淺談碟簧液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)低溫環(huán)境下的運(yùn)行應(yīng)對(duì)措施

引言

在電網(wǎng)系統(tǒng)中,斷路器是核心元件之一。為保證性能,斷路器的機(jī)械特性需保持在一定的范圍內(nèi)。影響斷路器機(jī)械特性的因素有很多,而低溫是其中一個(gè)很重要的因素。低溫不僅可能影響斷路器滅弧室內(nèi)的絕緣性能和開斷能力,也會(huì)顯著影響斷路器的機(jī)械特性,甚至?xí)箶嗦菲鳠o法動(dòng)作,這些都嚴(yán)重威脅著電網(wǎng)的安全運(yùn)行。

1碟簧液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)

液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)廣泛應(yīng)用在高電壓等級(jí)的斷路器中,是斷路器的驅(qū)動(dòng)裝置。碟簧液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu),通常簡稱為"碟簧機(jī)構(gòu)"(下同）,是液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)的一個(gè)重要分支,其結(jié)構(gòu)形式如圖1所示,高壓油儲(chǔ)存在蓄能器中,控制閥可決定液壓缸的無桿腔是接通高壓油還是低壓油,當(dāng)高壓油流向液壓缸的無桿腔時(shí),可推動(dòng)活塞桿向上運(yùn)動(dòng),進(jìn)行合閘操作:反之,則為分閘操作。從動(dòng)作原理可以發(fā)現(xiàn),液壓系統(tǒng)的壓力直接決定著機(jī)構(gòu)分合閘的動(dòng)作特性。

圖1碟簧液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)原理圖

傳統(tǒng)的液壓機(jī)構(gòu)采用壓縮氮?dú)獾姆绞竭M(jìn)行儲(chǔ)能,這就造成系統(tǒng)壓力對(duì)外界溫度的變化比較敏感。與傳統(tǒng)的儲(chǔ)能方式相比,碟簧液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)通過壓縮碟形彈簧進(jìn)行儲(chǔ)能,有效改善了儲(chǔ)能介質(zhì)對(duì)溫度的敏感程度,提升了動(dòng)作特性的穩(wěn)定性。

1低溫對(duì)碟簧機(jī)構(gòu)的影響

環(huán)境溫度對(duì)于液壓機(jī)構(gòu)的影響主要有兩方面:

(1）低溫會(huì)影響操作機(jī)構(gòu)的輸出機(jī)械特性,影響分合閘時(shí)間、速度等。

(2）低溫會(huì)影響機(jī)構(gòu)的使用壽命,這主要是因?yàn)槿缦聝蓚€(gè)因素:1）低溫使液壓油黏度變大,液壓系統(tǒng)壓力損失增大。為保證液壓系統(tǒng)正常運(yùn)行,黏度通常需要保持在1000mm2/s以內(nèi)。2）低溫下液壓系統(tǒng)里的橡膠密封圈材料會(huì)發(fā)生收縮、硬化等,降低密封圈性能甚至導(dǎo)致密封圈失效。

碟簧機(jī)構(gòu)相比于傳統(tǒng)的氮?dú)鈨?chǔ)能液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)雖然改善了儲(chǔ)能介質(zhì)的溫度敏感性,但是由于液壓系統(tǒng)的固有屬性,其機(jī)械特性在低溫下仍會(huì)發(fā)生明顯改變,尤其是在靜置后的操作。有研究表明,當(dāng)環(huán)境溫度由21℃降至-15℃時(shí),某配碟簧機(jī)構(gòu)的斷路器產(chǎn)品的合閘時(shí)間由45ms延長至55ms,嚴(yán)重影響產(chǎn)品的機(jī)械特性。

2碟簧機(jī)構(gòu)的低溫應(yīng)對(duì)措施

通用的解決方法是安裝加熱器。在傳統(tǒng)的氮?dú)鈨?chǔ)能液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)中,由于存在體積較大的機(jī)構(gòu)箱,可以安裝大量的加熱器而不至于影響實(shí)際應(yīng)用和檢修。但對(duì)于碟簧液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)而言,緊湊的機(jī)構(gòu)箱空間要求在考慮低溫補(bǔ)償措施時(shí)需要更加合理地規(guī)劃利用有限空間。

以某型號(hào)斷路器配用的大功率碟簧機(jī)構(gòu)為例,考慮到碟簧機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),在加熱器啟動(dòng)后,必須有效地讓液壓油的溫度得到補(bǔ)償,而諸如液壓缸缸體、組合碟簧等金屬零部件則不需要進(jìn)行重點(diǎn)考慮。

