lw252计算书文档格式.docx
《lw252计算书文档格式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《lw252计算书文档格式.docx（23页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
0.366（1-0.1236V-1）P：
压力（atm.abs）
V：
摩尔容积（l/mole）
k）R：
0.08207（l-atm/mole°
下图为根据计算值画出的液化曲线和20℃时不同压力所对应的等密度曲线
图1
2.2结构设计
采用双动式结构、自能式熄弧原理。
在开断大电流过程中，充分利用电弧能量提高膨胀室压力，达到理想的气吹效果；
同时活塞在机构的带动下压缩气缸，增加压气室压力。
当开断小电流时，在膨胀室压力不足时向膨胀室补充气体，形成强烈的吹弧效果，达到熄弧目的。
因充分利用电弧能量，从而降低了机构操作功，进一步提高机构稳定性能。
图2为灭弧室结构方案图。
图2
2.3全行程L0、开距LK、平均分闸速度VF及断口绝缘
灭弧室设计为双动结构，弧触头运动是根据气缸通过机械连接来保证的，因而在设计时按气缸的行程、速度来确定整个灭弧室的行程及速度。
按以往自能式252kV断路器，其分闸速度一般为7～8,现拟定气缸分闸速度为VF1=5.5～6.5m/s;
按图3、图4计算灭弧室分闸速度为VF=7.2～8.3m/s。
（分闸速度定义为刚分点――10ms行程与时间的比）
灭弧室全行程L0：
超程+开距LK;
触头开距LK1根据燃弧时间与分闸速度来定，预期最短燃弧时间为12ms左右，最长燃弧时间为23ms左右。
这需要灭弧室设计与机械特性相匹配。
故：
LK≈VF*Tarcmax=7.2*23=165mm；
考虑到VF为空载时速度，负载时速度有所下降。
为了提高刚分速度，可适当增加触头超程。
因此初步设计为：
压气式
自能式（单动）
自能式（双动）
触头开距LK
150
130
160
弧触头行程L02；
50
60
气缸行程L01
200
160;
弧触头超程
70
断口绝缘距离L
84
100;
主触头接触行程
13～17
弧触头接触行程
45
40
图4为触头运动关系图。
从开断角度考虑，希望在触头刚分点后10ms内平均速度最大，断口绝缘强度足以承受断口间恢复电压，因此在设计时适当地加大弧触头的接触行程，尽可能获得最大的刚分速度。
同时与以往设计不同，本次设计采用双动结构，从图6可以看出，触头运动在某一阶段有一个加速过程，图7为在拟定的活塞行程曲线
（1）下根据图6折算出灭弧室开距－时间曲线图。
图4
2.4绝缘验算
采用有限元方法对LW□-252型SF6断路器灭弧室开断过程中的电场进行分析，以掌握灭弧室的绝缘特性。
灭弧室区域由以下3种材料组成：
SF6气体、聚四氟乙烯和金属导体。
SF6气体和聚四氟乙烯的相对介电常数如表1所示。
表1材料的相对介电常数
SF6气体
聚四氟乙烯
相对介电常数
1.0021
2.1
静触头和动触头的电位分别为1kV和0时，不同开距下场强分布见表2图示
图5为全开距下电场强度矢量分布，计算时静触头和动触头的电位分别为1kV和0。
图5
2.5不同开距下断口绝缘验证：
计算时依据容性电流开合试验，按规定的TRV曲线，不同时刻在断路器断口间施加对应的恢复电压来验证的。
图7为在拟定的特性曲线与规定的TRV包络线GB1984。
图6
根据图6对应关系，计算在规定的TRV下断口间电场强度如表2。
表2
开距
施加电压1kV时场强E1
预期恢复电压（Kv）
预期恢复电压下E2
5.8
0.17896
42.2
7.55194
11.3
0.1716
79.5
13.64196
17.6
0.14131
115.8
16.36358
24
0.11759
142.3
16.73235
29.6
0.09828
163.6
16.07861
