动作可靠性（精选4篇）
动作可靠性 篇1
0 引言
直流输电具有传送功率大、线路造价低、控制性能好等优点,是作为高电压、大容量、长距离送电和异步联网的重要手段[1],在我国得到了越来越广泛的应用。
直流输电系统的保护功能的可靠性对交直流混联电网的稳定运行有着重要影响,直接关系到整个直流系统以及相关交流系统的安全运行。然而,南方电网直流输电系统运行中,却多次发生直流保护误动的事故,针对这一问题,本文以南方电网目前运行的直流输电保护系统为例,介绍了较典型的单一量测量异常造成保护误动的案例,并结合直流保护系统出口逻辑、测量回路原理等分析了保护误动的原因,最后还针对这些问题探讨了一些改进建议。
1 单一量测量异常造成直流保护误动的典型案例
(1)2007年01月15日,高肇直流输电系统送肇庆换流站极2直流滤波器保护系统2的高压直流线路电压UDL测量值偏大,导致过负荷保护误动作,极2误停运。
(2)2007年06月20日,天广直流输电系统广州换流站极1直流滤波器保护系统2过负荷保护动作,极1直流滤波器自动退至接地状态,并闭锁极1。检查发现故障原因为高压直流线路电压分压器的光电传感器故障,使送极1直流滤波器保护系统2的UDL偏大。
(3)2007年12月12日,天广直流输电系统广州换流站极2直流滤波器控制保护系统2 Simadyn D电源瞬时故障,自动重启时UDL测量值异常,导致过负荷保护动作,停运极2。
(4)2008年01月28日,天广直流输电系统广州换流站因极2直流滤波器保护系统电流采样模块损坏,导致直流滤波器差动保护(87DF)动作,闭锁极2。
(5)2007年09月11日,天广直流系统双极负荷1 600 MW运行,光电传感器故障导致送逆变侧极1极控主系统直流电压测量值突然变大,引起换流器开路保护I段动作,停运极1。
2 直流保护误动率较高的原因分析
2.1 直流保护系统出口逻辑存在的问题
直流保护系统保护的区域包括换流器、直流母线、高压线路及接地极线路、直流断路器和直流滤波器。以南方电网直流输电系统为例,换流器、直流母线、高压线路及接地极线路、直流断路器保护配置在同一系统中,习惯上统称为直流保护,直流滤波器采用单独的保护系统,同时还在极控系统中设置了一些后备保护。
保护系统必须确保本身的高可靠性,因此需采用冗余配置,并且冗余方式的选择直接影响到其可靠性的高低。
2.1.1 采用“三取二”出口逻辑的直流保护系统
南方电网天广、高肇及兴安直流输电工程中,直流保护系统均采用了“三取二”的出口逻辑[2]。
图1为套直流保护“三取二”逻辑的实现原理图。“三取二”逻辑模块只位于直流保护系统1和直流保护系统2,保护系统3只有保护功能模块,而没有“三取二”逻辑模块。因此,保护最后是从直流保护系统1和直流保护系统2出口。
显然,这样的配置既有较好的防拒动能力,也有较好的防误动能力[2]。而文献[3]也对高压直流输电系统保护装置冗余配置的可靠性进行了深入研究,对比了“二取一”、“二取二”、“三取二”和“四取二”这几种典型冗余配置方式的可靠性和经济性后指出:三取二配置是直流输电系统保护冗余方式的较好选择。
2.1.2 直流滤波器保护系统和极控内后备保护的出口逻辑
南方电网天广、高肇及兴安直流输电工程中,直流滤波器保护为冗余配置,两个系统设置相同的保护功能,任一套系统动作都将闭锁相应极。显然,这种“二取一”的出口逻辑,虽然不易拒动,但容易发生误动,并不能很好地平衡保护的防拒动和防误动能力。
而极控系统由系统1、系统2和系统切换控制模块三部分组成。系统1和系统2完全独立,正常时一个系统工作,另一个系统热备用,如果主系统故障,可以自动切换到热备用系统。主系统内的后备保护功能动作将直接闭锁相应极,这样的出口逻辑显然同时具有更高的误动和拒动的风险。
综上所述,由于出口逻辑的问题,直流滤波器保护系统和极控内后备保护本身就具有较高的误动可能性,而其中的部分保护功能仅采用单一特征量的测量值,更加增加了因测量值的异常造成保护误动、误停运直流输电系统的概率。
2.2 直流电压测量值异常的原因
