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,斷路器的機械特性需保持在一定的范圍內(nèi)。影響斷路器機械特性的因素有很多,而低溫是其中一個很重要的因素。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,也會顯著影響斷路器的機械特性,甚至會使斷路器無法動作,這些都嚴重威脅著電網(wǎng)的安全運行。

1碟簧液壓操動機構(gòu)

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

圖1碟簧液壓操動機構(gòu)結(jié)構(gòu)原理圖

傳統(tǒng)的液壓機構(gòu)采用壓縮氮氣的方式進行儲能,這就造成系統(tǒng)壓力對外界溫度的變化比較敏感。與傳統(tǒng)的儲能方式相比,碟簧液壓操動機構(gòu)通過壓縮碟形彈簧進行儲能,有效改善了儲能介質(zhì)對溫度的敏感程度,提升了動作特性的穩(wěn)定性。

1低溫對碟簧機構(gòu)的影響

環(huán)境溫度對于液壓機構(gòu)的影響主要有兩方面:

(1）低溫會影響操作機構(gòu)的輸出機械特性,影響分合閘時間、速度等。

(2）低溫會影響機構(gòu)的使用壽命,這主要是因為如下兩個因素: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發(fā)生收縮、硬化等,降低密封圈性能甚至導致密封圈失效。

碟簧機構(gòu)相比于傳統(tǒng)的氮氣儲能液壓操動機構(gòu)雖然改善了儲能介質(zhì)的溫度敏感性,但是由于液壓系統(tǒng)的固有屬性,其機械特性在低溫下仍會發(fā)生明顯改變,尤其是在靜置后的操作。有研究表明,當環(huán)境溫度由21℃降至-15℃時,某配碟簧機構(gòu)的斷路器產(chǎn)品的合閘時間由45ms延長至55ms,嚴重影響產(chǎn)品的機械特性。

2碟簧機構(gòu)的低溫應對措施

通用的解決方法是安裝加熱器。在傳統(tǒng)的氮氣儲能液壓操動機構(gòu)中,由于存在體積較大的機構(gòu)箱,可以安裝大量的加熱器而不至于影響實際應用和檢修。但對于碟簧液壓操動機構(gòu)而言,緊湊的機構(gòu)箱空間要求在考慮低溫補償措施時需要更加合理地規(guī)劃利用有限空間。

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

碟簧機構(gòu)通用的加熱措施是在機構(gòu)的一個儲能缸上布置一片不大于100w的驅(qū)潮加熱器,在機構(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,低溫對碟簧機構(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,還有因液壓油遠離熱源而加熱效果欠佳的缺點。

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

為了驗證該加熱補償措施的可行性,先通過仿真分析來進行評估。在仿真計算時,將機構(gòu)水平布置,在儲能缸上設(shè)置3個防寒加熱器,計算了-40℃的環(huán)境溫度下機構(gòu)箱內(nèi)的溫度分布,仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2碟簧機構(gòu)機構(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,啟動防寒加熱器,在機構(gòu)箱內(nèi),操動機構(gòu)尾部的組合碟簧處因為遠離加熱器,溫度最低,在-30℃附近,但是在液壓油較多的地方,如儲能缸、油箱等處,因為距離熱源較近,溫度都能保持在10℃以上,可以滿足操動機構(gòu)特性穩(wěn)定的需求。

為了進一步驗證該加熱措施的效果,筆者在組織樣機進行實際的低溫試驗（圖3）時,除在過程中比對碟簧機構(gòu)的機械特性,還額外在機構(gòu)內(nèi)外有針對性地布置了多個測溫探頭,分別用來檢測機構(gòu)箱底部、儲能缸等處的溫度,通過實測數(shù)據(jù)來校驗加熱策略的實際效果。

圖3碟簧機構(gòu)配斷路器進行低溫試驗

實際試驗選取了-40c的等級,在試驗過程中,對機構(gòu)箱底部、儲能缸等處的溫度進行了實時監(jiān)控。待溫度達到穩(wěn)定后可以發(fā)現(xiàn),機構(gòu)箱底部溫度實測值在-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,與仿真計算的結(jié)果較為符合。同時,為考核加熱器功率選取是否偏大,在試驗過程中曾嘗試關(guān)閉l～2片加熱器,在實測中發(fā)現(xiàn),環(huán)境溫度降低到-40c時,僅僅投入兩片防寒加熱器,儲能缸處的溫度會迅速降低至0c以下,且有繼續(xù)下降的趨勢。

通過實測溫度可以發(fā)現(xiàn),該補償措施可以滿足該機構(gòu)在-40c環(huán)境溫度下的需求,同時,試驗中嘗試關(guān)閉個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機構(gòu)在低溫環(huán)境下的運行可靠性,筆者從碟簧機構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點出發(fā),綜合考慮空間因素,為碟簧液壓操動機構(gòu)制定了合適的溫度補償措施。對該補償措施進行了仿真驗證,并最終組織樣機通過了-40c的極限低溫試驗,為碟簧液壓操動機構(gòu)在高寒地區(qū)的穩(wěn)定運行提供了設(shè)計經(jīng)驗。