斷路器液壓機(jī)構(gòu)滲漏檢測(cè)系統(tǒng)的研究及應(yīng)用

饒 源，葉友衛(wèi)

（國(guó)網(wǎng)新源新安江水力發(fā)電廠，浙江省建德市 311608）

斷路器液壓機(jī)構(gòu)滲漏檢測(cè)系統(tǒng)的研究及應(yīng)用

饒 源，葉友衛(wèi)

（國(guó)網(wǎng)新源新安江水力發(fā)電廠，浙江省建德市 311608）

本文介紹了某電廠針對(duì)發(fā)電機(jī)開(kāi)關(guān)液壓操作機(jī)構(gòu)內(nèi)部滲漏的主要矛盾，并開(kāi)展專(zhuān)題研究。為了檢測(cè)液壓機(jī)構(gòu)工作缸的檢修效果，設(shè)計(jì)、研制、加工出液壓工作缸滲漏檢測(cè)設(shè)備，并在實(shí)際工作中得以應(yīng)用，從而消除了解體檢修后的工作缸投運(yùn)后可能出現(xiàn)的安全隱患，提高了開(kāi)關(guān)運(yùn)行可靠性，將原先的事后預(yù)防、監(jiān)督轉(zhuǎn)至早期監(jiān)測(cè)、診斷，有效避免因液壓缸滲漏而引起的設(shè)備故障的發(fā)生。

液壓機(jī)構(gòu)；工作缸；滲漏檢測(cè)；斷路器

0 引言

某水力發(fā)電廠作為某電網(wǎng)的第一調(diào)頻、調(diào)峰和事故備用電廠，機(jī)組啟停和開(kāi)關(guān)動(dòng)作頻繁，單機(jī)啟停在1～2次/天操作循環(huán)，單臺(tái)斷路器的操作可達(dá)500～600次/年以上。頻繁的操作會(huì)引起斷路器機(jī)構(gòu)的加速磨損，使得缺陷頻發(fā)，而其中液壓操作機(jī)構(gòu)油泵頻繁啟動(dòng)的問(wèn)題位居榜首，占全部缺陷的85%以上，分析原因?yàn)橐簤夯芈穬?nèi)部滲漏。

液壓機(jī)構(gòu)出現(xiàn)內(nèi)部滲漏不僅會(huì)引起壓力不穩(wěn)定，迫使油泵頻繁打壓，影響設(shè)備使用壽命，嚴(yán)重時(shí)甚至造成油壓突然下降使開(kāi)關(guān)被迫退出運(yùn)行。因此，根據(jù)制造廠和發(fā)輸電輸〔1999〕22號(hào)《高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備反事故技術(shù)措施》規(guī)定要求，該電廠將液壓操作機(jī)構(gòu)的工作缸列入開(kāi)關(guān)的檢修重點(diǎn)。但是，因?yàn)闆](méi)有壓力測(cè)試設(shè)備，無(wú)法對(duì)維修后的機(jī)構(gòu)（主要是液壓工作缸）進(jìn)行檢測(cè)就投入到生產(chǎn)中，這無(wú)疑于在運(yùn)行設(shè)備上埋下安全隱患，一旦投用后的工作缸出現(xiàn)內(nèi)部滲漏等缺陷，只得將開(kāi)關(guān)停運(yùn)后將缸體重新拆卸和組裝，費(fèi)時(shí)費(fèi)力且費(fèi)用昂貴，最重要的是影響開(kāi)關(guān)的安全運(yùn)行，因此針對(duì)發(fā)電機(jī)開(kāi)關(guān)液壓操作機(jī)構(gòu)內(nèi)部滲漏的主要問(wèn)題，設(shè)計(jì)、研制、加工一套液壓工作缸測(cè)試設(shè)備，來(lái)對(duì)液壓工作缸進(jìn)行耐壓和檢漏測(cè)試，以保證檢修質(zhì)量，保障電力系統(tǒng)安全、可靠運(yùn)行，顯得尤為重要。[1，8]

