斷路器油緩沖的設(shè)計

杭申集團杭州之江開關(guān)股份有限公司 陳佳成

0 引言

斷路器作為在線保護和控制元件，具有快速隔離故障電流的能力，因此，斷路器需要有較高的分閘速度。尤其是中、高壓斷路器，應(yīng)用場合重要且切斷電弧困難，對分閘速度要求更高。另一方面，為了減小斷路器的體積，提高斷路器制作經(jīng)濟性，斷路器觸頭動行程較小。斷路器運動件在較小的動行程中將較高的運動速度突降為零，必然對相關(guān)零件產(chǎn)生很大沖擊[1]。為此，在中、高壓斷路器中，多設(shè)有油緩沖，以吸收斷路器分閘后期多余的能量，提高斷路器分閘運行的平穩(wěn)性和使用壽命。油緩沖的緩沖特性與諸多因素相關(guān)，如油液的粘度、油液的高度、斷路器分閘速度、阻尼小孔等。過強或過弱的緩沖都會對斷路器分閘性能帶來影響。本文結(jié)合斷路器的要求，通過試驗獲得油液高度、阻尼小孔等參數(shù)，設(shè)計出滿足斷路器要求的油緩沖。

1 油緩沖的設(shè)計

油緩沖的設(shè)計需確定緩沖行程、活塞直徑、油液高度、密封、復(fù)位彈簧、阻尼小孔等要數(shù)。

1.1 油液

采用優(yōu)質(zhì)的航空液壓油（如15#）或其他合成抗磨液壓油，油液需具有高清潔度、低揮發(fā)、良好的抗泡性、較高的熱穩(wěn)定性和氧化安定性的特點。

1.2 緩沖行程

緩沖行程須結(jié)合斷路器分閘過程來設(shè)計，一定電壓等級的斷路器，其動、靜觸頭都有對應(yīng)的最小開距要求，如10kV真空斷路器對應(yīng)最小開距為6mm，斷路器分閘過程中緩沖作用宜發(fā)生在該開距之末或之后，根據(jù)機構(gòu)傳動鏈的尺寸比，從動觸頭的行程可以計算得油緩沖的緩沖行程。油緩沖一般設(shè)置在剛性較好的傳動件處，這樣：一是能使油緩沖充分吸收多余能量；二是傳動件不會產(chǎn)生變形。油液高度可根據(jù)緩沖行程初定，精確的高度尺寸需經(jīng)過試驗確定。

1.3 活塞直徑

緩沖作用是為了減小斷路器分閘后期運動件的沖擊，因此，油緩沖活塞直徑得由斷路器分閘后期的能量來確定。一般取與油緩沖接觸的傳動件為隔離體進行受力分析，計算得到油緩沖上大致的作用力。按擬設(shè)計油封能承受的適宜油壓，根據(jù)F＝P★S得到活塞面積，從而得到活塞直徑，式中F（N）油緩沖上的作用力，P（N/mm2）油壓強，S（mm2）活塞面積。

1.4 密封

油緩沖的密封分動、靜密封。靜密封較簡單，多采用圓形或矩形截面的硅橡膠密封圈。動密封要求較高，多采用矩形截面的丁腈橡膠密封圈。值得注意的是，與油液直接接觸的第一道密封圈因油壓高，而橡膠相對較軟，容易被油液部分擠出油槽。因此，此處常采用硬質(zhì)的聚四氟乙烯與軟質(zhì)的橡膠組合式油封進行密封。在進行油槽設(shè)計是時，應(yīng)注意二點：一是對密封件的壓縮率應(yīng)適宜，盡量避免密封件產(chǎn)生永久變形；二是應(yīng)留有足夠的空間容納密封件[2]。

