浅谈碟簧液压操动机构低温环境下的运行应对措施

引言

在电网系统中,断路器是核心元件之一。为保证性能,断路器的机械特性需保持在一定的范围内。影响断路器机械特性的因素有很多,而低温是其中一个很重要的因素。低温不仅可能影响断路器灭弧室内的绝缘性能和开断能力,也会显著影响断路器的机械特性,甚至会使断路器无法动作,这些都严重威胁着电网的安全运行。

1碟簧液压操动机构

液压操动机构广泛应用在高电压等级的断路器中,是断路器的驱动装置。碟簧液压操动机构,通常简称为"碟簧机构"(下同）,是液压操动机构的一个重要分支,其结构形式如图1所示,高压油储存在蓄能器中,控制阀可决定液压缸的无杆腔是接通高压油还是低压油,当高压油流向液压缸的无杆腔时,可推动活塞杆向上运动,进行合闸操作:反之,则为分闸操作。从动作原理可以发现,液压系统的压力直接决定着机构分合闸的动作特性。

图1碟簧液压操动机构结构原理图

传统的液压机构采用压缩氮气的方式进行储能,这就造成系统压力对外界温度的变化比较敏感。与传统的储能方式相比,碟簧液压操动机构通过压缩碟形弹簧进行储能,有效改善了储能介质对温度的敏感程度,提升了动作特性的稳定性。

1低温对碟簧机构的影响

环境温度对于液压机构的影响主要有两方面:

(1）低温会影响操作机构的输出机械特性,影响分合闸时间、速度等。

(2）低温会影响机构的使用寿命,这主要是因为如下两个因素:1）低温使液压油黏度变大,液压系统压力损失增大。为保证液压系统正常运行,黏度通常需要保持在1000mm2/s以内。2）低温下液压系统里的橡胶密封圈材料会发生收缩、硬化等,降低密封圈性能甚至导致密封圈失效。

碟簧机构相比于传统的氮气储能液压操动机构虽然改善了储能介质的温度敏感性,但是由于液压系统的固有属性,其机械特性在低温下仍会发生明显改变,尤其是在静置后的操作。有研究表明,当环境温度由21℃降至-15℃时,某配碟簧机构的断路器产品的合闸时间由45ms延长至55ms,严重影响产品的机械特性。

2碟簧机构的低温应对措施

通用的解决方法是安装加热器。在传统的氮气储能液压操动机构中,由于存在体积较大的机构箱,可以安装大量的加热器而不至于影响实际应用和检修。但对于碟簧液压操动机构而言,紧凑的机构箱空间要求在考虑低温补偿措施时需要更加合理地规划利用有限空间。

以某型号断路器配用的大功率碟簧机构为例,考虑到碟簧机构的结构特点,在加热器启动后,必须有效地让液压油的温度得到补偿,而诸如液压缸缸体、组合碟簧等金属零部件则不需要进行重点考虑。

碟簧机构通用的加热措施是在机构的一个储能缸上布置一片不大于100w的驱潮加热器,在机构的底盖上增加两片约200w的驱寒加热器。通过上文介绍可以得知,低温对碟簧机构的影响主要表征在液压油的特性上,传统的加热措施不仅可能存在功率不足的问题,还有因液压油远离热源而加热效果欠佳的缺点。

因此,在制定该型号碟簧机构加热措施时刻意让热源应更接近液压油,同时使热量更多地保留在机构箱内部,以达到减小加热器功率的目的。

为了验证该加热补偿措施的可行性,先通过仿真分析来进行评估。在仿真计算时,将机构水平布置,在储能缸上设置3个防寒加热器,计算了-40℃的环境温度下机构箱内的温度分布,仿真结果如图2所示。

图2碟簧机构机构箱内部温度分布

从仿真结果可以发现,在-40℃的环境温度下,启动防寒加热器,在机构箱内,操动机构尾部的组合碟簧处因为远离加热器,温度最低,在-30℃附近,但是在液压油较多的地方,如储能缸、油箱等处,因为距离热源较近,温度都能保持在10℃以上,可以满足操动机构特性稳定的需求。

为了进一步验证该加热措施的效果,笔者在组织样机进行实际的低温试验（图3）时,除在过程中比对碟簧机构的机械特性,还额外在机构内外有针对性地布置了多个测温探头,分别用来检测机构箱底部、储能缸等处的温度,通过实测数据来校验加热策略的实际效果。

图3碟簧机构配断路器进行低温试验

实际试验选取了-40c的等级,在试验过程中,对机构箱底部、储能缸等处的温度进行了实时监控。待温度达到稳定后可以发现,机构箱底部温度实测值在-33c附近,蓄能器处（高压油）的温度在15℃附近,而油箱处的温度在0～l0℃,且温度有随着探头与加热器的距离增加而降低的趋势,与仿真计算的结果较为符合。同时,为考核加热器功率选取是否偏大,在试验过程中曾尝试关闭l～2片加热器,在实测中发现,环境温度降低到-40c时,仅仅投入两片防寒加热器,储能缸处的温度会迅速降低至0c以下,且有继续下降的趋势。

通过实测温度可以发现,该补偿措施可以满足该机构在-40c环境温度下的需求,同时,试验中尝试关闭个别加热器的测试也表明了加热器的设置并无太大的功率冗余。

4结语

为提升碟簧液压操动机构在低温环境下的运行可靠性,笔者从碟簧机构的结构特点出发,综合考虑空间因素,为碟簧液压操动机构制定了合适的温度补偿措施。对该补偿措施进行了仿真验证,并最终组织样机通过了-40c的极限低温试验,为碟簧液压操动机构在高寒地区的稳定运行提供了设计经验。