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程

1.1 斷路器液壓工作缸工作原理

圖1為該電廠使用的FKG型SF6斷路器的液壓操作機(jī)構(gòu)原理圖。外部電源帶動(dòng)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)液壓泵傳遞高壓液壓動(dòng)力油經(jīng)過(guò)單向閥—安全閥—壓力開(kāi)關(guān)進(jìn)入工作缸主體部分的工作模塊、控制模塊及蓄能器，蓄能器吸收液壓泵輸出的高壓油作工作缸執(zhí)行正常分閘、合閘或作緊急分閘所需的動(dòng)力油，但蓄能器吸收的高壓油壓力達(dá)到設(shè)定值時(shí)，通過(guò)壓力傳感器輸出信號(hào)讓電動(dòng)機(jī)停止工作，若蓄能器吸收的高壓油壓力下降至設(shè)定值時(shí)（此時(shí)的蓄能器里的高壓油可使工作缸執(zhí)行一次緊急分閘動(dòng)作）電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)向蓄能器里供油（電動(dòng)機(jī)循環(huán)自動(dòng)啟動(dòng)停止），控制閥組采用雙保險(xiǎn)電磁線圈及機(jī)械機(jī)構(gòu)約束控制閥組一開(kāi)一關(guān)制，電磁線圈瞬間得電機(jī)構(gòu)自鎖實(shí)現(xiàn)工作缸的分閘或合閘動(dòng)作。

圖1 FKG型斷路器液壓機(jī)構(gòu)原理圖（分閘狀態(tài)）

1.2 設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)

（1）如何模擬實(shí)際工作環(huán)境。發(fā)電機(jī)開(kāi)關(guān)液壓操作機(jī)構(gòu)內(nèi)部油壓高。如FKG型開(kāi)關(guān)液壓操作系統(tǒng)的工作壓力為37MPa，保護(hù)壓力可高達(dá)40MPa，而一般工程機(jī)械的液壓缸沒(méi)有這么高的工作壓力，因此液壓測(cè)試裝置的安全保護(hù)是一個(gè)重要問(wèn)題。用什么作為模擬負(fù)載，使系統(tǒng)能為工作缸模擬出接近實(shí)際的工作環(huán)境，并使工作缸能平衡地轉(zhuǎn)換分合閘狀態(tài)是一個(gè)關(guān)鍵。

（2）能否實(shí)現(xiàn)離線檢測(cè)。采用離線滲漏檢測(cè)的方式對(duì)開(kāi)關(guān)的液壓機(jī)構(gòu)工作缸的密封性能及動(dòng)作性能進(jìn)行檢測(cè)，才能有效縮短設(shè)備的停電檢修時(shí)間。

（3）系統(tǒng)是否能做到操作方便，自動(dòng)化程度高也是技術(shù)人員關(guān)注的問(wèn)題之一。

1.3 方案確定

1.3.1 方案一

根據(jù)液壓操作機(jī)構(gòu)原理圖復(fù)制設(shè)計(jì)出檢測(cè)系統(tǒng)（無(wú)負(fù)載）。

存在問(wèn)題：此方案系統(tǒng)只能在一種狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)。若電動(dòng)操作，需將油壓加到220bar以上（現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)）才能操作，但因系統(tǒng)未連接負(fù)載，轉(zhuǎn)換時(shí)工作缸操作功瞬間釋放，極易將工作缸內(nèi)部元件損壞，同時(shí)危及測(cè)試人員的安全。若不加電，靠人力推拉工作缸活塞桿根本無(wú)法實(shí)現(xiàn)狀態(tài)轉(zhuǎn)換。

結(jié)論：此法不可行。

1.3.2 方案二

因離線測(cè)試的工作缸可不受速度限制，若能控制缸內(nèi)活塞兩側(cè)的油壓，使活塞緩慢動(dòng)作，則在操作可避免內(nèi)部元件受到損傷，以實(shí)現(xiàn)工作缸狀態(tài)的平穩(wěn)轉(zhuǎn)換。由此得出的初步設(shè)計(jì)方案，如圖2所示。

圖2 初步方案簡(jiǎn)圖

如圖所示，為了使被測(cè)工作缸能在分、合閘兩種狀態(tài)下進(jìn)行試驗(yàn)，即被測(cè)工作缸能被分、合閘操作，方案中用了兩只增壓比為1：2、最大工作壓力為500bar的液壓增壓器。液壓油經(jīng)柱塞泵、換向閥、增壓器后形成不同壓力通過(guò)工作缸活塞兩側(cè)油管，對(duì)被測(cè)工作缸進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)工作缸狀態(tài)的平穩(wěn)改變。[2]

存在問(wèn)題：為了使工作缸平穩(wěn)實(shí)現(xiàn)狀態(tài)改變，需在測(cè)試過(guò)程中對(duì)增壓器進(jìn)行調(diào)節(jié)，但兩個(gè)增壓器的配合問(wèn)題使得系統(tǒng)調(diào)節(jié)非常困難。另一方面，由于油泵不直接服務(wù)于被測(cè)工作缸，中間經(jīng)過(guò)增壓器，因此，若工作缸內(nèi)部發(fā)生滲漏將無(wú)法根據(jù)油泵的頻繁啟動(dòng)來(lái)進(jìn)行判斷，換句話說(shuō)，若油泵出現(xiàn)頻繁啟動(dòng)，將不能認(rèn)定故障來(lái)源于工作缸內(nèi)部。