碟簧機(jī)構(gòu)通用的加熱措施是在機(jī)構(gòu)的一個(gè)儲(chǔ)能缸上布置一片不大于100w的驅(qū)潮加熱器,在機(jī)構(gòu)的底蓋上增加兩片約200w的驅(qū)寒加熱器。通過上文介紹可以得知,低溫對(duì)碟簧機(jī)構(gòu)的影響主要表征在液壓油的特性上,傳統(tǒng)的加熱措施不僅可能存在功率不足的問題,還有因液壓油遠(yuǎn)離熱源而加熱效果欠佳的缺點(diǎn)。

因此,在制定該型號(hào)碟簧機(jī)構(gòu)加熱措施時(shí)刻意讓熱源應(yīng)更接近液壓油,同時(shí)使熱量更多地保留在機(jī)構(gòu)箱內(nèi)部,以達(dá)到減小加熱器功率的目的。

為了驗(yàn)證該加熱補(bǔ)償措施的可行性,先通過仿真分析來進(jìn)行評(píng)估。在仿真計(jì)算時(shí),將機(jī)構(gòu)水平布置,在儲(chǔ)能缸上設(shè)置3個(gè)防寒加熱器,計(jì)算了-40℃的環(huán)境溫度下機(jī)構(gòu)箱內(nèi)的溫度分布,仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2碟簧機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu)箱內(nèi)部溫度分布

從仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),在-40℃的環(huán)境溫度下,啟動(dòng)防寒加熱器,在機(jī)構(gòu)箱內(nèi),操動(dòng)機(jī)構(gòu)尾部的組合碟簧處因?yàn)檫h(yuǎn)離加熱器,溫度最低,在-30℃附近,但是在液壓油較多的地方,如儲(chǔ)能缸、油箱等處,因?yàn)榫嚯x熱源較近,溫度都能保持在10℃以上,可以滿足操動(dòng)機(jī)構(gòu)特性穩(wěn)定的需求。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證該加熱措施的效果,筆者在組織樣機(jī)進(jìn)行實(shí)際的低溫試驗(yàn)（圖3）時(shí),除在過程中比對(duì)碟簧機(jī)構(gòu)的機(jī)械特性,還額外在機(jī)構(gòu)內(nèi)外有針對(duì)性地布置了多個(gè)測溫探頭,分別用來檢測機(jī)構(gòu)箱底部、儲(chǔ)能缸等處的溫度,通過實(shí)測數(shù)據(jù)來校驗(yàn)加熱策略的實(shí)際效果。

圖3碟簧機(jī)構(gòu)配斷路器進(jìn)行低溫試驗(yàn)

實(shí)際試驗(yàn)選取了-40c的等級(jí),在試驗(yàn)過程中,對(duì)機(jī)構(gòu)箱底部、儲(chǔ)能缸等處的溫度進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)控。待溫度達(dá)到穩(wěn)定后可以發(fā)現(xiàn),機(jī)構(gòu)箱底部溫度實(shí)測值在-33c附近,蓄能器處（高壓油）的溫度在15℃附近,而油箱處的溫度在0～l0℃,且溫度有隨著探頭與加熱器的距離增加而降低的趨勢,與仿真計(jì)算的結(jié)果較為符合。同時(shí),為考核加熱器功率選取是否偏大,在試驗(yàn)過程中曾嘗試關(guān)閉l～2片加熱器,在實(shí)測中發(fā)現(xiàn),環(huán)境溫度降低到-40c時(shí),僅僅投入兩片防寒加熱器,儲(chǔ)能缸處的溫度會(huì)迅速降低至0c以下,且有繼續(xù)下降的趨勢。

通過實(shí)測溫度可以發(fā)現(xiàn),該補(bǔ)償措施可以滿足該機(jī)構(gòu)在-40c環(huán)境溫度下的需求,同時(shí),試驗(yàn)中嘗試關(guān)閉個(gè)別加熱器的測試也表明了加熱器的設(shè)置并無太大的功率冗余。

4結(jié)語

為提升碟簧液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)在低溫環(huán)境下的運(yùn)行可靠性,筆者從碟簧機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)出發(fā),綜合考慮空間因素,為碟簧液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)制定了合適的溫度補(bǔ)償措施。對(duì)該補(bǔ)償措施進(jìn)行了仿真驗(yàn)證,并最終組織樣機(jī)通過了-40c的極限低溫試驗(yàn),為碟簧液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)在高寒地區(qū)的穩(wěn)定運(yùn)行提供了設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。