工作特點合理地選擇控制元件十分重要。
　　液壓操動機構的動作與一般的液壓傳動設備不同，其動作速度快，操作過程時間短，從分閘電磁鐵動作開始至觸頭分離并減速直至停止運動僅需幾十ms。另外高壓斷路器液壓機構其液壓系統的操作壓力相對較高，可高達幾十MPa。因此液壓閥的選擇要求工作壓力高，動作速度快，動作可靠。
　　液壓控制中可以實現速度分級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的極性和大小來連續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、死區小、響應速度快等優點。
　　電液比例閥從控制功能和特性上看，與電液伺服閥相類似，但其控制精度和動態響應比電液伺服閥低。電液伺服閥和電液比例閥都可實現連續調節。　　電磁開關閥是一種通過開關控制信號控制液流流向的控制閥。它雖然只有兩種控制狀態，但是通過數個電磁開關閥組合可以實現更多的不同控制狀態。
　　

　　綜合以上特點，對于分級調速方案，電磁開關閥由于其開關速度快、控制簡單等特點而成為一種可行的控制元件。電磁開關閥的動作持性如圖4所示。

　 由圖4可知：電磁快速開關閥開關滯后將使流量特性曲線存在明顯的零位死區，快速開關閥的流量曲線與壓力信號特性類似。
　　快速開關閥打開時靜態輸出流量的計算方法為

式中　Q為快速開關閥流量；Cd為閥口流量系數；w為閥口面積梯度；xf為閥芯位移；ρ為油液密度；ΔP為閥進口與出口的壓力差。
5　采用快速開關閥調節的控制策略
　　由上面分析液壓機構流量在最大流量和最小流量（產生斷路器最低可靠分閘速度的流量）之間的有限個點取值就可以實現速度的分級調節，這種調節采用幾個開關閥和一個常開節流閥可以實現。具體調節方法如圖5及表2所示（本文采用2個開關閥和1個節流閥）。
　　在打開位置時，快速開關閥R1和R2的可能輸出流量為Q1和Q2，固定節流閥R0的流量為Q0。此時相應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為開關閥的狀態參數，閥的打開狀態為1，關閉狀態為0。
　　

　
6　結論
　　為滿足高壓智能操作斷路器分閘速度的可控調節，以配液壓操動機構的斷路器采用快速開關閥進行出口節流調速的方法是切實可行的，而且也是經濟可靠的。
　　本文推導的相應的斷路器可控調節的分閘運動方程式為斷路器的可控調速提供了理論依據，并具有較廣的通用性，不僅可根據該式計算相應的運動速度，而且也為正確選擇控制方案和開關閥的參數給出了定量的關系。

參考文獻：

［1］　馬志瀛，徐黎明，李冶．超高壓斷路器設計的兩個理論基礎及智能操作［C］．500kV高壓開關設備運行技術論文集，1997．
［2］　馬志瀛，陳曉寧，等．超高壓SF6斷路器的智能操作［J］．中國電機工程學報，1999，19（7）．
［3］　施文耀．開關液壓機構［M］．北京：機械工業出版社，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，1998．
［5］　高記念，蔚長春．電液控制技術及應用［M］．北京：石油工業出　　版社，1991．
［6］　劉少軍．高速開關電磁閥的現狀及應用［J］．液壓與氣動，1995，

作者簡介：
　　孫　弋（1972－），男，博士研究生，從事高壓斷路器仿真分析及智能控制方面的研究；
馬志瀛（1937－），男，教授，博士生導師，從事電器理論及應用研究；金立軍（1964－），男，工程師，博士研究生，從事電器理論及應用研究。