35.2
0.09416
188.7
17.76799
40.4
0.0917
218
19.9906
45.6
0.08654
253.5
21.93814
0.08007
282.2
22.59491
54.7
0.07783
306.3
23.84055
62.6
0.06984
348.4
24.33365
69.6
0.06222
399.7
24.86813
76
0.05653
451.5
25.52149
82.1
0.05017
491
24.63396
87.9
0.04334
21.27994
93.8
0.03806
18.6855
96.9
0.0346
16.98958
105
0.02775
13.62721
115
0.02482
12.1876
129
0.02228
10.93752
不同SF6气体压力时场强设计基准见表3：
SF6表压MPa
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
设计场强E
11
20
29
35
结论：
从计算结果分析:
SF6:
0.6MPaEMAX＝26.3（1050+200），预期恢复点压下最大E’=25.52；
可满足设计要求。
SF6:
0.45MPaEMAX＝23.11（950+200），E’=25.5；
可满足设计要求
气缸行程曲线合适，气缸平均速度VF=5.5～6.5（刚分点－10ms），
气缸相对静弧触头平均速度VF=8.0～9.0（刚分点－10ms）
2.7流场计算
喷口形状的设计及计算都是围绕预期的燃弧时间来进行的，图7为在拟定的特性曲线下，预期最短及最长燃弧时间时触头在喷口里的位置。
图7
假设TARCMIN=11～12ms，那么触头开距大概为L=83～97mm,此时电弧堵塞基本上在熄弧点前2～3ms消除。
方案2与方案3不同之处：
方案2中，在喷口候道与下游区连接处增加一个坡口，可适当地缩短TARCMIN。
说明：
喷口设计通常与触头、机械特性匹配综合考虑的，喷口形状不仅影响断口电场分布，而且直接关系到断路器成功开断与否。
本计算书所列三种方案是在结合126－40/T、252-40/T、252-50/Y的基础上提出来的。
在拟定的触头及机械特性下进行气流场模拟计算，目前对于气流场模拟计算，其结果还不可能定性地判定其计算模型是否具有开断能力，但至少可以判断由于喷口形状的改变所引起的发展趋势。
因此，借助气流场模拟计算可以寻找到较为理想的喷口
图8
2.7.1计算方法
对LW□-252型SF6断路器灭弧室开断过程中的气流场进行分析，从而为产品设计提供参考。
灭弧室的两种设计方案如图1所示。
SF6气体的材料属性如表1所示。
为简化模型构建的难度，将动触头保持不动，而静弧触头则以7m/s的速度相对动触头和喷口运动，静弧触头运动时间为22ms。
初始条件为：
热膨胀室的气压和温度分别为1MPa、500K，其余部分的气压和温度分别为0.6MPa和300K。
（a）方案1
（b）方案2
图9灭弧室设计方案
表4SF6气体材料属性
相对分子质量
146
热导率W/（m
K）
0.013
动力粘度kg/（m
s）
1.789×
10-5
比定压热容J/（kg
660
2.7.2计算结果
计算了44个时间步，每个时间步步长为0.5ms，计算结果见附录。
以速度为例，速度-01.jpg对应的时刻为0.5ms，速度-02对应的时刻为1.0ms，速度-03对应的时刻为1.5ms，以此类推。
静弧触头附近不同时刻的气流密度如表5和图10所示。
表5不同时刻的密度
密度kg
m-3
时刻/ms
方案1
方案2
41.0509
11.0
36.9425
24.0713
41.2432
39.5038
11.5
35.6218
24.1479
1.0
42.5524
41.6006
12.0
33.9328
24.149
1.5
39.5582
39.6561
12.5
