某型大功率断路器液压操动机构分闸性能仿真研究

葛宪顺，苏东海，李顺新，王志博，贾永帅

(沈阳工业大学 机械工程学院，辽宁 沈阳 110870)

0 引言

大功率断路器液压操动机构是关乎电路安全的重要机构，对其分闸性能的研究是大功率断路器液压操动机构设计与制造的重点。

本文中的某型大功率断路器液压操动机构主要由碟簧、储能缸、工作缸、阀芯、活塞杆等部件组成。该型操动机构液压缸行程为200 mm,技术要求该型断路器需在15 ms～25 ms内完成分闸操作。本文在考虑液压和机械特性的基础上建立数学模型，利用仿真软件Simulink得出分闸过程曲线，以验证该型大功率断路器液压操动机构的分闸性能。

1 液压操动机构系统原理

大功率断路器液压操动机构系统原理简图如图1所示。由图1可知，工作缸有杆腔与储能缸相连通，工作缸无杆腔的连通情况受阀芯控制。系统接收合闸信号后，单向阀5打开，单向阀4关闭，阀芯左移，节流口7关闭，节流口6打开，工作缸无杆腔与碟簧储能缸相连通,活塞杆向左运动带动闸刀合闸。系统接收分闸信号后，单向阀4打开，单向阀5关闭，阀芯右移，节流口7打开，节流口6关闭，工作缸无杆腔与回油路相连通，活塞杆快速向右运动带动闸刀分闸。由于单向阀反应时间和阀芯运动时间较短且固定，因此本文重点研究节流口打开后，该型大功率断路器液压操动机构的分闸过程。

2 液压操动机构传递函数模型

2.1 阀的流量方程

阀芯右移，节流口7打开，节流口6关闭，所以压力-流量方程为：

(1)

其中：q1为工作缸无杆腔流量，m3/s；Cd为流量系数；D为阀芯位移，m；XV为阀芯台肩直径，m；ρ为液压油密度，kg/m3；p1为工作缸无杆腔压力，Pa；p0为回油压力,取值为0 Pa。

1-工作缸；2-阀芯；3-阀体；4，5-电磁单向阀；6，7-节流口；8-碟簧；9-液压泵；10-储能缸

2.2 工作缸无杆腔流量连续性方程

工作缸无杆腔流量连续性方程为：

(2)

其中：A1为工作缸无杆腔面积，m2；y2为工作缸活塞杆位移，m。

2.3 工作缸力平衡方程

液压缸输出力与负载力的平衡方程为：

(3)

其中：m1为工作缸活塞质量，kg;Bc为黏性阻尼系数；p2为工作缸有杆腔压力，Pa；A2为工作缸有杆腔面积，m2；F为工作缸活塞杆上外负载力，N。

2.4 碟簧储能缸力平衡方程

碟簧储能缸输入力与输出力的平衡方程为：

Kb(ΔX30-y3)=p3A3.

(4)

其中：Kb为碟簧弹性系数，N/m；ΔX30为储能缸活塞杆总压缩量，m；y3为碟簧储能缸活塞位移量，m；p3为碟簧储能缸压力，Pa；A3为碟簧储能缸有效面积，m2。

2.5 工作缸有杆腔和弹簧储能缸压力

碟簧储能缸与工作缸有杆腔相连，故两腔压力相等：

p2=p3.

(5)

2.6 工作缸有杆腔和碟簧储能缸容积方程

由该机构的工作原理可知，分闸过程中储能缸输出的油液全部进入工作缸有杆腔，故工作缸有杆腔输入油液与碟簧储能缸输出油液体积相等，两腔油液体积方程为：

y2A2=y3A3.

(6)

2.7 传递函数模型

将式(1)～式(6)进行拉普拉斯变换，可得：

(7)

Q1=A1sY2.

(8)

P2A2=P1A1+m1s2Y2+BcsY2+F.

(9)

Kb(ΔX30-Y3)=P3A3.

(10)

P2=P3.

(11)

Y2A2=Y3A3.

(12)

由式(7)～式(12)可得到液压系统传递函数模型[1-3]，如图2所示。

图2 断路器操动机构系统传递函数模型

3 仿真分析及结果

表1为液压操动机构基本设计参数。通过将表1中参数代入图2中，利用仿真软件Simulink得到该型大功率断路器液压操动机构中活塞杆的位移-时间曲线[4-6]，如图3所示。

由图3可知，该型大功率断路器液压操动机构在20 ms完成分闸操作，符合设计要求。

影响大功率断路器液压操动机构分闸性能的参数主要有系统压力、工作缸两腔有效面积、阀芯开口量。利用数学模型和系统传递函数模型，也可以探索各参数对分闸性能的影响，设计出分闸性能与经济性最佳的产品。

表1 液压操动机构基本设计参数

图3 活塞杆位移-时间曲线

4 小结

(1) 本文针对该型大功率断路器液压操动机构建立起数学模型，并得到了系统传递函数模型，为该型大功率断路器液压操动机构的设计提供了理论基础。

(2) 利用仿真软件和设计参数得出操动机构活塞杆位移-时间曲线，验证了该型大功率断路器液压操动机构的分闸性能，该型操动机构符合设计要求。