由上述运行实例可以发现,高压直流线路电压测量异常是造成直流保护系统保护误动的最主要的原因,这和直流电压测量回路的特性有关。直流电压测量与传感器的布置结构如图2所示。直流电压通过电阻分压器在低压端输出测量电压。通过光电传感器将测量电压进行“电-光”转换后,分别传送至极控、直流保护以及直流滤波器保护等系统,用以执行相应的控制保护功能。
每次故障发生后,检查发现事故原因均为传感器内部的突然故障,造成送入相应控制或保护系统的测量值突然变大并最终造成保护误动。
3 改进建议
3.1 附加闭锁条件
针对直流滤波器过负荷保护误动率较高的问题,高肇直流输电系统改进了直流滤波器过负荷保护,增加了闭锁条件:一旦UDL>1.7 pu,则闭锁过负荷保护。
实现方法如图3所示。
图3中,实线部分为原过负荷保护逻辑(电容器过负荷能力根据图4判断),虚线部分为增加的闭锁条件。
显然,经上述改进后的直流滤波器过负荷保护虽然可以防止发生类似的误动事故,但同时也带来了拒动的风险,所以,应考虑更可靠的修改方案。
3.2 改进出口逻辑
然而,这仅仅针对过负荷保护,并不能从根本上提高采用“二取一”出口逻辑的直流滤波器保护和采用“一取一”出口逻辑的极控后备保护的可靠性,对此,建议改进出口逻辑,采取“二取二”或是“三取二”出口逻辑。如在2009年底计划开展的天广直流制保护系统综合治理工作中,就计划将直流滤波器保护的出口逻辑改进为“二取二”方式。
3.3 改进测量回路
上文已介绍过,直流电压测量回路中某一光电传感器故障是造成相应的直流电压测量值异常,并导致保护误动、停运直流输电系统的直接原因,对此,可以对如图2所示的直流电压测量回路做如下改进:
如图5所示,现场测量数据通过光纤均送至测量数据接收控制装置,在该装置中对所有的测量数据进行对比、分析,然后选取正确的测量值经现场总线送至各控制保护系统。
通过这样的改进方法,便可以避免运行中常见的光电传感器故障造成测量值异常、保护误动的事故。计划在2009年底开展的天广直流制保护系统综合治理工作中,就准备按这一方法改进直流测量回路。
3.4 复合其它特征量的闭锁条件
运行经验证明,误动概率较高的保护为采用了单一直流电压量的直流滤波器过负荷保护或极控系统内的换流器开路保护,这与直流电压的测量原理及测量回路中光电转换模块的设计和工艺有一定关系。除了要求设备制造厂家提高生产质量外,对于采用单一电压量的保护,还可以考虑根据电路原理复合其它量的闭锁条件,从而避免单一量的测量异常造成保护误动。
正常运行情况下,直流输电系统整流侧为定电流控制方式,可以看作一个电压源;而逆变侧可以看作通过调节等值阻抗R,实现定电压控制方式;其等效模型如图6所示。
根据图6,如果直流线路电压实际值大幅升高,这一瞬间的直流电流都必然发生巨大变化。因此,对于仅采用单一电压量的直流滤波器保护和换流器开路保护,也可以考虑附加电流闭锁条件。
4 结语
直流保护系统是直流输电系统中重要的设备之一,不仅可以保护一次设备的安全,还直接影响到直流输电系统乃至电网的稳定运行,因此往往采用冗余配置。南方电网直流输电系统中,大部分直流保护功能采用了具有较高可靠性和较好经济性的“三取二”的出口逻辑,然而,直流滤波器保护采用的却是“二取一”出口逻辑、极控系统中的后备保护采用的是“一取一”的出口逻辑,这造成了实际运行中一些保护功能多次误动。
对于这些保护多次误动的问题,运行维护单位采取了增加闭锁条件的方式改进直流滤波器电容器过负荷保护功能,并计划将直流滤波器保护出口逻辑改进为“二取二”的出口逻辑、改进直流测量回路;另一方面,考虑到直流电压测量回路异常是造成保护误动的主要原因,这也要求厂家进一步改进测量原理;而几次误动案例的直接原因都是测量设备故障,所以,设备制造厂家必须改进工艺流程、提高工艺制造水平,才能从根本上避免保护误动,提高直流保护的可靠性。
参考文献
[1]浙江大学发电教研组直流输电科研组.直流输电[M].北京:水利电力出版社,1985.
[2]雷兵.“三取二”逻辑在南方电网直流输电工程中的应用[J].继电器,2008,36(7):88-91.LEI Bing.Application of Selecting2from3Logic in CSG HVDC Transmission Project[J].Relay,2008,36(7):88-91.