32.4553
24.1516
2.0
41.3732
40.2892
13.0
30.9535
24.1929
2.5
44.7111
42.4742
13.5
29.5629
24.2629
表5（续）
3.0
49.2989
44.2671
14.0
27.7339
24.3317
3.5
52.2925
48.6905
14.5
25.8523
24.4153
4.0
53.866
49.0796
15.0
25.4746
24.4715
4.5
53.2941
43.8855
15.5
25.3901
24.6013
5.0
51.3877
37.7545
16.0
25.6465
24.7023
5.5
47.7327
36.2114
16.5
25.9272
24.7822
6.0
45.1218
34.9211
17.0
26.0833
24.8822
6.5
44.5403
32.9644
17.5
26.0566
24.9444
7.0
44.2435
30.4046
18.0
26.0272
25.0173
7.5
43.5351
26.1932
18.5
25.9162
25.0705
8.0
43.1174
23.5732
19.0
25.7544
25.1006
8.5
42.9461
22.4513
19.5
25.6585
25.1203
9.0
41.8996
22.6635
20.0
25.5567
25.1477
9.5
41.0614
23.3219
20.5
25.5026
25.1721
10.0
39.529
23.7042
21.0
25.463
25.2164
10.5
38.2648
23.9871
21.5
25.4155
25.2681
22.0
25.3923
25.3648
图10静弧触头附近不同时刻的气流密度
计算分析：
计算模型：
假设热膨胀室体积V恒定，充一定气体质量m，气压和温度分别为1MPa、500K，从计算结果发现，方案2静弧触头端部密度比方案1下降快，则可以判定方案2喷口的流量较大。
实际上热膨胀室与压气室通过阀片相连，压气室底部安装释放阀，其设计动作值为1.7P0,约1MPa。
在开断过程中，压气室内压力P=f（vt）有一个增加过程，电弧堵塞期间，部分电弧能量导入热膨胀室，使得膨胀室压力增高。
期望在喷口打开之时建立一个较高的气吹压力，使得喷口喉道气流速度为音速。
在喷口打开后，膨胀室内压力开始下降，此时压气室压力逐渐上升，在一定时间内压气室向膨胀室补偿高密度的冷态气体，
设计期望：
电弧堵塞期间，膨胀室压力增高2P0左右;
3、机构设计
3.1设计原理
机构采用弹簧操动机构，工作原理：
合闸弹簧在电机的带动下储能，合闸时，合闸脱扣器动作，合闸保持失衡，合闸弹簧释能，断路器合闸，同时分闸弹簧被压缩储能。
与此同时，合闸弹簧在电机的带动下储能，为下一次合闸作准备。
此时，分、合闸弹簧均储能，可进行O-CO。
分闸时，分闸脱扣器动作，分闸弹簧释放，断路器分闸。
图9
3.2计算分析：
3.2.1机构操作功计算
3.2.1.1归化质量计算
图10
动主触头（见图11），铬青铜，密度8.9g/cm3：
m1=
动弧触头（借LW36-126）铬青铜+钨铜，密度8.9g/cm3：
m2=
小喷口,聚四氟乙烯加填料，密度2.3g/cm3
m3=
）×
2.3=（62.34+24.11+140.23-132.37）×
2.3=0.21kg
大喷口（见图11）：
聚四氟乙烯加填料，密度2.3g/cm3
m4=2.3kg………………………（三维计算得出）。
主触头座，铸铝ZL101A,密度2.7g/cm3：
m5=
气缸,热挤铝管，密度2.7g/cm3：
m6=π（14.32-13.22）
34
2.7/4=2.18kg
活塞杆）（钢），密度7.8g/cm3：
m7=
绝缘拉杆，真空浸胶管（密度1.8g/cm3）加铝接头，：
