用于金属短接时间控制的辅助开关操动特性研究

第31卷第15期中国电机工程学报Vol.31No.15May25,20112011年5月25日ProceedingsoftheCSEE©2011Chin.Soc.forElec.Eng.121文章编号：0258-8013(2011)15-0121-06中图分类号：TM564文献标志码：A学科分类号：470·40用于金属短接时间控制的辅助开关操动特性研究金立军1，张勇1，王珂1，张猛2（1．同济大学嵌入式系统与服务计算教育部重点实验室，上海市杨浦区200092；2．西安西开高压电气股份有限公司，陕西省西安市710077）OperationCharacteristicsofAuxiliarySwitchControllingClose-openTimeJINLijun1,ZHANGYong1,WANGKe1,ZHANGMeng2(1.TheKeyLabofEmbeddedSystemandServiceComputing,MinistryofEducation,TongjiUniversity,YangpuDistrict,Shanghai200092,China;2.XianShikyHighVoltageElectricCO.,LTD.,Xi’an710077,ShanxiProvince,China)ABSTRACT:Theclose-opentimeofhighvoltagecircuitbreakerisakeyparameterforaffectingthebreakingcapacity.Thereasonablecontrolofclose-opentimehassignificantinfluenceonbreakingcapacityofcircuitbreakerandsafetyofpowergrid.Thestructureofauxiliaryswitchofhigh-voltagecircuitbreakerwasanalyzedtoputforwardaproposalforcontrollingclose-opentimebyauxiliaryswitch,establishamathematicalmodeltodescribetheauxiliaryswitch’soperationcharacteristicsandcalculatethedelaytime,optimizethestructureofcontrollingtimedelaywhichwasbasedontheoreticalanalysisinthispaper.Theresultofdelaytimeis16.63ms,andthesimulationoftimedelaycharacteristicsistestedandverifiedbyexperimentfinally.KEYWORDS:circuitbreaker;close-opentime;auxiliaryswitch;timedelay;mathematicalmodeling摘要：高压断路器的金属短接时间是影响断路器开断能力的关键参量，直接影响断路器的关合和开断性能。合理控制金属短接时间对于保证断路器的开断能力以及整个电网的安全都有着重要的意义。通过分析高压断路器辅助开关的结构，提出了采用辅助开关实现的金属短接时间控制方案，建立了描述辅助开关操动特性的数学模型，并求解出延时时间为16.63ms，根据理论分析对延时控制机构进行了优化，辅助开关延时特性的仿真计算通过了实验验证。关键词：断路器；金短时间；辅助开关；延时；数学建模0引言高压断路器是输配电领域中重要的电气保护设备。在重合闸操作中，触头闭合到第二次触头分开所需用的时间，称为“金属短接时间”。金属短接时间对超高压断路器重合闸操作第二“分”的开断能力影响很大[1-2]。