CN102903546B - 一种燃气式直接力作用高压开关作动操作机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃气式直接力作用高压开关作动操作机构，主要包括容腔体3、顶盖4、活塞杆2、合闸燃气发生器5、分闸燃气发生器1；该操作机构通过在两个方向安装燃气发生器，实现操作机构的双向运动及多次运动，最终实现高压开关的多次分闸、合闸。为实现高压开关合-分-合或分-合-分连续动作要求，需按控制时序点燃燃气发生器。为将机构内的废气及时排出，在操作机构中设计排气孔。本发明以燃气发生器产生的高压、高速气体作为直接驱动力，能够达到高压开关可靠合闸、分闸毫秒级快速响应的使用要求。结构紧凑简单，体积小巧，零部件数量少，可靠性高，工艺实施性好，且具备拓展至百万伏级超高压开关的能力。

Description

一种燃气式直接力作用高压开关作动操作机构

技术领域

本发明涉及电力行业的高压及超高压开关技术领域，特别涉及一种新型的高压开关动力操作机构，用于驱动触头的运动来实现高压开关的合闸与开闸，最终实现高压或超高压线路快速、可靠的连通或切断。

背景技术

高压开关操作机构涉及的高压及超高压设备是国家重大技术装备。国内高压开关自主研发创新能力比较弱，很多关键技术/关键部件仍需依靠技术引进或进口产品，但从发达国家引进到最新、最尖端的技术成果的成本越来越高，困难越来越大，操作机构便是其中之一。

国内外高压、超高压开关使用的操作机构基本上都局限在气动弹簧机构、全弹簧机构、液压机构、液压卷簧机构、液压碟簧机构等结构型式上。

现有的220kV及以上电压等级的高压或超高压开关，其作动机构主要以碟簧机构为主。碟簧作为作动机构的储能装置，通过电机的缓慢压缩，积蓄高压开关工作三次的能量。碟簧储能后，当接到合、分闸控制命令时，线圈得电动作，使得储能保持挚子动作，碟簧释放能量，相应拐臂动作带动传动杆，实现高压开关的开合动作。研究表明，开关设备的故障率和其零件的数量成正比，弹簧操作机构结构比较复杂，零件数量多（约200个），要求加工精度高、制造工艺复杂，成本高，产品的可靠性不易保证。

发明内容

本发明的目的是：为解决现有高压开关结构复杂、成本高、可靠性差等不足，本发明提出一种新型燃气式直接力作用高压开关操作机构。

本发明的技术解决方案是：一种燃气式直接力作用高压开关作动操作机构，主要包括容腔体3、顶盖4、活塞杆2、合闸燃气发生器5、分闸燃气发生器1；所述顶盖4使得容腔体3形成与外界隔绝的腔体；所述合闸燃气发生器5和分闸燃气发生器1本别安装于顶盖4以及与顶盖4相对的腔体壁；所述活塞将容腔体3分隔成两部分，在容腔体3内可产生轴向运动，且所述活塞2外壁与容腔体3内壁形成间隙配合；容腔体3壁面沿周向均匀开设有排气孔6，如图所示容腔机构中，在腔体壁面正中沿周向开设排气孔，使容腔内气压在毫秒级规定时间t内迅速降为大气压，以确保活塞单向动作后顺利实现毫秒级反向动作。

为确保气体在规定时间内顺利排出，排气孔6总面积应不小于排气通道面积S，即排气孔6数量N及孔径d满足：

$N\left(\frac{1}{4}{\mathrm{\πd}}^2\right)\≥S$

其中，排气通道面积S与放气时间t的关系如下：

$S=5.22\×{10}^{-3}\frac{V_1}{\mathrm{kt}}\sqrt{\frac{273}{T_s}}\left\{\frac{2k}{k-1}\right[{\left(\frac{p_1}{p_a}\right)}^{\frac{k-1}{2k}}-1]+0.945{\left(\frac{p_1}{1.013\×{10}^5}\right)}^{\frac{k-1}{2k}}\}$

放气时间t：

$t=\left\{\frac{2k}{k-1}\right[{\left(\frac{p_1}{p_a}\right)}^{\frac{k-1}{2k}}-1]+0.945{\left(\frac{p_1}{1.013\×{10}^5}\right)}^{\frac{k-1}{2k}}\}\mathrm{\τ}$

