CN102403139B - 一种特高压串补旁路开关用斥力换向阀 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种特高压串补旁路开关用斥力换向阀，包括阀体，阀体内设有阀芯，阀体内分有常低压油区、工作油区、常高压油区和阀芯移动区，阀体上设有低压油路接口、工作油路接口和高压油路接口，阀芯中设有高压油孔，阀体右部设有斥力阀，斥力阀的驱动杆与阀芯相连；阀芯的中部固设有压力保持翼，其始终位于工作油区内并与阀芯进行同轴设置。该换向阀具有结构简单、可靠性高、体积小、成本低、寿命长等优点；该换向阀动作时，转换速度较快，出力特性较软；该换向阀的静态保持力完全依靠自身油压力，应用该换向阀的旁路开关合闸时间为20ms～25ms，分闸时间为26ms～30ms，完全能够满足特高压串联补偿装置对旁路开关的技术要求。

Description

一种特高压串补旁路开关用斥力换向阀

技术领域

本发明涉及特高压交流输电试验扩建工程串补用旁路开关领域，特别涉及世界首创的1000kV特高压串补旁路开关用斥力换向阀。

背景技术

改革开放以来我国经济连续保持快速发展势头，同时对电力的需求不断增加，根据我国电力供需形势和能源分布状况，对建设特高压电网提出了迫切要求。特高压输电具有容量大、距离远、能耗低、占地少、经济性好等优势。2009年我国建成世界首条投入商业运行的晋东南-荆门1000kV特高压交流输电试验示范工程。

为充分发挥1000kV特高压交流试验示范工程作用，进一步提高工程送电能力，缓解华中地区能源短缺和用电紧张局面，满足山西煤电外送，因此在特高压交流试验示范工程基础上进行扩建，为提高线路的输送能力，在全线加装串联补偿装置(串补)，其基本原理如图1所示。图1中旁路开关的作用是负责投入及切出串联在特高压输电线路中的电容器组，其具有更大的触头开距、优越的关合高频大电流，且要求无重击穿；当输电线路出现故障时，通过对整个电力系统的仿真结果要求旁路开关具有快速分、合闸功能，尤其是合闸时间(换向阀动作时间+操动机构活塞杆动作时间)≤30ms，目前超高压等级串补用旁路开关的合闸时间仅为40ms-50ms，无法满足特高压串补的需求。因此需要改进及设计新型的旁路开关，尤其是其操动机构。

现有技术中旁路开关的操动机构大多采用性能可靠的液压弹簧操动机构，其中换向阀既是操动机构中的重要部件，又是间接控制旁路开关快速分、合闸的重要部件。目前最新型的换向阀中通常采用电磁阀和/或永磁阀来控制阀芯向左或向右运动。图2中示出了电磁换向阀的结构原理图，其利用电磁阀的通断控制油路通道，来更换控制油液的流动方向，进而控制阀芯向左或向右运动，最终使连杆带动断路器触头做分闸或合闸操作。根据实际换向阀使用中积累的经验，该电磁换向阀在工作时容易出现以下问题：一)需要各两个分、合闸电磁阀分别控制阀芯向左和向右运动，其中电磁阀的开通与关断操作过程和控制油路复杂；二)电磁阀及其转换油路截面较小，因此对介质洁净度要求较高，含颗粒状的介质经常会使用电磁阀及其转换油路堵塞，最终导致电磁阀拒动，从而影响换向阀的动作；三)密封环节多、安全系数低，容易产生外漏油；四)维修困难，液压油污染物沉积造成的换向阀阀芯动作失常，使换向阀失效。图3示出了永磁换向阀的结构原理图，其利用永磁机构(以下简称永磁阀)来控制阀芯向左或向右运动，该换向阀通过永磁阀22来替代如图2所示电磁换向阀中的电磁阀20和控制油路21，使换向阀整体结构简化，具有结构简单，零部件数量少，机械寿命长，可靠性高等特点。该永磁换向阀的工作原理主要是利用给永磁阀22的分、合闸线圈通入脉冲电流产生的电磁力来带动阀芯向左或向右运动，同时利用永磁阀上的永磁体使阀芯保持在两个极端位置。但仍存在如下缺陷：一)配此换向阀的液压弹簧机构分、合闸时间较长，因永磁换向阀的动作需克服自身永磁体所产生的保持力，无法满足特高压串补用旁路开关对合闸时间≤30ms的特殊要求；二)由于永磁阀内部的永磁体采用钕铁硼永磁材料，其市场价格较高，因此整个永磁阀成本较高。