m81=
m82=
m8=m81+m82=3.5+0.4=3.9kg
销子，直径20mm,长45。
（钢）：
m9=
传动拐臂：
转动件进行质量归化后，归化质量一般很小。
所以，这里不再计算，设定一个值。
m10=1kg
以下为机构及连杆部分。
机构连杆及接头
连杆真实质量：
接头（2件）真实质量：
md2=
杆件质量
弹簧托板及拉杆
实际质量参考LW36-126实测6.67kg，考虑到LW-252的弹簧尺寸要大，相关零部件尺寸也会增大。
拉杆尺寸增长100mm（截面尺寸40*15）,托盘直径增大5mm（原直径146,重量3.12）。
质量增加为：
拉杆4*1.5*10*7.8=0.46kg
托盘3.12*（1512/1462-1）=0.22
弹簧部分的实际质量为：
mt=7.33kg（6.67+0.46+0.22）
质量归化
如图10，连杆一半质量集中于A点，另一半集中于D点，替代质量分别为：
mA=md/2,mD=md/2+mt。
全部效折算到B点：
kg
整个运动系统的等效质量M为：
M=m1+m2+……＋m10+m11=1.29+0.51+0.21+2.3+1.5+2.18+3.74+3.9+0.22+1+5.81=22.3kg。
针对22.3kg的归化质量可以通过以下几个方面减小：
1）将活塞杆尺寸改为：
φ32×
φ26，修改后质量为2.40kg,减轻1.34kg
2）将绝缘拉杆内径改为φ37，外径不变。
修改后质量2.7kg,减轻1.2kg
3）将托盘改为铝制（曾经验证过可靠），修改后质量1.08，减轻2.04kg
4）对拉杆适当修改（减小宽度，改变外形），减轻重量，可减轻0.5kg.
则，规划质量可以减轻到：
M=22.3-1.34-1.2-2.04-0.6=17.22
但，上述修改中，活塞杆的强度虽然计算验证强度可靠，但鉴于目前的计算方法，对冲击载荷无法计算，所以对其可靠性不敢保证。
另外，绝缘拉杆的修改需要修改模具。
3.2.1.2操作功计算
以归化质量M=20.3kg计算操作功。
a:
分闸时加速动能A1
A1＝1/2×
m×
vf
＝0.5×
20.3×
7.8
=617N·
m
b:
分闸时压气消耗能量A2
1.在喷口开放时（td＝8ms）行程l＝35＋65＝100mm，气缸达临届气压1.7P0
2.气缸最高气压为2.2P0（l=170mm）
3．l=230mm时，
A2＝1/2×
（2.2-1）×
6×
125.6×
0.25=1108N·
m（参照SF6高压电器设计）
另：
根据现在LW36-126计算反推计算：
单极归化质量7.38kg，三相联动部分归化质量5.1kg,弹簧部分及连杆归化质量6.57kg,总的归化质量M=3*7.5+5.1+6.57=34.2kg。
1）分闸加速动能E1=MV2/2=34.2*52/2=427.5N·
M
2）分闸弹簧功E=79*（6550+21800）/2=1134N·
3）摩擦功保守估计E2=50N·
M，缓冲器吸收A3=150N·
4）每相消耗压气功为：
E4=（1134-427.5-50-150）/3=168.8N·
以此为参考我们估计LW-252的压气功为：
A2=E4
N·
M
综上：
取A2=900N·
c:
分合时触头系统及密封件摩擦消耗功A3
主触头摩擦力f1＝31×
28×
0.2＝174N
中间摩擦力f2＝30×
9.8N·
m2×
0.2=118N
弧触头摩擦力f3=3×
9.8×
8×
0.2=47N
转动摩擦力（归到绝缘杆下端）150N
A3＝66N·
d:
分闸油缓冲器吸收能量A4
为延缓分闸后期的分闸速度和减少分闸冲击力，设置分闸油缓冲器是必要的，缓冲器油力及其阻力功计算复杂，利用定型产品经验数据来设定A4
已知某252kV，40kAPGCB配强力弹簧机构（4234N·
m），运动件归化质量为34kg，平均分闸速度Vf＝7m/s分闸缓冲器吸收能量A＝350N·