1.5 復(fù)位彈簧

復(fù)位彈簧的作用是使油緩沖活塞桿在斷路器分-合轉(zhuǎn)換時及時復(fù)位。由于斷路器有重合閘要求，即O-0.3s-CO-180s-CO，因此，留給彈簧復(fù)位的時間較短，應(yīng)設(shè)法減小油緩沖活塞桿運動時的阻力，主要是減小密封件對活塞桿產(chǎn)生的阻力，否則，復(fù)位彈簧的作用力增大，會帶來分閘反彈幅值增大，同時需增加分閘彈簧的能量，亦需增加操動機構(gòu)的輸出功，這會對整個斷路器的運動件提出更高的要求，應(yīng)設(shè)法避免。

1.6 阻尼小孔

確定阻尼小孔尺寸是油緩沖設(shè)計中主要的工作，由于影響緩沖性能的因素甚多，僅僅通過計算較難精確確定阻尼小孔的尺寸。在其他條件一定的情況下，不同的阻尼小孔得到不同的緩沖效果，通過反復(fù)試驗和改進，可以得到適合斷路器分閘特性的阻尼小孔尺寸。

2 試驗記錄、分析

油緩沖經(jīng)初步設(shè)計制作后，可裝于斷路器上進行試驗，并用機械特性儀記錄分閘時的曲線，從曲線上我們可以判斷緩沖特性。如圖1斷路器分閘曲線，活塞桿觸底反彈，表明緩沖偏弱，分閘時仍存在較大的剛性沖擊。如圖2斷路器分閘曲線，曲線后半程出現(xiàn)停滯平臺，表明緩沖偏強，容易產(chǎn)生分閘不到位現(xiàn)象。正確的斷路器分閘曲線比較圓滑，緩沖末期曲線稍有振蕩，幅值很小，最終到0。

圖1 斷路器分閘曲線

圖2 斷路器分閘曲線

表1為我們在試驗中得到的結(jié)果，一定條件下，當阻尼孔為2-φ1.5時，緩沖偏弱，分閘反彈很大，經(jīng)機械特性儀測其幅值為3.853mm，超過規(guī)定的不大于3mm的要求。當阻尼孔為φ1.5+φ0.5時，緩沖偏強，分閘反彈雖小，其幅值僅1.801mm，但每次分閘都不到位，斷路器的開距不穩(wěn)定且影向下一次合閘性能（往往因運動件合閘加速行程不足而合不到位）。當阻尼孔為φ1.5+φ0.8時，分閘反彈幅值為2.341mm，且每次分閘到位，因此能滿足斷路器的分閘要求，最終確定阻尼孔尺寸為φ1.5+φ0.8，按等面積計算近似為2-φ1.2孔。確定了上述參數(shù)之后，我們便能得到油緩沖精確設(shè)計，圖3為油緩沖的設(shè)計圖，油緩沖的動密封設(shè)置了兩道油封，防止產(chǎn)生滲漏油現(xiàn)象；由于油缸內(nèi)空間較小，因此把復(fù)位彈簧7外置；螺母2可微調(diào)節(jié)緩沖行程和復(fù)位彈簧7的作用力，使油緩沖更好地工作。

表1 試驗結(jié)果

圖3 油緩沖

4 結(jié)束

油緩沖在中、高壓斷路器中已廣泛使用，雖其滲漏油現(xiàn)象時有耳聞，但其緩沖作用非常明顯，如本例中，未加油緩沖時，斷路器只能進行2000次機械壽命試驗，增設(shè)油緩沖后，斷路器機械壽命躍升為10000次，且分閘反彈幅值也較小，符合斷路器的要求。當然，按上述逐個確定油緩沖參數(shù)，得到油緩沖設(shè)計圖時，我們還需注意油緩沖技術(shù)要求：使用過程中不得滲漏油，復(fù)位彈簧復(fù)位迅速，不得存在卡滯現(xiàn)象，緩沖性能穩(wěn)定可靠。此外，還要求油緩沖制作容易，裝拆方便。

[1]謝龍,丁凱，苗中華．等．一種新型液壓阻尼器設(shè)計、建模與仿真[J]．液體傳動與控制．2010(1)17-20．

[2]章宏甲,黃誼．液壓傳動,北京．機械工業(yè)出版社．2006．8．