[3]刘耀,王明新.高压直流输电系统保护装置冗余配置的可靠性分析[J].电网技术,2008,32(5):51-54.LIU Yao,WANG Ming-xin.Reliability Analysis on Redundant Configuration of Protective Relayings for HVDC Power Transmission System[J].Power System Technology,2008,32(5):51-54.
剩余电流动作保护器的可靠性分析 篇2
1 当今经济环境电网领域保护器的现状
1.1 动作保护装置的安排运用情况
当今环境, 电流的剩余动作保护器在电力系统中得到了大面积的运用, 并且由于其自身独特的保护性以及可靠性, 越来越对整体行业的发展起着巨大的推动作用。但我们也要认识到, 这并不是一劳永逸也不是一蹴而就的, 在发展过程中注定有很多问题需要我们解决, 不能让一些问题成为影响电路工作以及剩余电流安全性处置的巨大威胁。以下内容浅谈此类问题:
1.1.1 操作动作的不敏感状况
由于诸多问题的存在, 不能保证稳定性和敏感性在时刻都保持最良好的状态, 在很多情况下它们也受到了不能忽视的影响。尤其是在三项电力应用方面, 要让电路的敏感性完成较好效果, 就必须做到电流动作为稳定的整体数保持不变, 保证剩下的电流值和剩余的相位数值保持一致, 这样才会让电流在快速运转时达到保护的作用, 也就是让它在故障瞬间时跳闸。而作为不好的方面, 如果没能做到刚才所述情况, 即两个电路值保持一致, 那么就会使电流运转情况十分不理想, 保护器的作用不能充分发挥, 学术上称为动作的死区, 那保护器的保护作用的发挥也就无从谈起了。
1.1.2 电流保护装置的运作技术不标准
诚然, 绝大多数的员工们的态度毋庸置疑, 都会以非常充足的精力对待, 但是每个人的操作水平不一, 技术能力有差距, 经验丰富的员工又相对较少, 并且很多人对电流保护装置的了解并不充分, 认识不够深入, 这就是我们的装置并不能达到最好效果的很大一部分原因, 也就是人为因素所致的。常常出现的跳闸现象就与此相关。
1.1.3 还有许多技术人员并没有按照要求规范运用保护装置
首先一些地区在机器设备的选择上面就存在很大的误区, 这就导致了设备并不是最好用的或者最合适的, 并且存在一小部分技术人员, 因为这样或者那样的原因, 并没有认真的履行工作职责, 忽视诸如各电路接口和连接线的细节, 尤其还存在用木条给开关压力这种十分不可靠又危险的方式, 带来了十分巨大的安全隐患。与此同时, 地区间的差异也很明显, 以农村为例, 农村用电的不规范现象更多, 由于大部分村民既缺少安全意识, 又没有相应的防护措施, 诸如胡乱拉电线、架空电线、树枝扫线的行为是十分危险的。
1.2 动作保护装置如何保护
在动作电流保护装置的操作上, 二级保护方式和三级保护方式是当今主要流行的两种主要方式, 下面分别讲述下两者的不同:
首先对两者的使用上, 区域的不同就存在着不同的侧重选择。在城镇以外的地方, 也就是广大农村及城乡结合部处, 大部分都选择了二级保护方式。两者方式的不同还有, 二级防护方式就是在三级保护的“残缺版”和“简陋版”, 没有了其中一个部分———中级防护。在城乡结合部和广大农村都运用了此种方式。但城镇使用才是大部分电路使用情况的样本。也就是说, 绝大多数还是选择了三级保护方式。此方式主要是指一种更加可靠更加安全的保护措施。总保护器是其中一个重要部分, 还有尾端的保护装置, 以及按线路分出来的保护装置。
在此多说一下其中发挥着重要作用的尾端防护。尾端防护又称末端保护, 在防止人们直接接触电流情况的发生上起着巨大作用。被广泛应用于城镇里的一些娱乐场所和普通住宅区里, 位置主要是在距离电源头很近的类似于插座等地, 而二级保护缺少的, 也就是比这个尾端防护更高一级的, 便是中级防护, 也就是能有效的保证地线的安全, 降低发生相关事故的可能性, 增强安全系数, 充分保障电流有序科学的运行。