本设计M＝20.3kg，Vf＝7.8m/s折算A4为
A4＝20.3/34×
（7.8/7）
×
350=260N·
e:
合闸加速能量A5
A5＝1/2×
vh
＝1/2×
4
＝162N·
f:
同理合闸缓冲器吸收能量
A6＝57N·
g:
分闸功Af
Af＝617.5＋900＋66＋260＝1842N·
h:
合闸功Ah,弹簧机构在合闸操作时，合闸弹簧力通过凸轮将操作力传递给输出拐臂，凸轮传动机械效率低，合分闸释放（储存）能量时也要耗能，因此机构传动效率
η1=0.75,开关传动装置简单取η2=0.95
Ah＝（162＋57＋1842）/（0.75×
0.95）=2892N·
4.2.2LW36－126机构改进型方案
为满足所需分、合闸操作功设计如下弹簧：
分簧从P2做功至P1状态，弹簧行程120mm，
1/2（P1+P2）×
0.12=1842
且（P2－P1）/0.12=P2/（120+f1）=P1/f1,考虑实际弹簧的可配套性，我们取f1＝55mm，
则P2＝23358N,P1=7341N,k=7341/55=133.47N/mm
取C=5.33则K=（4C-1）/（4C-4）+0.615/C=1.288
d≥1.6
=23.8
取d=24
D=Cd=5.33×
24＝128
有效圈数n=Gd
/8D
k＝78500×
/（8×
128
148.5）=10.5
分簧定型：
d=24mm,D=128,n=11,f1=55,f2=175,△f=120mm
校合：
P2=78500×
175/（8×
11）=24697N
P1=24697×
55/175=7762N
分闸弹簧功1/2×
（24697+7762）×
0.12=1948N·
Hb=24×
（11+1.5）=300mm
H0=300+175+25=500（300+25-222=103mm,分闸拉杆加长，分闸弹簧柜下移）
同理:
合簧:
P2=78500×
275/（8×
182
10）=31658N
P1=31658×
155/275=17844N
合闸弹簧功2970N·
d=29mm,D=182,n=10,f1=155,f2=275,△f=120mm
Hb=29×
（10+1.5）=333.5mm
H0=333.5+26.5+275=635mm（333.5+26.5-192=168mm,合闸拉杆加长，合闸弹簧柜下移，机构箱加长）
4.2.3相应更改
（1）改变拐臂8RG.239.765.1基准齿，孔距102mm改为152mm，分闸弹簧压缩行程由80mm改为120mm。
（2）分闸拉杆作相应更改。
（3）机座分闸弹簧固定部分外移，机座更改。
（4）分合闸弹簧系统及其配件重新设计。
3.2.4机构选型
3.2.4.1现有特性介绍
1）CT30弹簧机构特性
合闸Ah2＝3350N·
m分闸Af2＝1863N·
m，机械寿命2000次
2）LW36-126用弹簧机构特性
合闸Ah3＝2850N·
m分闸Af3＝1134N·
m，机械寿命6000次（4000次）
3）估算LW36-126用弹簧机构改：
（2850＋1134）×
4000/（2970+1948）=3240次
3.2.4.2不同型号间机构的优缺点
（1）CT30弹簧机构
优点：
a）现操作功能满足LW□－252断路器要求，Vf可达7.5～8m/S。
b）成型产品，为外购件。
配套时间短，对于LW□－252断路器开发，机构部分风险小。
缺点：
a）加大机构操作功时，实际寿命2000次左右，零部件没有裕度。
b）成本高，机芯2.8万元，带箱3.5万元。
c）为外购件，质量控制掌握在供方。
（2）LW36-126弹簧机构改进型
a）机构部分成本约2万元，且质量控制权在我方。
b）现行产品也用此机构，便于生产管理和服务，通用性强。
c）可替代GIS产品CT30机构。
d）机械寿命大于CT30机构。
a）现操作功需作调整后，才能满足LW□－252断路器特性要求。
b）试制时改动零件
升级会员 