以上的现有换向阀都存在一个共性的问题，即从电磁阀或永磁阀线圈得到换向阀动作完成时间在20ms左右(以下称为换向阀动作时间)，配以上两种现有换向阀的液压弹簧操动机构旁路开关的分、合闸时间较长，尤其是合闸时间(换向阀的动作时间+操动机构活塞杆动作时间)为35ms-40ms，无法适用特高压串补工程对旁路开关的要求。为此，本发明提出了一种新型换向阀——斥力换向阀。

发明内容

为满足特高压串联补装置对旁路开关合闸时间≤30ms的特殊要求。本发明设计了一种结构简单、可靠性高、使用寿命长的特高压串补旁路开关用斥力换向阀。

本发明的斥力换向阀是通过如下技术方案实现的：

一种特高压串补旁路开关用斥力换向阀，包括阀体和模块化的斥力阀，阀体内主要设有阀芯，阀体内分有常低压油区、工作油区、常高压油区和阀芯移动区，阀体上设有与常低压油区连通的低压油路接口、与工作油区连通的工作油路接口以及与常高压油区连通的高压油路接口，阀芯中设有用于将常高压油区中的高压油送入阀芯移动区的高压油孔，所述阀体右部设有斥力阀，斥力阀的驱动杆与阀芯相连；所述阀芯的中部固设有压力保持翼，该压力保持翼始终位于工作油区内并与阀芯进行同轴设置。

其中，所述斥力阀包括密封的尼龙壳体以及位于尼龙壳体中的驱动杆、斥力盘、分闸线圈和合闸线圈，所述驱动杆的两端分别穿出尼龙壳体外，所述驱动杆外沿其轴向方向依次设有合闸线圈、斥力盘和分闸线圈，所述合闸线圈与分闸线圈之间留有供斥力盘移动的空间。

其中，所述尼龙壳体为两端密封的筒形，所述斥力盘的外径小于尼龙壳体的内径、并且大于驱动杆的外径。

其中，所述阀芯的右端设有内螺纹孔，所述驱动杆一端设有与阀芯的内螺纹孔相配合的外螺纹。

其中，所述高压油孔包括一个与阀芯同轴设置、并与阀芯移动区连通的水平油孔以及两个分别与水平油孔、常高压油区相连通的斜油孔，通过水平油孔和斜油孔将常高压油区中的高压油送入阀芯移动区。

其中，所述压力保持翼为中空的盘状结构。

本发明斥力换向阀的主要改进部件在于阀体右端的斥力阀和阀芯结构，尤为明显的是阀体中部的压力保持翼。其一，用斥力阀来替代现有的电磁阀和/或永磁阀，结构上斥力换向阀去掉了现有电磁换向阀中的三个电磁阀、控制油路和阀芯右端油腔；替代了现有永磁换向阀中的永磁阀。其二，对阀芯结构进行了重新设计，最直观的表现是在工作油区内的阀芯部分创新性增加了压力保持翼。目的是可以使斥力阀控制阀芯快速平稳向左或向右运动，同时动作完成后，阀芯可以利用油压力保持在左或右两个极端位置。如果没有压力保持翼的结构，阀芯无法通过自身油压力起到保持作用。换向阀阀体的内部为密封的常高压油区、工作油区、常低压油区和阀芯移动区，阀体的右端部模块化的嵌入斥力阀，斥力阀驱动杆的一端与阀芯右端部以螺纹连接，整个装置连接后成一整体。

本发明的有益效果是：

1、该斥力换向阀利用电磁及油压的相互作用，其转换速度较快，其动作时间为10ms左右：使应用斥力换向阀的旁路开关的合闸时间为20ms～25ms，分闸时间为26ms～30ms，完全能够满足特高压旁路开关的技术要求，尤其是对合闸时间≤30ms的要求，且以上技术参数目前处于世界领先。

2、该斥力换向阀的操作更方便：对阀芯结构进行了重新设计，当阀芯运动到左极限位置后，阀芯的压力保持翼会使阀芯保持住；当阀芯运动至右极限位置时，是通过阀芯左、右两个端面油压差使阀芯保持住(此位置压力保持翼不起作用)，无须外接电磁阀或永磁阀等额外用于状态保持的部件；此外，当斥力阀带动阀芯动作过程中，通过对阀体内高、低压油流动过程的动态仿真结果设计的压力保持翼，可减小斥力阀带动阀芯过快动作造成对阀体腔壁的冲击，出力特性较平滑。

3、该斥力换向阀的结构更简单，总体积小：与现有电磁换向阀(附图4所示)的内部结构相比，利用一个斥力阀替代了四个分、合闸电磁阀及控制油路(通常其直经为0.5mm～1mm之间)；与现有永磁换向阀(附图5所示)内部结构相比，斥力阀内部无钕铁硼永磁片环绕，更简化了换向阀的整体结构，同时永磁换向阀使阀芯保持在分闸位置或者合闸位置依靠的是永磁阀产生的磁场静态保持力，斥力换向阀通常是通过自身的油压保持力来完成。油压转换较灵敏。