2 电流保护动作的装置出现问题时的解决办法
当今社会环境, 随着经济社会的告诉发展, 用电规模不断扩大, 用电时间不断延长, 给安全隐患的排除提出了很大的挑战。越来越多的用电事故不容忽视, 当然其中也不乏保护器故障。由于很多地区的用电理念不合理, 安全意识不到位, 乱拉电线乱接插口, 一旦发生故障, 群众并不能快速发现问题的真正所在, 也就不能快速的从根本上解决问题, 故对于如何排除电流保护装置故障带来的问题就显得十分有必要。方法主要包括以下几点:
(1) 要通过相应方式来迅速确定是哪里的故障, 确定是电路保护装置本身的故障还是线路或者其他的故障。此方法即为试探调试法。此方法步骤分为以下几步, 当然率先切断电源应该算是基本常识了。那么如何确定是否为保护器本身的故障呢?通过切断保护器旁边的引线, 然后将保护器恢复如初, 如果还能继续工作, 那就说明不是保护器问题, 此时应去检查电线等其他部分;如果不能继续工作, 就说明是保护装置本身的问题, 这时就要对装置进行维修, 如果无法维修就要迅速更换。如果发现不是保护装置本身的问题, 而确定了是线路出现了问题, 那么可以尝试以下方法。
(2) 按线路排除故障的方法。按线路排除故障时, 一定要按照一定的次序, 不能随便想先检查哪里就查哪里, 要讲究“从主到枝, 从头到尾”, 在确定主干线路和分支线路没有问题时再确定尾端线路。在首先排查主干线路时, 要切断各分线路的电源, 让电流只在主电路里面运行, 如果还能照常使用, 肯定说明主线路是没有问题的, 这时问题便出现在别的地方。按这个道理, 依次对别的线路也进行“单独输电”, 哪里运行错误便说明错误的所在, 这时主要表现在电路保护装置出现了跳闸的现象, 下面就要对该线路进行更换或维修了。
(3) 将各线路测量出来的数值进行比较。此时要利用到相关仪器, 并且测量时一定要做到精确无误, 这就对技术人员和测量记录人员提出了较高的要求。将得出的数值和记录在案的标准数据进行对比, 便可发现不符合常规数值的地方, 这时问题多半便出现在此处。
3 在电流保护装置工作时的防护和运营的几点意见
3.1 将测量出的电流的差值和时间差异做到最精确
通过上文可知, 在三级电流防护设施的应用上面的一系列优点, 但是与此同时也对我们的测试与测量工作提出了更高的要求。此种方法要我们通过相关设备, 获取各线路电流的相关数据, 尤其是电流间的能量差异和运行的时间差异, 当我们能保证在时间节点上的差异和电流本身的差异保持在一个相对可控又科学的数值时, 便能最大化此方法的效果, 增强输电效率。
3.2 对电流防护装置的监管实施是重点
电流本身的特殊性以及电流的危险性都决定了不能产生丝毫的失误, 否则动辄便是财产损失, 乃至付出生命的代价, 这就更加凸显出监管的重要性, 工作人员一定不能掉以轻心。不仅要定时的进行线路检查, 还要不时的对设备的安全性和可靠性进行检测, 对于出现损坏和故障的地方, 要及时抢修或更换, 不能怀着侥幸心理而放任不管。并且, 要定时对整个输电系统进行全面的普查, 检查整个系统是否能保持高效率的运转, 并且对于检测人员的任用上, 一定要由具有丰富经验的技术人员来担任, 同时禁止未经允许私自拆装电流保护装置的行为。
4 结语
根据上文所述, 剩余电流的防护装置的使用是十分有必要的, 并且对于电流的控制是十分可靠的, 不仅能最大限度的保证广大人民群众的用电安全, 还能充分利用电能资源。同时我们的技术施工人员也充当着极其重要的部分, 无论在日常监测中还是在故障的处理中, 都不能掉以轻心, 也不能怀有侥幸心理而放任不管, 一定要以严肃认真的态度积极应对。并且技术人员一定要加强相关理论知识的积累, 没有知识的储备是无法应对纷繁复杂的电路问题的。只有相关各方面都通力合作, 才能最大化电力资源, 推动整个行业的改革创新, 进而推动经济发展。
参考文献
[1]刘江.关于电流运转及故障维修的相关建议[J].电路与技术, 2016 (13) :34~35.
