引言

在電網系統(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。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的安全運行。

1碟簧液壓操動機構

液壓操動機構廣泛應用在高電壓等級的斷路器中,是斷路器的驅動裝置。碟簧液壓操動機構,通常簡稱為"碟簧機構"(下同）,是液壓操動機構的一個重要分支,其結構形式如圖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,液壓系統(tǒng)的壓力直接決定著機構分合閘的動作特性。

圖1碟簧液壓操動機構結構原理圖

傳統(tǒng)的液壓機構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,碟簧液壓操動機構通過壓縮碟形彈簧進行儲能,有效改善了儲能介質對溫度的敏感程度,提升了動作特性的穩(wěn)定性。

1低溫對碟簧機構的影響

環(huán)境溫度對于液壓機構的影響主要有兩方面:

(1）低溫會影響操作機構的輸出機械特性,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。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。

碟簧機構相比于傳統(tǒng)的氮氣儲能液壓操動機構雖然改善了儲能介質的溫度敏感性,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,某配碟簧機構的斷路器產品的合閘時間由45ms延長至55ms,嚴重影響產品的機械特性。

2碟簧機構的低溫應對措施

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中,由于存在體積較大的機構箱,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而言,緊湊的機構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為例,考慮到碟簧機構的結構特點,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。

碟簧機構通用的加熱措施是在機構的一個儲能缸上布置一片不大于100w的驅潮加熱器,在機構的底蓋上增加兩片約200w的驅寒加熱器。通過上文介紹可以得知,低溫對碟簧機構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箱內部,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,將機構水平布置,在儲能缸上設置3個防寒加熱器,計算了-40℃的環(huán)境溫度下機構箱內的溫度分布,仿真結果如圖2所示。

圖2碟簧機構機構箱內部溫度分布

從仿真結果可以發(fā)現,在-40℃的環(huán)境溫度下,啟動防寒加熱器,在機構箱內,操動機構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的機械特性,還額外在機構內外有針對性地布置了多個測溫探頭,分別用來檢測機構箱底部、儲能缸等處的溫度,通過實測數據來校驗加熱策略的實際效果。

圖3碟簧機構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,機構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閉l～2片加熱器,在實測中發(fā)現,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,該補償措施可以滿足該機構在-40c環(huán)境溫度下的需求,同時,試驗中嘗試關閉個別加熱器的測試也表明了加熱器的設置并無太大的功率冗余。

4結語

為提升碟簧液壓操動機構在低溫環(huán)境下的運行可靠性,筆者從碟簧機構的結構特點出發(fā),綜合考慮空間因素,為碟簧液壓操動機構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在高寒地區(qū)的穩(wěn)定運行提供了設計經驗。