目前我国生产的高压SF6断路器，尽管种类广、型号多，各种开关分闸时间不同，但对金属短接时间要求基本一致。根据电力行业标准DL/T755—2001《电力系统安全稳定导则》要求，高压断路器制造厂在设计产品时，其合分时间应不大于60ms，推荐采用50ms。对于电力系统，运行时的金属短接时间通过系统保护继电器来进行调整。继电器动作时间通常为6~15ms，断路器固分时间为17~20ms，合计约为23~35ms，远小于推荐的50ms。国家电网咸宁工程使用的超高压断路器曾因金属短接时间不够导致开断失败。在智能电网建设中，国家电网提出高压断路器金属短接时间必须由断路器自身采取可靠措施实现，以确保重合闸第二个“分”的开断能力。经研究发现，高压断路器的分合闸指令是由其操动机构配置的辅助开关发出的，因此辅助开关是进行金属短接时间控制的理想而可靠的机构[3-4]。本文结合理论力学和系统动力学，对辅助开关结构进行分析，研发了可控制断路器金短时间的延时机构，建立描述其运动特性的数学模型，并进行延时辅助开关的参数优化，研究成果通过实验加以验证。1延时辅助开关结构及延时运动过程分析1.1辅助开关结构辅助开关结构如图1所示，常用的辅助开关有基金项目：上海市重点学科建设项目资助(B004)。SupportedbyShanghaiLeadingAcademicDisciplineProject(B004).122中国电机工程学报第31卷2个工作位置，动触点与左静触点接触的位置为合闸位置，与右静触头接触的位置为分闸位置。触点在电气上是分开的，主动轴以一定的速度带动动触头旋转到指定位置时，发出控制信号至分合闸线圈，使断路器的操动机构动作。21AA3132(a)辅助开关前视图(b)A-A面剖视图1—主动轴；2—静触点；3—动触点。图1辅助开关结构图Fig.1Structureofauxiliaryswitch1.2延时辅助开关结构及运动过程延时辅助开关在普通辅助开关的基础上增加了延时触点及延时机构，延时触点在普通接点闭合后再进行动作，可延时15~20ms。延时辅助开关结构如图2所示[5-6]。76543217654321(a)分闸位置(b)触发位置1—从动轴；2—从动卡片；3—扭簧；4—主动卡片；5—尾端挡板；6—卡槽；7—延时静触点。图2延时辅助开关结构图Fig.2Structureofauxiliaryswitchfortimedelay参见图2(a)，当辅助开关处于分闸位置时，从动卡片卡在卡槽内。运动开始时，主动轴带动主动卡片逆时针运动，普通触点随之转动，延时触点保持不动，扭簧开始储能。当到达触发位置时，参见图2(b)，主动卡片运动约为90°，普通触点此时已经接通，主动卡片推动从动片脱离卡槽，扭簧开始释放能量，带动从动卡片转动，并推动从动轴使延时触点开始转动，至合闸位置时，从动片受到扭簧压力，再次卡入卡槽内，延时触点接通，合闸运动过程结束。本结构左右对称，左右运动过程相同。通过分析上述运动过程可知，延时辅助开关的整个运动过程可分为2个相对独立的过程，分别是主动卡片运动过程以及从动卡片运动过程(即延时运动过程)[7-10]。2延时辅助开关结构及延时运动过程分析2.1主动卡片运动特性数学建模主动转轴通过连杆机构与断路器液压操动机构主动杆轴连接，断路器分合闸过程中，主动杆轴做直线运动带动连杆动作，使延时辅助开关主动轴做定轴转动。主动片运动系统在转动过程中主要涉及以下部件：主动轴、主动片、扭簧、静普通触点、动普通触点夹片、动普通触点。在合闸操作时，受到连杆作用力的主动轴带动主动片运动，扭簧开始储能，主动片受到扭簧的反向作用力，同时还在运动过程中受到与塑料垫片间的摩擦力，阻碍其运动。根据重力场中刚体转动功能定理，忽略主动片质心变化可得[11-12]21221121111()d22fMMMJJθθθωω−−=−∫扭主(1)式中：θ1为主动片初始角位置；θ2为主动片最终角位置；dθ为主动片角位移；M为连杆对主轴作用力矩；Mf1为主动片与塑料垫片摩擦力矩；M扭主为扭簧对主动片反作用力矩；J1为主动片系统转动惯量；ω1为主动片初始转动角速度；ω2为主动片最终转动角速度。