动作可靠性 篇3
断路器又叫高压开关, 它是变电所的重要设备之一, 它不仅可以切断与闭合高压电路的空载电流和负载电流, 而且当系统发生故障时, 它和保护装置、自动装置相配合, 迅速地切除故障电流, 以减少停电范围, 防止事故扩大, 保证系统安全运行。断路器的主要结构分为:保护回路、操作机构、断路器本体。当系统发生故障时触发二次回路, 保护装置发出指令, 高压断路器分闸线圈或合闸线圈通电, 使操作机构脱扣, 联动拉杆动作, 通过提升杆的上下直动, 实现动静触头的分合。
2 缺陷分析
2.1 二次回路
二次回路缺陷比例最高, 涉及到的部件类型和数量较多。
(1) 直流接地。主要发生在山东泰开LW8-35B型断路器。它的设计是将机构箱安装在三相瓷柱的正下方, 机构箱的上方有机构的拉杆穿过, 雨水也是从这个部位渗入, 造成线圈受潮, 直流接地故障。
(2) 操作把手接点粘死。主要是接点接触不良, 电阻大, 通电流时过热造成的。
(3) 操作不当。主要是低压小车式的真空断路器, 操作人员易推不到位。
(4) 储能装置。由于未储能长时间合闸, 易造成线圈烧毁。通过保护专业对合闸回路和储能回路的改造, 这类缺陷明显下降, 但不排除机械卡涩造成分合闸不顺。
(5) 其他因素。直流电源功率不足、接触器触点粘死、行程开关接点粘连等。 (1) 电磁机构易发生直流电源功率不足造成断路器分合闸不顺利, 这主要是由于:一是蓄电池寿命有限, 二是电磁机构的设计特点, 所需合闸功率较大。 (2) 电磁机构的接触器触点易粘死烧毁合闸线圈, 接触器接点接触不良, 又因保险不合格, 因此没有起到保护线圈的作用。 (3) 弹簧机构行程开关接点粘连现象也有发生, 这主要是由于行程开关的位置调整不当。
2.2 操作机构
无论是弹簧断路器还是电磁断路器, 它们的主要运动部件都是机械部件, 动作过程中必然有机械磨损现象, 因此需要通过充分的润滑来改善这种状况。弹簧机构润滑不及时或检修中润滑不到位易造成断路器拒分、拒合现象, 主要卡涩部位有导轨、合闸挚子和分闸挚子的滚轮 (BLR-XE机构) ;滚轮、四连杆的轴部等 (CT型机构) 。一般情况下, 要求每半年应对机构润滑一次, 由于客观因素, 我们并不能达到这个要求。
此外, 机械尺寸调整不当、机械变形, 五防不合理也易导致机构卡涩。该类缺陷主要发生在用户变电站, 用户自行改造、选型, 通过加强验收质量, 与用户沟通, 利用检修期间, 拆除或改造用户五防装置, 今年该类缺陷明显下降。
2.3 本体部分
通过统计, 本体出现的问题主要是气压异常报警和补气。尤其是2009末和2010年初, 气候较往年气温低, 沈开LW18断路器液化温度高 (-27℃) , 密度计感温包式补偿不准确、不能准确启动本体加热器, 造成气体液化, 并且气罐加热装置试验、更换、监视不便;怀疑阿尔斯通FXT-110断路器SF4与CF4比例不合要求, 造成气体液化。杏南工区对前者进行了改造, 对于后者, 检修人员对断路器进行了气体比例测试试验, 结果为4:1左右, 由于测试仪器对环境温度要求较高, 并且低温时气体已分层, 仪器测试的是断路器底部气体, 测出的数据也是不准确的, 应使用可靠设备, 且在环境温度适合条件下进行测试。
其他原因:密度计渗漏、密封不严或接点动作不正确, 本体渗漏, 动静触头烧毁。 (1) 密度计密封不严主要是在密度计与本体的连接处, 更换密度计时应严格密封, 更换后应进行检漏;密度计示数、接点动作是否正确应及时校验。 (2) 气体泄漏的原因主要是在本体法兰、充气口等处有裂缝或密封不严。 (3) 由于机械磨损或动静触头放弧导致动静触头行程、超行程的变化, 行程的变化给安全运行带来了极大的隐患, 如:宋芳屯一次变的732开关, 动静触头疑被烧毁, 导致停电数天。因此, 加强机械特性试验很有必要。
2.4 加热装置
东北冬季寒冷, 机构和气罐的加热回路也会影响机构动作的可靠性, 因此, 需要对机构的适当加温和做好密封措施来保证机构动作的灵活性。从历年数据看, 加热板的更换较为频繁, 约占总数的15.2%。加热板结构简单, 主要由铜导线和散热片组成, 但运行中加热板非常容易烧毁, 尤其是接口处。它烧毁的原因:一是由于加热板质量问题, 长时间运行易烧损;二是安装原因, 接线不合理等导致接触不良, 三是运行人员维护操作不当, 对于不带温控器的回路, 变电所值班人员冬季过后未切断加热器回路;四是用户变电所低压电源、低压回路配置不合理, 不能有效为加热板提供可靠电源。