4、该斥力换向阀的密封点少、使用寿命长、安装维修调试方便：由于斥力换向阀无控制油路，因此对油的介质要求较低，且无需定期对油路进行超声波清洗。

5、该斥力换向阀的成本低：现有电磁换向阀(附图4所示)上的四个分、合闸电磁阀为进口产品，价格较高，同时控制油路的加工工艺要求极高，因此综合成本较高；现有永磁换向阀(附图5所示)虽然也省去了控制油路，但永磁阀中的钕铁硼永磁材料价格较高，其综合成本也较高。

附图说明

图1特高压串联补偿装置原理图；

图2为现有电磁换向阀的结构原理图；

图3为现有永磁换向阀的结构原理图；

图4为本发明斥力换向阀的结构原理图；

图5为斥力阀的结构示意图；

图6为带有本发明斥力换向阀的液压弹簧操动机构的结构原理图，其中图a为旁路开关的触头保持在合闸位置时的结构原理图，图b为旁路开关的触头保持在分闸位置时的结构原理图。

图2中，20电磁阀，21控制油路图中；

图3中，22永磁阀；

图4中，1常低压油区，2工作油区，3常高压油区，4斥力阀，5阀芯，6压力保持翼，7高压油孔，8阀芯移动区，9阀体，A低压油路接口，B工作油路接口，C高压油路接口，D左极限位置，E右极限位置；

图5中，10尼龙壳体，11斥力盘，12分闸线圈，13合闸线圈，14驱动杆；

图6中，15旁路开关的触头，16斥力换向阀，17下极限位置，18上极限位置，19连杆，F高压油，G低压油。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的斥力换向阀做进一步的详细说明。

如图4所示，该斥力换向阀16包括阀体9，阀体内设有阀芯5；阀体内分有常低压油区1、工作油区2、常高压油区3和阀芯移动区8，阀体9上设有与常低压油区1连通的低压油路接口A(通过该接口A向常低压油区中注入低压油)、与工作油区2连通的工作油路接口B以及与常高压油区3连通的高压油路接口C(通过该接口C向常高压油区中注入高压油)；阀芯5中设有高压油孔7，通过该高压油孔可将常高压油区中的高压油送入阀芯移动区中，该高压油孔7的结构最好由一个与阀芯同轴设置、并与阀芯移动区连通的水平油孔以及两个分别与水平油孔、常高压油区相连通的斜油孔组成。阀体9的右端部嵌入斥力阀4，斥力阀的驱动杆14与阀芯5右端进行螺纹连接，斥力阀4控制阀芯5向左或向右快速运动，同时利用油压使阀芯5保持在左极限位置D或右极限位置E。阀芯5中部还固设有与其同轴设置、呈中空圆盘状的压力保持翼6，该压力保持翼随着阀芯的左右运动而移动、并且运动范围始终在工作油区内，由于增加了压力保持翼，当阀芯运动到左极限位置D时，通过油压作用使阀芯保持目前状态；当阀芯运动到右极限位置E时，压力保持翼不起作用，由于常高压油区3中的高压油通过高压油孔7向阀芯移动区8中注入，所以阀芯移动区对阀芯有向右的油压力，通过油压作用而使阀芯保持在右极限位置E。

为了便于分析，图5给出了图4中斥力阀的内部详细结构图。此时斥力阀4中的分、合闸线圈没有电流通过，斥力换向阀中的油压作用会使阀芯5、斥力阀4及与驱动杆连接的斥力盘11保持在左或右端部。该斥力阀4包括密封的尼龙壳体10以及位于尼龙壳体中的驱动杆14、斥力盘11、分闸线圈12和合闸线圈13，驱动杆14的两端分别穿出尼龙壳体10外，驱动杆外沿其轴向方向由左至右依次设有合闸线圈13、斥力盘11和分闸线圈12，合闸线圈与分闸线圈之间留有一定空间，除了容纳斥力盘11外，斥力盘还可在该空间内左右移动，以此带动驱动杆14驱动阀芯向左或向右运动。尼龙壳体为两端密封的筒形，为了减小斥力盘运动时与尼龙壳体间的摩擦，斥力盘的外径最好小于尼龙壳体的内径、并且大于驱动杆的外径。