結(jié)論：此方案必須改進(jìn)。

1.3.3 最終方案

FKG型開(kāi)關(guān)采用的液壓操作機(jī)構(gòu)日常運(yùn)行在37.5MPa （375bar）左右的工作壓力下，操作功率大。開(kāi)關(guān)生產(chǎn)廠家在檢測(cè)工作缸性能時(shí)，是將工作缸裝回液壓系統(tǒng)，并用相同的開(kāi)關(guān)設(shè)備作為負(fù)載進(jìn)行。此方法在生產(chǎn)廠家可行，但在用戶單位則因開(kāi)關(guān)設(shè)備體積龐大、費(fèi)用高昂難以實(shí)現(xiàn)。因此，要達(dá)到離線檢測(cè)的目的，并實(shí)現(xiàn)工作缸分、合閘狀態(tài)的平穩(wěn)轉(zhuǎn)換，為系統(tǒng)配備一個(gè)代替開(kāi)關(guān)來(lái)消耗機(jī)構(gòu)操作功的模擬負(fù)載是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，也是實(shí)施的難點(diǎn)所在，前幾個(gè)方案不成功的原因也在于此。

總結(jié)屢次研究的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，技術(shù)人員經(jīng)多方咨詢(xún)，根據(jù)在檢修時(shí)測(cè)量的活塞桿實(shí)際動(dòng)作行程（約170mm）及液壓操作機(jī)構(gòu)的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算[3-6]：

（1）工作缸參數(shù)。φ55/φ25×170mm，即工作缸內(nèi)徑d=25mm；

（2）工作原理。差動(dòng)式油路；

（3）合閘。因合閘受力面為活塞桿的截面，故根據(jù)活塞桿的截面積計(jì)算公式，算得合閘受力面積為：

工作壓力為375kg/ cm2，故合閘推力為：

（4）分閘。大腔截面積：

分閘受力面積為大腔截面積-活塞桿截面積，即：

故分閘拉力為：

（5）選擇負(fù)載缸參數(shù)：φ100/φ50×170mm，根據(jù)能量守衡定律，計(jì)算負(fù)載缸的設(shè)定壓力如下：

因工作缸合閘時(shí)，合閘力作用于負(fù)載缸的大腔截面，取d=100，故合閘受力面積：

要達(dá)到消耗工作缸合閘推力（1.839t）的目的，負(fù)載缸的最小設(shè)定壓力：

活塞桿截面積：

分閘受力面積：

要達(dá)到推動(dòng)工作缸分閘（7t）的目的，負(fù)載缸的最大設(shè)定壓力：

根據(jù)計(jì)算，選用φ100/φ50×170mm的液壓工作缸作為檢測(cè)系統(tǒng)的模擬負(fù)載（圖3）。

圖3 模擬負(fù)載

此外，為模擬工作缸實(shí)際運(yùn)行情況，選用了氮?dú)馔沧鳛樾钅芷鳎?duì)檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。[6，7]

2 系統(tǒng)原理及參數(shù)

2.1 系統(tǒng)原理

圖4 液壓機(jī)構(gòu)滲漏檢測(cè)系統(tǒng)圖

如圖4所示，檢測(cè)時(shí)將被測(cè)工作缸與模擬負(fù)載液壓缸的主軸用連接件相連，由兩只柱塞泵分別為負(fù)載缸與被測(cè)缸提供油壓。合閘操作時(shí)，電機(jī)啟動(dòng)，電磁換向閥線圈a1、a3得電，工作缸執(zhí)行合閘動(dòng)作，負(fù)載缸隨工作缸合閘執(zhí)行后退動(dòng)作；分閘操作時(shí)，電機(jī)啟動(dòng)，電磁換向閥線圈a2、a4得電，工作缸執(zhí)行分閘動(dòng)作，負(fù)載缸隨工作缸合閘執(zhí)行前進(jìn)動(dòng)作。如此通過(guò)連接軸的伸拉運(yùn)動(dòng)，使負(fù)載缸內(nèi)密封工作腔容積發(fā)生變化達(dá)到吸油和壓油的目的，從而起到阻尼緩沖作用，吸收工作缸的操作功，使分、合閘操作平穩(wěn)，同時(shí)保護(hù)被測(cè)設(shè)備的安全[6]。表1為系統(tǒng)元器件一覽表。