3 提高断路器动作可靠性的技术措施
保证断路器动作可靠性, 重在预防:
关于断路器日常检修或验收的建议。 (1) 检查二次接线有无松动、烧损现象, 保险是否完好;合跳闸线圈阻值是否在合格范围内;储能电机线圈阻值是否在合格范围内, 不合格的要及时更换, 对于电机转动不顺利的, 还要检查碳刷是否有磨损、老化、破碎、卡阻现象;测试辅助开关接点是否正常接通、闭合;电磁机构的接触器触点有无烧伤、动作是否灵活;提示有关单位对于运行时间长并且有电磁机构的变电所要对蓄电池接点和容量进行检查、处理, 保证能提供足够的合闸功率。 (2) 操作机构:做好润滑工作, 尤其是弹簧机构 (不含小车式弹簧) 、电磁机构的断路器, 一是改善润滑方法:先清洗再润滑。检修中往往只注重润滑, 而忘记清洗的重要性, 清洗主要是去除失效的润滑脂及杂物。尤其要针对导轨、分合闸滚轮等部位进行重点维护。二是使用质量比较好的宽温润滑脂适量、均匀涂在转动部位 (如:滚子、四连杆轴部) , 并且保证润滑脂在有效期内使用。三是清洁润滑结束, 操作开关分合数次, 让润滑剂充分发挥作用。弹簧机构 (CT型机构) 储能后滚轮和定位件接触位置是否位于定位件中上部, 各部尺寸应符合标准:如半轴扣入深度等。 (3) 本体:每次充气和检修时的气压数据、温度记录要准确, 并记录密度计类型;更换本体部件时, 用检漏仪对焊接处、法兰、充气口处进行检漏, 根据数据对比判断是否大于1%的年渗漏量, 有条件时, 还应对渗漏点进行定量检漏, 以确定漏气率, 并根据结果分别处理;此外, 针对LW8-35B型号的断路器使用专用的密封胶对本体上侧螺丝、连接处进行密封处理。近两年通过采用厂家提供的特种胶进行密封起到了一定的效果, 降低直流接地的发生。 (4) 加热装置:参照相关断路器使用说明及规定进行判断加热回路是否完好, 包括:加热回路接线有无松动或接触不良;温控器是否正常启动;加热板是否有烧痕, 阻值是否合格。 (5) 组合电器:公司所辖范围内的组合电器有ZCW10-40.5和ZF10-126G, 组合电器的检修应注意安全措施 (通风、检测含氧量等) 、对各连接处的检漏、绝缘预试等工作。ZCW10-40.5的检修工作可参照《ZCW10-40.5敞开式组合电器维护检修及运行导则》, ZF10-126G组合电器应对在线数据的准确度进行测试。
相关新技术、新方法的应用, 目的是让检修工作更方便、断路器动作零件更少、数据更丰富、动作更可靠。因此, 我们要在做好现有工作的同时, 还要做好不断学习新知识的准备。
参考文献
动作可靠性 篇4
小型断路器属于低压断路器的一种,主要用于保护电路和控制照明,其分断能力对电气线路保护和电器安全起着关键的作用[1]。小型断路器具有过载保护和短路保护的功能,还具有分断能力高和限流强等优点。本文研究的对象为小型断路器的操作机构,小型断路器所有功能都需要通过操作机构完成动作而实现,其工作可靠性很大程度上都依赖于操作机构的动作可靠性。
目前,研究人员从不同方面对小型断路器的操作机构进行了研究。文献[2]采用虚拟样机技术对断路器操作机构进行了动态仿真,并在此基础上研究了操作机构结构参数对断路器开断速度的影响,对其进行 了优化设 计。 文献 [3]利用ADAMS软件和Flux软件,对小型断路器在短路情况下的操作机构分断过程进行了动力学仿真。 文献[4]利用多体动力学软件ADAMS对断路器操作机构的动作过程进行仿真,研究了弹簧弹性系数和转轴位置对操作机构 速度的影响。文献 [5]利用FMEA方法对低压断路器进行可靠性分析,研究了操作机构在使用过程中的各种故障模式。文献[6]结合多体动力学和有限元分析方法, 分析了操作机构关键部位在碰撞条件下应力的动态分布。文献[7]研究了连杆转换位置对断路器操作机构性能的影响,并对其进行了优化设计。 虽然对断路器操作机构的研究已经非常多,但关于操作机构运动功能(动作)可靠性分析方面的研究却比较少。
