一種液壓碟簧操動機構內漏故障的分析

陳宏強 張潤田 許艷浦 范雪麗

（西安西電高壓開關操動機構有限責任公司）

0 引言

高壓斷路器是輸變電設備的重要部件，操動機構是斷路器的動力源，斷路器的各種動作都是依靠操動機構的作用來完成的，斷路器用操動機構的類型主要有彈簧機構、氣動機構、氮氣液壓機構和液壓碟簧操動機構。尤其是在高電壓等級的GIS、斷路器、直流轉換開關等設備上，這些斷路器在開斷過程中，一般都需要較大的操作功，而液壓碟簧操動機構作為斷路器操動機構的一種，以其集成度高、體積小、操作功大、性能穩定等優越的性能得到用戶的青睞。對于液壓碟簧操動機構來講，由于其能量的傳遞通過高壓油來實現，因此在工作的過程中，必須有高壓密封系統，而液壓碟簧機構高壓密封失效導致其產生內漏故障的問題是目前液壓碟簧操動機構的主要問題，給輸變電設備的可靠運行造成了一定的影響。本文針對一種液壓碟簧操動機構內漏的典型故障問題進行了分析論述，為該類型問題的分析解決提供了有價值的參考[1-5]。

1 液壓碟簧操動機構原理介紹

液壓碟簧操動機構是一種以碟簧為儲能元件、液壓油為傳遞能量的介質，通過集成化的設計、模塊化的裝配機構而形成的一種操動機構，該類型的操動機構以ABB公司的HMB型系列液壓碟簧操動機構為代表，目前，國內也有相應的專業公司能夠設計、生產制造各電壓等級斷路器所用的液壓碟簧操動機構，工作原理和結構模式基本一致[1-10]。

1.1 基本結構介紹

液壓彈簧操動機構主要由充壓模塊、儲能模塊、控制模塊、工作模塊、監測模塊等五大模塊組成，附在中心工作模塊周圍，呈環形布置。三個儲能模塊、充能模塊、控制模塊、檢測模塊以及碟簧的裝配，都是以60度旋轉角度的間隔布置在中心軸周圍。整體結構如圖1所示。

以ABB公司HMB型液壓碟簧操動機構結構布置為例，其結構布置如圖2所示。

工作模塊：工作模塊主要由工作缸和活塞桿組成，采用常沖壓差動式結構，高壓油恒作用于活塞桿上端，工作缸內布置有通往其他模塊的油道。用于油路的循環及轉換。

儲能模塊：儲能模塊主要由儲能活塞缸、儲能活塞、支撐環和碟形彈簧組成，在液壓油的作用下，通過儲能器活塞壓縮碟形彈簧，并將液壓能量長期存儲在儲能活塞缸內，為斷路器分合閘操作，做好能量儲備。

圖1 液壓彈簧機構結構圖

圖2 HMB型液壓碟簧操動機構結構布置

控制模塊：控制模塊主要由一個合閘電磁閥，兩個分閘電磁閥和主換向閥組成，通過遠方或就地給出的電信號命令使相應電磁閥打開閥口。通過閥口兩側高低壓油轉換使主換向閥換向。

充壓模塊：充壓模塊主要由油泵、電機、傳動裝置等組成，電機啟動后，電機齒輪帶動油泵齒輪。齒輪帶動偏心軸將低壓油打入高壓油腔。

監測模塊：監測模塊是由碟簧、行程開關、碟簧儲能狀態指示器、失壓防慢分裝置、泄壓閥（內附安全閥）組成。監測模塊通過監測碟簧的儲能位移來監測油壓。即油量的變化并發出相應的控制指令，行程開關的齒條固定于儲能模塊的上支撐環上，儲能活塞壓縮碟簧或碟簧失能均會帶動齒條，齒條帶動行程開關齒輪，齒輪再帶動行程開關凸輪旋轉來斷開或閉合微動開關觸點，達到報警及自動閉鎖的目的。