整套裝置體積小，結(jié)構(gòu)緊湊（見(jiàn)圖5），而設(shè)計(jì)中兩只平衡閥的設(shè)置，使得負(fù)載缸壓力可調(diào)（合閘操作時(shí)負(fù)載壓力大小調(diào)節(jié)22-1號(hào)閥，分閘操作時(shí)負(fù)載壓力大小則可調(diào)節(jié)22-2號(hào)閥），這使得檢測(cè)系統(tǒng)能夠比較準(zhǔn)確地模擬出工作缸現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工作情況，檢測(cè)結(jié)果更具實(shí)用價(jià)值。

表1 系統(tǒng)元器件一覽表

圖5 滲漏檢測(cè)系統(tǒng)外形圖

2.2 系統(tǒng)參數(shù)

電機(jī)功率：1.5kW + 2.2kW

極數(shù)：4極

電機(jī)轉(zhuǎn)速：1450 r/min

電機(jī)電壓：380V

泵浦額定排量：15.4L/min+3.5L/min

負(fù)載系統(tǒng)正常使用壓力：2～6MPa

工作缸系統(tǒng)最高使用壓力：38MPa

油箱容量：100L

電磁閥控制電壓：DC24V

蓄能器氮?dú)獬溲b壓力：17MPa

3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用

3.1 系統(tǒng)測(cè)試

經(jīng)多次修改后，檢測(cè)系統(tǒng)制作完成，為考驗(yàn)檢漏裝置能否達(dá)到實(shí)際檢漏效果，技術(shù)人員分別利用新購(gòu)備品工作缸及損壞的廢舊工作缸在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行了測(cè)試。

測(cè)試結(jié)果，系統(tǒng)能準(zhǔn)確判斷出工作缸的滲漏情況，基本達(dá)到預(yù)計(jì)目標(biāo)。但系統(tǒng)動(dòng)作次數(shù)需根據(jù)壓力曲線波形記錄讀出，不夠直觀。

3.2 系統(tǒng)改進(jìn)

為了更方便于現(xiàn)場(chǎng)使用，根據(jù)試驗(yàn)和檢查情況，對(duì)裝置做出如下改進(jìn)：

（1）在安裝工作缸的位置處設(shè)立了便于在安裝時(shí)調(diào)節(jié)的小凹臺(tái)和工作缸高度微調(diào)機(jī)構(gòu)，使工作人員在安裝工作缸的整個(gè)過(guò)程中都能達(dá)到輕松、省力之目的。

（2）使氮?dú)庑顗和才c斷路器參數(shù)匹配，并設(shè)置了安全閥和手動(dòng)泄壓手柄，緊急時(shí)可手動(dòng)泄壓。

（3）增加液壓油管觀察柱。

（4）在程序中設(shè)置了油泵啟動(dòng)次數(shù)記錄，見(jiàn)圖6。

圖6 系統(tǒng)液晶顯示屏

3.3 生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

2013年11月，3號(hào)機(jī)組發(fā)電機(jī)開(kāi)關(guān)操作機(jī)構(gòu)大修。11月21～23日，技術(shù)人員將改進(jìn)后滲漏檢測(cè)系統(tǒng)運(yùn)至生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，對(duì)大修后的操作機(jī)構(gòu)工作缸進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)記錄見(jiàn)表2。

表2 開(kāi)關(guān)操作機(jī)構(gòu)工作缸現(xiàn)場(chǎng)滲漏檢測(cè)報(bào)告

4 系統(tǒng)特點(diǎn)

4.1 系統(tǒng)特點(diǎn)

系統(tǒng)采用離線方式檢測(cè)開(kāi)關(guān)液壓機(jī)構(gòu)工作缸的密封性能及動(dòng)作性能，以消除解體檢修后的工作缸投運(yùn)后可能出現(xiàn)的安全隱患，提高開(kāi)關(guān)運(yùn)行可靠性。

系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確模擬工作缸的實(shí)際運(yùn)行條件對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)。利用壓力可調(diào)式液壓缸作為系統(tǒng)的模擬負(fù)載，消耗被試工作缸的操作功，并起阻尼和緩沖作用，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)工作缸分、合閘的平穩(wěn)操作。

系統(tǒng)采用觸摸顯示屏對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行操作和監(jiān)控，可在觸摸屏上設(shè)置監(jiān)控參數(shù)，采集壓力數(shù)據(jù)生成曲線圖來(lái)直觀反應(yīng)被檢工作缸的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)，并根據(jù)窗口提示分析/判斷油缸的保壓效果。