本文以DZ47-60型小型断路器为研究对象, 采用Monte Carlo方法对其操作机构在过载分断时的动作可靠性进行分析,研究了操作机构在过载分断时的可靠度。同时在基本随机变量概率特性已知的情况下,分析了操作机构中重要构件的灵敏度。
1小型断路器操作机构工作原理和受力分析
图1是DZ47-60型小型断路器闭合状态时操作机构的结构示意图,它主要由手柄1、上连杆2、 锁扣杆3、中心支架4、触头附件5和脱扣杆6等构件组成。
1.手柄 2.上连杆 3.锁扣杆 4.中心支架 5.触头附件 6.脱扣杆
图1是小型断路器闭合时操作机构的示意图。当出现过载电流时,热双金属片右端产生向上的推力作用于脱扣杆6,脱扣杆6克服锁扣杆3的作用力和脱扣杆扭簧的阻力矩M1沿逆时针方向转动,使脱扣杆6与锁扣杆3脱开。同时,锁扣杆3与触头附件5脱开,触头附件5在触头附件扭簧扭矩M2的作用下逆时针转动,使动触头与静触头断开。同时,触头附件5带动中心支架4逆时针转动,上连杆2受到中心支架4的作用逆时针转动,手柄受到上连杆2的作用顺时针转动,并在手柄扭簧扭矩M3的驱动下返回到断开位置。
小型断路器在闭合状态时,操作机构受到的外力主要有脱扣杆扭簧扭矩M1、触头附件扭簧扭矩M2、手柄扭簧扭矩M3和静触头对动触头的触头反力P2。若各转动副中的摩擦力忽略不计, 则机构各构件的受力情况如图2所示。
当小型断路器发生过载脱扣时,脱扣杆6受到热双金属产生的推力作用,克服作用力R36和阻力矩M1而发生动作,使脱扣杆6与锁扣杆3解锁,锁扣杆的受力平衡被打破,不再受到力R63和力R53的作用。同时,触头附件也将不受到力R35的作用,此时触头附件将处于自由状态,所以触头附件必将会在触头附件扭簧扭矩M2的作用下动作而使动静触头分离。 同时,中心支架在触头附件的带动下也将会运动,并且由中心支架、上连杆和手柄组成的四连杆机构将在手柄扭簧产生的扭矩M3的作用下运动。所以操作机构的动作可靠性取决于 脱扣杆6与锁扣杆3解锁动作 的可靠性。
由图2可知,若以触头附件6为受力体,对F点取矩可得
式中,lP2为转动副F点到力P2作用线的垂直距离;lR35为转动副F点到力R35作用线的垂直距离。
若以锁扣杆3为受力体,对H点取矩可得
式中,lR53为转动副H点到力R53作用线的 垂直距离; lN′63为转动副H点到力N′63作用线的垂直距离;lR63为转动副H点到力R63作用线的垂直距离。
若以脱扣杆为受力体,对J点取矩可得
式中,lR36为转动副J点到力R36作用线的垂直距离;lN′36为转动副J点到力N′36作用线的垂直距离。
由于R35=R53,R36=R63,N′36=N′63,所以通过式(1)~ 式(3)可得出:
2操作机构过载分断时的可靠性模型
小型断路器在脱扣时操作机构从静止状态到相对运动状态,必须保证启动时作用于脱扣杆上的驱动力矩Md大于脱扣杆上的阻力矩Mr,则操作机构的极限状态方程为
因此,操作机构启动可靠性模型为
3操作机构的动作可靠性分析
3.1驱动力矩概率及分布
在电流过载时,热双金属片通入大电流后发热,产生向上的推力,使脱扣杆6与锁扣杆3解锁,这个热推力也就是脱扣力。对转动副J点取矩,脱扣力产生的力矩就是驱动力矩Md:
式中,P1为热双金属片产生的推力,即脱扣力;l1为受力作用点K到转动副J点的距离;θ0为l1与x轴的初始夹角(图2)。
热双金属片产生的推力P1为[8]
式中,k为比弯曲率;EM为热双金属片弹性模量;b为热双金属片宽度;δ 为热双金属片厚度;L为热双金属片长度; Δt为热双金属片温升。
本文研究的是小型断路器在通入1.45倍额定电流时操作机构的动作可靠性,此时发生过载脱扣时,热双金属片的温升Δt=70℃。再根据各参数的 值:k =15 × 10-6/℃,b =6 mm,δ = 0.6mm,EM=152GPa,L =34.6mm,得出推力P1=2.6N。
在式(7)中,P1和θ0为常量,且P1=2.6N, θ0=10°;l1=(8±0.09)mm,服从正态分布。 利用Monte Carlo数值模拟 的方法得 出驱动力 矩Md的均值μMd=20.4838N·mm,标准差σMd= 0.0758N·mm,模拟抽样的组数为10 000,其直方图见图3。由图3可知,驱动力矩Md可近似认为服从正态分布。
3.2阻力矩概率及分布
(1)脱扣杆扭簧产生的扭矩M1为
式中,K1为脱扣杆扭 簧的刚度;φ1为脱扣杆 扭簧扭转 角度。