適配模塊：適配模塊主要由斷路器與操動機構之間的連接件、輔助開關及其連桿組成，斷路器與操動機構之間的連接件，主要是用于操動機構適配不同型號規格的斷路器，連接件的外形尺寸根據斷路器的不同而 不同，輔助開關通過連桿等傳動裝置與操動機構活塞桿相連，操動機構進行分合閘操作時，輔助開關也相應運動關合或斷開相應的輔助節點，以反映斷路器分合閘位置及對二次控制回路進行信號控制以及連鎖保護[1-11]。

1.2 液壓碟簧操動機構工作原理介紹

液壓機構液壓系統傳動原理如圖3、圖4所示。液壓碟簧操動機構分合閘動作都是由控制閥組控制完成的。分閘操作前，機構處于合閘位置，活塞桿上、下兩端均為高壓油，當機構要執行分閘操作時，分閘電磁閥接到分閘命令，分閘電磁鐵動作，換向閥換向，將活塞桿下端的高壓油腔與低壓油箱連通，在上端高壓油的作用下，活塞桿快速向下運動，完成分閘操作。

圖3 液壓系統傳動原理圖

當機構要進行合閘操作時，此時機構處于分閘位置，活塞桿的上端為高壓油，下端為低壓油，合閘電磁鐵接到合閘操作命令，合閘電磁鐵動作，換向閥換向，將活塞桿下端的低壓油腔與高壓油回路連通，由于活塞桿上下兩側存在面積差，在差動原理作用下，活塞桿快速向上運動，完成合閘操作[1-6]。

圖4 液壓機構液壓系統原理圖

2 液壓碟簧操動機構內漏問題分析及處理方法

液壓碟簧操動機構滲漏故障是液壓機構密封系統常見故障，主要由密封不良引起。有內漏也有外漏，外漏一般可觀察到漏點。但內漏如閥系統的密封線印痕變寬或密封線損壞、液壓油內有雜質卡在各個密封線處、密封圈損壞等這種難以用肉眼從機構外表觀察到的故障，判斷并找出內部滲漏位置很大程度取決于專業人員在這方面的經驗和對所用機構的理解，處理也較復雜。圖5是根據液壓碟簧操動機構的動作原理，結合其油路系統作出故障分析圖，相應的漏點分布如圖所示[1-6]。

圖5 液壓機構系統內漏故障圖

通過以上液壓系統內漏故障圖及漏點分布圖的分析可知，液壓機構內漏漏點很多，判斷的難度也較大。為了便于能夠快速處理現場問題，通常結合液壓機構現場運行過程中的具體內漏表現，根據其模塊化的結構特點，可先將內漏可能發生的部位對應到其相應的模塊上，再通過模塊化的檢查和判斷來逐漸縮小內漏發生的區域，并最終鎖定內漏漏點，從而采取相應的處理措施，按照機構所處的狀態，內漏故障可分為三大類：分閘泄露合閘不漏、合閘泄露分閘不漏、分合閘均泄露[11-18]。

表1是根據液壓機構的模塊化結構特點，結合現場內漏具體表現，將圖5所示的內漏故障圖及內漏分布點，簡化為表1的現場內漏狀態判斷處理表。

如表1所示， 針對各內漏點的處理措施，主要是更換相應部位的零件或密封圈，而在作業現場，有時為了檢修工期的需要，一般采取更換相應的模塊或對整機進行更換處理。

3 現場內漏故障處理情況

2017年7月11日及8月18日，國內某電站C相HMB液壓碟簧操動機構先后兩次出現分閘泄壓，當機構處于合閘位置時，沒有出現機構泄壓現象。首次出現分閘泄壓時，對控制模塊中的換向閥進行了更換，更換后故障消除。8月18日再次出現分閘低油壓閉鎖信號，對該相機構進行了整機更換，更換后故障消除。

通過前述章節的分析，該機構在分閘位置出現了內漏，合閘位置未出現，屬于分閘泄露，合閘不漏的情況，結合表1給出的內漏判斷處理表，機構最有可能發生內漏的部位在表中的序號4、9、10位置，由于問題4、10部位的現場處理方式要比問題10部位的現場處理方式簡單，因此，當時在現場處理過程中，先針對問題4、10部位可能導致的內漏原因，更換了相應的控制閥模塊，但故障沒有排除，基本可以鎖定故障位置在9的部位，現場通過整機更換，也確實消除了內漏故障，使該斷路器回復正常運行。