4.2 改進(jìn)方向

從系統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際應(yīng)用來(lái)看，裝置便于工作人員對(duì)被測(cè)工作缸的安裝與拆卸，無(wú)需過(guò)多的管路連接使測(cè)試準(zhǔn)備工作方便、快捷，測(cè)試時(shí)參數(shù)設(shè)定一目了然。但是測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，壓力波形及相關(guān)記錄的歷史數(shù)據(jù)無(wú)法儲(chǔ)存，開(kāi)關(guān)電源后數(shù)據(jù)便會(huì)全部清零，不便于多時(shí)段監(jiān)測(cè)；此外裝置無(wú)計(jì)算機(jī)接口，這使得檢測(cè)數(shù)據(jù)無(wú)法導(dǎo)出，需人工手動(dòng)繪制試驗(yàn)報(bào)告，不夠人性化，今后可在這兩個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)。

5 結(jié)論

由于液壓操作機(jī)構(gòu)具有輸出功率大、延時(shí)小，反應(yīng)快、操作平穩(wěn)以及即使在暫時(shí)失去電源時(shí)仍能操作多次等優(yōu)點(diǎn)，可用范圍廣，但因其加工精度要求高，如果制造或裝配不良，就會(huì)使這種機(jī)構(gòu)存在滲漏油等缺陷。國(guó)內(nèi)目前對(duì)液壓操作機(jī)構(gòu)內(nèi)部滲漏評(píng)判的標(biāo)準(zhǔn)往往通過(guò)啟停油泵動(dòng)作次數(shù)，屬于事后監(jiān)督，而且有隨機(jī)概率因素，往往有時(shí)伴隨機(jī)構(gòu)突然全部泄壓危險(xiǎn)。因此，通過(guò)專(zhuān)門(mén)的液壓缸測(cè)試裝置，測(cè)試液壓工作缸的內(nèi)部滲漏、外泄漏和必要耐壓測(cè)試，檢測(cè)檢修后的液壓缸裝配工藝是否符合要求，選配的密封圈等材料是否有效，將原先的事后預(yù)防、監(jiān)督轉(zhuǎn)至早期監(jiān)測(cè)、診斷，有效避免因液壓缸而引起的設(shè)備故障發(fā)生。測(cè)試系統(tǒng)對(duì)于同樣采用液壓機(jī)構(gòu)的開(kāi)關(guān)的單位，具有較強(qiáng)的參考價(jià)值。

[1] 全國(guó)高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì). GB 1984—2003 交流高壓斷路器.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2004.

[2] 全國(guó)液壓氣動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì). GB/T 7938—1987 液壓缸及氣缸公稱(chēng)壓力系列.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1988.

[3] 全國(guó)液壓氣動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).GB/T 2348—2001，液壓氣動(dòng)系統(tǒng)及元件缸內(nèi)徑及活塞桿外徑.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2002.

[4] 全國(guó)液壓氣動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).GB/T 2349—1997液壓氣動(dòng)系統(tǒng)及元件缸活塞行程系列.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1998.

[5] 全國(guó)液壓氣動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).JB/T 7939—1999單活塞桿液壓缸兩腔面積比.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

[6] 全國(guó)液壓氣動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì). JB/T 10205—2000液壓缸技術(shù)條件.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

[7] 國(guó)家能源局.DL/T 615—2013交流高壓斷路器參數(shù)選用導(dǎo)則.北京：中國(guó)電力出版社，2014.

[8] 國(guó)家電網(wǎng)公司.高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備典型故障案例匯編.北京：中國(guó)電力出版社，2006.

饒 源（1975—），女，本科，工程師，從事電廠技術(shù)管理工作。E-mail：yuan-rao@sgxy.sgcc.com.cn

葉友衛(wèi)（1985—），男，本科，工程師，從事電廠技術(shù)管理工作。

Research and Application of Circuit Breaker Hydraulic Mechanism Leakage Detection System

RAO Yuan，YE Youwei
（State Grid XinYuan Company Xinanjiang Hydropower Plant，Jiande 311608，China）

This paper studies a power plant generator circuit breaker internal leakage of the operating mechanism.In order to test the effect of the hydraulic mechanism work cylinder after maintenance，we design and produce hydraulic work cylinder leakage detection equipment，and applied in the practical work.It eliminates the potential dangers of the work cylinder after maintenance，improves the operational reliability of breaker，turns the original prevention and supervision to early detection and diagnosis，effectively avoids the equipment failure caused by leakage of hydraulic work cylinder.

hydraulic mechanism；work cylinder；leakage detection；circuit breaker