(2)脱扣杆与锁扣杆之间的作用合力R36产生的阻力矩为
其中,R36由力学分析已得出,即式(4)。
而触头附件扭簧扭矩为
式中,K2为触头附件扭簧的刚度;φ2为触头附件扭簧扭转角度。
(3)总阻力矩Mr为
在式(12)中,K1、K2和P2为常量,其他均为随机变量,且相互独立,并认为均服从正态分布。
扭簧刚度K1和K2的计算方法为[8]
式中,ET为扭簧弹性模量;d为扭簧直径;D为扭簧中径; Nc为有效圈数。
脱扣杆扭簧和触头附件扭簧参数值见表1。
根据表1和式 (13)可以计算 得出K1= 0.061N·mm/(°),K2=1.95N·mm/(°)。
P2为触头反力,其计算方法为[8]
其中,Q为与接触材料、表面等有关的系数, 一般取Q =0.0002;u为与接触形式有关的系数, 一般取u=1;Rc为接触电阻,Rc=0.1mΩ 。所以P2=2N。
在式(12)中,φ1的均值μφ1=45°,φ2的均值 μφ2=30°,取变异系数为0.05,则φ1的标准差均值σφ1=2.25°,φ2的标准差σφ2=1.5°。根据机构的位置与构件关系,得出各力臂长度的均值和标准差见表2。
利用Monte Carlo数值模拟方法得出阻力矩Mr的均值μMr=12.8615 N · mm,标准差 σMr=0.6472N·mm, 模拟抽样 的组数为10 000,其直方图见图4。由图4可知,阻力矩Mr也可近似认为服从正态分布。
3.3操作机构的动作可靠性及灵敏度
3.3.1可靠度计算
根据式(5)得出操作机构的极限状态方程为
在式(15)中,μMd=20.4838N·mm,σMd= 0.0758N·mm;μMr=12.8615N·mm,σMr= 0.6472N·mm。利用Monte Carlo法得出可靠度指标和可靠度分别为
3.3.2灵敏度分析
式(15)可以写成
式(18)中,P1=2.6N,θ0=10°,K1=0.061 N·mm/(°),K2=1.95N·mm/(°),P2=2N, 其他变量均为随机变量,且相互独立,并均服从正态分布。则式(18)可简化为
再进一步分析上述随机变量的分布参数对启动阶段失效概率的影响程度,即失效概率Fst对基本随机变量分布参数(均值μxi和标准差σxi)的偏导数。
利用Monte Carlo法求可靠性灵敏度,极限状态函数为g(x)=Z,基本随机变量为
它的联合概率密度函数用f(x)表示,则失效概率Pf(即Fst)为
可靠性灵敏度可由失效概率Pf对基本随机变量xi的分布参数θx(k)的偏导数获得: i
式中,IF(x)为失效域F的指示函 数;Rn为n维变量空间。
Monte Carlo法在计算式(21)所示的数学期望时,采用样本均值来代替总体均值,可得[9]
式中,xj为联合概率密度函数f(x)抽取的N个样本中的第j个样本。
而Monte Carlo法可靠性 灵敏度估 计值的方 差为[9]
则根据式(21)和式(23)可得其相应的可靠性灵敏度值见表3。从表3中可见,转动副F点到力P2的作用线的垂直距离、脱扣杆扭簧的扭转角度φ1对小型断 路器操作 机构脱扣 的失效概 率影响最大。
4结论
本文通过构建小型断路器操作机构在过载分断时的动作可靠性模型,运用Monte Carlo方法建立了机构动作可靠性的分析方法,并计算了操作机构在过载分断时的可靠度,结果表明小型断路器操作机构在过载分断时具有高的可靠性。在此基础上,分析计算了操作机构各构件参数对机构可靠性的灵敏度,得到了机构可靠性的敏感参数为:触头反力与锁扣杆和触头附件之间转动副的距离,以及脱扣杆扭簧的扭转角度。所建立的机构动作可靠性分析方法不仅可为分析计算小型断路器操作机构的动作可靠性提供理论依据,而且对小型断路器操作机构动作可靠性的提高有促进作用。
摘要：对小型断路器操作机构的动作可靠性灵敏度进行探讨。运用机构可靠性设计理论中的Monte Carlo法分析了操作机构在过载分断时的动作可靠性,构建了操作机构在过载分断时的动作可靠性模型;同时,利用Monte Carlo法分析了操作机构的动作可靠性灵敏度,给出了操作机构随机参数可靠性灵敏度的变化规律,研究了随机参数的改变对操作机构动作可靠性的影响。结果表明,该方法能够有效地分析小型断路器操作机构的动作可靠性,同时也可为小型断路器操作机构的可靠性设计提供参考。