表1 機構內漏狀態表及處理措施

3.1 機構解體檢查及原因分析

2017年8月25日，在機構制造廠內對該相液壓碟簧操動機構進行了解體檢查。如圖6所示，通過解體檢查該機構的工作缸部位，發現該相機構缸體內壁有一道劃痕。與工作缸相配合的活塞桿有磨損，裝配于此位置的密封圈有磨損，同時，該機構排出的液壓油中均發現存在少量金屬雜質。

結合解體檢查進行分析，發現造成該相液壓機構內漏故障的原因為活塞桿密封圈破損失效導致，而導致密封圈破損失效的原因是液壓系統中的金屬雜質夾持在工作活塞桿和工作缸孔壁之間，在活塞桿運動的過程中，對密封圈造成了損傷。從圖5b所示的液壓機構泄露故障圖可以看出，當機構在分閘位置時，活塞桿密封圈上端為高壓油，下端為低壓油，當該處的活塞桿密封圈劃傷后，使高壓油無法保持。從而造成液壓油從高壓到低壓側流動，機構出現內漏故障。從現場機構解體情況結合機構動作原理可以看到，理論分析與實際情況相吻合。

3.2 液壓碟簧操動機構系統雜質分析

圖6 現場機構解體情況

通過以上分析可以看到，當液壓機構系統內存在金屬雜質時，就容易劃傷密封圈或相應的零部件，引起液壓系統密封性能的下降，針對現場出現的問題，進一步將雜質較多的液壓油做為研究對象，對液壓油中雜質的成分進行分析，化驗結果如表2、圖7所示。

從以上化驗的結果來看，除非金屬外，其中，金屬雜質含量較高的分別為鋁、銅、鐵三種金屬物，當這些金屬物雜質顆粒較大時，就會導致密封面的損傷。

進一步分析，從液壓油雜質成分的化驗結果來看，鋁、銅、鐵三種金屬雜質的含量較高，圍繞此三種金屬，對液壓機構內部零件進行了梳理，其中工作缸、控制閥體、分閘限位座為鋁材質；工作活塞桿、換向閥為鋼材質；儲能活塞為銅材質。

表2 液壓油雜質化驗結果

圖7 雜質圖譜分析

結合機構的解體情況，從以上零件的結構特點來看，工作缸和控制閥體零件是液壓機構的主體零件，其中分布著縱橫交錯的油孔及安裝孔共100多個，這些相貫的孔和一些細長孔，都是容易產生毛刺且不容易清理的部位，清理去除毛刺雜質的難度較大。而銅基零件和鐵基零件來看，結構相對簡單，雜質毛刺清理較容易。綜上，結合雜質化驗結果可以看出，液壓系統內部的金屬雜質主要為鋁雜質，而產生鋁雜質的主要零件為工作缸和控制閥體零件。因此，在機構的生產過程中，控制和提高工作缸和控制閥體等零件的清潔度，減少毛刺雜質的產生可以有效提升液壓碟簧操動機構的可靠性。

4 結束語

近年來，隨著液壓碟簧操動機構在高壓開關設備上的不斷應用，其典型故障發生概率也增大，其中以機構內漏故障最為突出，本文針對現場一起液壓碟簧機構典型內漏問題，從液壓碟簧機構的結構特點、動作原理、密封系統、內漏故障判斷方法、內漏原因分析等方面進行了深入的解析，提出了液壓機構在現場運行過程中內漏問題的快速判斷模型和方法，通過對具體問題的分析，驗證了該方法的快速有效性，并對液壓碟簧操動機構系統內部雜質導致密封部位劃傷的機理進行了分析，對雜質的類型進行了檢測，追溯了雜質的來源和預防的措施，為后期液壓碟簧機構生產過程的質量控制提供了參考依據。