下面对本发明斥力换向阀的工作原理进行详细说明：

如图4所示，斥力换向阀16的阀芯5处在换向阀的右端部，此时工作油区2与常低压油区1接通，工作油区2保持低压状态。此时阀芯5左端部的有效压力面积大于右端部的有效压力面积，油压相同的情况下，油压力会使阀芯5保持右端部。如图6a所示，同时带有斥力换向阀16的新型液压弹簧操动机构的底部油腔充满低压油G，由于连杆19上、下存在压差，使连杆保持在下极限位置17，旁路开关的触头15保持在合闸位置。

当给斥力阀动作信号时，斥力阀4的分闸线圈12通入脉冲电流，产生磁动势。通过电磁感应会在斥力盘11中会产生感应涡流，进而产生向左的脉冲电磁斥力，同时阀芯5连同斥力阀的驱动杆14及斥力盘11还受到向右的油压保持力。当分闸线圈12中脉冲电流达到一定值时，斥力盘11中产生向左的电磁斥力大于向右的油压保持力，此时斥力盘11及驱动杆14会快速向左动作，同时驱动杆14带动阀芯5快速向左运动。在这个过程中工作油区2与常低压油区1断开，与常高压油区3接通，工作油区2由低压状态变为高压状态。此时如图6b所示，液压弹簧操动机构的底部油腔逐渐充满高压油F，进而带动旁路开关的触头15由合闸位置向分闸位置运动。

当斥力换向阀阀芯5运动到左端部时，旁路开关的触头15处在分闸位置。斥力阀的分闸线圈12脉冲电流截止，此时由于阀芯上压力保持翼6的存在，增大了阀芯的受力面积，使阀芯5右端高压侧的有效压力面积大于左端高压侧的有效压力面积，因此高压油压力将阀芯5及斥力阀驱动杆14和斥力盘11保持在左端部。此时工作油区2与常高压油区3接通，工作油区2保持在高压状态，如图6b所示，液压弹簧操动机构的底部油腔充满高压油F，使连杆19保持在上极限位置18，旁路开关的触头15保持在分闸位置。

当给斥力阀动作信号时，斥力阀的合闸线圈13通入脉冲电流，产生磁动势。通过电磁感应会在斥力盘11中会产生感应涡流，进而产生向右的脉冲电磁斥力，同时阀芯5连同斥力阀的驱动杆14及斥力盘11还受到向左的油压保持力。当合闸线圈中脉冲电流达到一定值时，斥力盘11中产生向右的电磁斥力大于向左的油压保持力，此时斥力盘11及驱动杆14会快速向右动作，同时驱动杆14带动阀芯5快速向右运动。在这个过程中工作油区2与常高压油区3断开，与常低压油区1接通，工作油区2由高压状态变为低压状态。此时如图6a所示，液压弹簧操动机构的底部油腔逐渐充满低压油G，进而带动旁路开关的触头15由分闸位置向合闸位置运动。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (2)

1.一种特高压串补旁路开关用斥力换向阀，包括阀体，阀体内设有阀芯，阀体内分有常低压油区、工作油区、常高压油区和阀芯移动区，阀体上设有与常低压油区连通的低压油路接口、与工作油区连通的工作油路接口以及与常高压油区连通的高压油路接口，阀芯中设有用于将常高压油区中的高压油送入阀芯移动区的高压油孔，其特征在于：所述阀体右部设有斥力阀，斥力阀的驱动杆与阀芯相连；所述阀芯的中部固设有与其同轴设置的压力保持翼，该压力保持翼随着阀芯的左右运动而移动且始终位于工作油区内；当阀芯运动到左极限位置时，阀芯的压力保持翼使阀芯保持在左极限位置；当阀芯运动至右极限位置时，通过阀芯左、右两个端面油压差使阀芯保持在右极限位置；

所述斥力阀包括密封的尼龙壳体以及位于尼龙壳体中的驱动杆、斥力盘、分闸线圈和合闸线圈，所述驱动杆的两端分别穿出尼龙壳体外，所述驱动杆外沿其轴向方向依次设有合闸线圈、斥力盘和分闸线圈，所述合闸线圈与分闸线圈之间留有供斥力盘移动的空间；所述压力保持翼为中空的盘状结构；

所述尼龙壳体为两端密封的筒形，所述斥力盘的外径小于尼龙壳体的内径、并且大于驱动杆的外径；

所述阀芯的右端设有内螺纹孔，所述驱动杆一端设有与阀芯的内螺纹孔相配合的外螺纹；

应用该斥力换向阀的旁路开关的合闸时间为20ms～25ms，分闸时间为26ms～30ms。

2.如权利要求1所述的斥力换向阀，其特征在于：所述高压油孔包括一个与阀芯同轴设置、并与阀芯移动区连通的水平油孔以及两个分别与水平油孔、常高压油区相连通的斜油孔，通过水平油孔和斜油孔将常高压油区中的高压油送入阀芯移动区。