该模型对分析延时辅助开关的整体运动过程非常关键，是分析延时运动过程的依据。2.2从动卡片运动特性数学建模当主、从动片触发时，主转动片推动从动片脱离卡槽，扭簧开始释放能量，此时从动片受到扭簧的作用力开始运动，在运动的过程中同时还受到摩擦力的阻碍作用。从动片运动系统在转动过程中主要涉及以下部件：扭簧、尾端挡板、从动轴、从动片、静延时触点、动延时触点夹片、动延时触点。根据重力场中刚体转动的功能定理，忽略从动片质心变化可得[11-12]43222222111()d22fMMJJθθθωω′′−=−∫扭从(2)式中：θ3为从动片初始角位置；θ4为从动片最终角位置；dθ为从动片角位移；Mf2为从动片与塑料垫片以及尾端挡板间的摩擦力矩；M扭从为扭簧对从动片作用力矩；J2为从动片系统转动惯量；1ω′为从动片初始转动角速度；2ω′为从动片最终转动角速度。根据刚体转动定律可得[11-12]2222ddfMMJtθ′−=−扭从(3)第15期金立军等：用于金属短接时间控制的辅助开关操动特性研究123其中，MKθ′=扭从(4)式中：K为扭转弹簧刚度；θ′为扭簧释放能量转动角度。因此式(3)可写为2222ddfKMJtθθ′′−=−(5)初值为02120,d0,dθθθω′==⎧⎪⎨′′=−=⎪⎩ttt式中：0θ为从动片系统初始转动角度；1ω′为从动片系统初始转动角速度。该模型描述了延时运动过程，式(2)是状态方程，式(5)是连续性方程，都是对延时运动过程本质的描述，其实质是一致的。式(2)可以求得某一时刻、某一角度时的参数，利用式(5)可以得到转动角度与延时时间的曲线，并求得延时时间。延时时间是进行金属短接时间控制的重要的参数和依据。式(5)是2阶常系数线性微分方程，求解该方程可得202()cos()θθ′=−−fMKtKJ2122sin()ω′+fMKJKtKJK(6)式中：2fM、K、1ω′、2J都是未知参量；0θ是与运动过程有关的已知参量。下文对上述未知参量进行求解。3辅助开关延时时间求解及系统优化3.1摩擦力矩由于从动片在转动过程中与塑料垫片以及尾端挡板接触，故摩擦力矩包括两部分：与塑料垫片间的摩擦力矩M1以及与尾端挡板间的摩擦力矩M2。由于塑料垫片是圆环型，塑料垫片与从动片之间不是全部接触，二者之间的摩擦力矩可计算如下[13-14]：2123312122d()3RRMpCrrpCRRμμ=π=π−∫(7)式中：r为塑料垫片微分环形区域半径；μ为摩擦系数；p为主动片与塑料垫片间的压强；C为主动片与塑料垫片间的平均接触率；R2为塑料垫片外径；R1为塑料垫片内径。由于从动片是不规则形状，所以通过在从动片区域内积分计算M2，计算公式如下[13-14]：1222ddDMpxyxyμ′=+∫∫(8)式中：p′为从动片与尾端挡板间的压强；D1为从动片积分区域；μ为摩擦系数。通过压力表测得主动片与塑料垫片间的压强p及从动片与尾端挡板间的压强p′均为0.04Mpa，从动片与尾端挡板摩擦系数为0.05(钢—钢，加润滑剂)，从动片与塑料垫片摩擦系数为0.05(钢—聚四氟乙烯)，计算可得M1为12.8357N⋅mm，M2为2.758N⋅mm，Mf2为15.5937N⋅mm。3.2扭转弹簧刚度扭转弹簧刚度是与弹簧特性有关的参量，具体表达式[15-16]如下：43670EdKnD=(9)式中：E为扭簧材料弹性模量；n为扭簧有效圈数；D为扭簧中径；d为扭簧直径。扭簧材料为65锰，弹性模量为206000MPa，直径选择1.1mm，弹簧中径为11.9mm，有效圈数为17，计算可得扭转弹簧刚度为0.4062N⋅mm/(°)。经验证弹簧力矩小于许用力矩，符合设计要求。3.3从动片角速度根据上文建立的模型可知，通过联立式(1)、(2)可以求解从动片初始转动角速度，但是方程中连杆对主轴作用力矩很难测出或求出，借助延时辅助开关特性测量仪器可以得到主动片转动过程中动触