充、放气时间常数τ：

$\mathrm{\τ}=5.22\×{10}^{-3}\frac{V_1}{\mathrm{kS}}\sqrt{\frac{273}{T_s}}$

式中，

k——绝热系数

p₁——容腔体3压强(Pa)

p_a——放气临界压强(Pa)

V₁——排气容积(m³)

T_s——气源温度（K）

D——容腔体3外径

同时，等效排气孔周长小于容腔体3截面周长，即

                                Nd<πD

所述合闸燃气发生器5和分闸燃气发生器1预装药剂剂量m₀≥m，其中，V为容腔体3的有效容积(m³)，P为容腔体3内气体平均工作压强(Pa)，T为容腔体3内燃气温度（K），q为气体发生剂产气量(mol/g)，如通用配方FDI-75D药剂的产气量为0.029mol/g。

工作时，操作机构根据控制指令要求，点燃合闸燃气发生器5或分闸燃气发生器1中的装药，使得容腔体3被活塞杆2分隔成的两部分腔体产生压差，从而使得活塞杆2产生轴向运动，完成合、分闸操作动作。

本发明的有益效果是：提出一种新型燃气式直接力作用高压开关操作机构，该操作机构,采用燃气发生器产生的高压气体作为高压开关开闸、合闸的动力源，驱动活塞运动。通过在两个方向安装燃气发生器，实现操作机构的双向运动及多次运动，最终实现高压开关的多次分闸、合闸。为实现高压开关合-分-合或分-合-分连续动作要求，需按控制时序（毫秒级响应）点燃燃气发生器。为避免燃烧废气阻碍活塞的反向运动，需将机构内的废气及时排出，故在操作机构中设计排气孔。本发明以燃气发生器产生的高压、高速气体作为直接驱动力，能够达到高压开关可靠合闸、分闸毫秒级快速响应的使用要求。

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明提出的高压开关操作机构，结构紧凑简单，体积小巧，零部件数量少，可靠性高，工艺实施性好，且具备拓展至百万伏级超高压开关的能力。以燃气发生器产生的高压燃气作为直接驱动力，是高压开关操作机构设计思想与观念的重要创新。

附图说明

图1是本发明提出的一种燃气式直接力作用高压开关作动操作机构示意图。

图中，1-分闸燃气发生器，2-活塞杆，3-容腔体，4-顶盖，5-合闸燃气发生器，6-排气孔。

具体实施方式

本实施例中的燃气式直接力作用高压开关作动操作机构，主要包括容腔体3、顶盖4、活塞杆2、合闸燃气发生器5、分闸燃气发生器1；所述顶盖4使得容腔体3形成与外界隔绝的腔体；所述合闸燃气发生器5和分闸燃气发生器1分别安装于顶盖4以及与顶盖4相对的腔体壁；所述活塞将容腔体3分隔成两部分，在容腔体3内可产生轴向运动，且所述活塞2外壁与容腔体3内壁形成间隙配合；容腔体3壁面沿周向均匀开设有排气孔6，如图所示容腔机构中，在腔体壁面正中沿周向开设排气孔，使容腔内气压在毫秒级规定时间t内迅速降为大气压，以确保活塞单向动作后顺利实现毫秒级反向动作。

为确保气体在规定时间内顺利排出，排气孔6总面积应不小于排气通道面积S，即排气孔6数量N及孔径d满足：

$N\left(\frac{1}{4}{\mathrm{\&pi;d}}^2\right)\&GreaterEqual;S$

由放气时间

$t=\left\{\frac{2k}{k-1}\right[{\left(\frac{p_1}{p_a}\right)}^{\frac{k-1}{2k}}-1]+0.945{\left(\frac{p_1}{1.013\&times;{10}^5}\right)}^{\frac{k-1}{2k}}\}\mathrm{\&tau;}$

及充、放气时间常数τ，

$\mathrm{\&tau;}=5.22\&times;{10}^{-3}\frac{V_1}{\mathrm{kS}}\sqrt{\frac{273}{T_s}}$

可得排气通道面积S与放气时间t的关系如下，

$S=5.22\&times;{10}^{-3}\frac{V_1}{\mathrm{kt}}\sqrt{\frac{273}{T_s}}\left\{\frac{2k}{k-1}\right[{\left(\frac{p_1}{p_a}\right)}^{\frac{k-1}{2k}}-1]+0.945{\left(\frac{p_1}{1.013\&times;{10}^5}\right)}^{\frac{k-1}{2k}}\}$

式中，

k——绝热系数，本实施例中k=1.33；

p₁——容腔体3压强(Pa)，本实施例中p₁=0.8×10⁶Pa；

p_a——放气临界压强(Pa)，此处，本实施例中为大气压p_a=1.013×10⁵；

V₁——排气容积(m³)，本实施例中V₁=0.02775m³；

T_s——气源温度（K），本实施例中T_s=737.15K；

t——放气时间（s），本实施例中t=0.01s；

D——容腔体3外径，本实施例中D=400mm。

同时，等效排气孔周长小于容腔体3截面周长，即

                                  Nd<πD

最后算得，本实施例中取N为20，d为40mm。

所述容腔体3与活塞2采用耐高温、耐磨、耐腐蚀材料或喷涂涂层以适应燃气工况。本实施例中，容腔体3与活塞2材料为高强45钢，表面喷涂耐高温、耐腐蚀材料。所述合闸燃气发生器5和分闸燃气发生器1预装药剂剂量m₀≥m，其中，

V——容腔体3的有效容积(m³)，本实施例中V=0.037m³；

P——容腔体3内气体平均工作压强(Pa)，本实施例中P=1.6×10⁶Pa；

T——容腔体3内燃气温度（K），本实施例中T=773.15K；

q——气体发生剂产气量(mol/g)，如通用配方FDI-75D药剂的产气量为0.029mol/g，本实施例中q=0.029mol/g。

本实施例中，合闸燃气发生器5和分闸燃气发生器1预装药剂为通用配方FDI-75D，剂量为318克。

本实施例中，所述合闸燃气发生器5和分闸燃气发生器1的点火时序由外围远程有线电子控制系统进行控制。点火终端控制系统设有分闸，合闸，合-分，分-合等时序动作指令，具备开、合闸等状态检测、显示能力。为达到高压开关的高速开合响应，指令控制传输精度优于1ms。

Claims (1)

1.一种燃气式直接力作用高压开关作动操作机构，主要包括容腔体(3)、顶盖(4)、活塞杆(2)、合闸燃气发生器(5)、分闸燃气发生器(1)；所述顶盖(4)使得容腔体(3)形成与外界隔绝的腔体；所述合闸燃气发生器(5)和分闸燃气发生器(1)分别安装于顶盖(4)以及与顶盖(4)相对的腔体壁；所述活塞杆(2)将容腔体(3)分隔成两部分，在容腔体(3)内可产生轴向运动，且所述活塞杆(2)外壁与容腔体(3)内壁形成间隙配合；容腔体(3)壁面沿周向均匀开设有排气孔(6)，所述排气孔(6)数量N及孔径d满足：

$N\left(\frac{1}{4}{\mathrm{\&pi;d}}^2\right)\&GreaterEqual;S$

其中，排气通道面积S与放气时间t的关系如下：

$S=5.22\&times;{10}^{-3}\frac{V_1}{\mathrm{kt}}\sqrt{\frac{273}{T_s}}\left\{\frac{2k}{k-1}\right[{\left(\frac{p_1}{p_a}\right)}^{\frac{k-1}{2k}}-1]+0.945{\left(\frac{p_1}{1.013\&times;{10}^5}\right)}^{\frac{k-1}{2k}}\}$

放气时间t：

$t=\left\{\frac{2k}{k-1}\right[{\left(\frac{p_1}{p_a}\right)}^{\frac{k-1}{2k}}-1]+0.945{\left(\frac{p_1}{1.013\&times;{10}^5}\right)}^{\frac{k-1}{2k}}\}\mathrm{\&tau;}$

充、放气时间常数τ：

$\mathrm{\&tau;}=5.22\&times;{10}^{-3}\frac{V_1}{\mathrm{kS}}\sqrt{\frac{273}{T_s}}$

式中，

k——绝热系数

p₁——容腔体(3)压强

p_a——放气临界压强

V₁——排气容积

T_s——气源温度

D——容腔体(3)外径

同时，等效排气孔周长小于容腔体(3)截面周长，即

Nd＜πD

所述合闸燃气发生器(5)和分闸燃气发生器(1)预装药剂剂量m₀≥m，其中，V为容腔体(3)的有效容积，P为容腔体(3)内气体平均工作压强，T为容腔体(3)内燃气温度，q为气体发生剂产气量。