斷路器液壓機構(gòu)滲漏檢測系統(tǒng)的研究及應用

饒 源，葉友衛(wèi)

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

斷路器液壓機構(gòu)滲漏檢測系統(tǒng)的研究及應用

饒 源，葉友衛(wèi)

（國網(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發(fā)電機開關(guān)液壓操作機構(gòu)內(nèi)部滲漏的主要矛盾，并開展專題研究。為了檢測液壓機構(gòu)工作缸的檢修效果，設計、研制、加工出液壓工作缸滲漏檢測設備，并在實際工作中得以應用，從而消除了解體檢修后的工作缸投運后可能出現(xiàn)的安全隱患，提高了開關(guān)運行可靠性，將原先的事后預防、監(jiān)督轉(zhuǎn)至早期監(jiān)測、診斷，有效避免因液壓缸滲漏而引起的設備故障的發(fā)生。

液壓機構(gòu)；工作缸；滲漏檢測；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，機組啟停和開關(guān)動作頻繁，單機啟停在1～2次/天操作循環(huán)，單臺斷路器的操作可達500～600次/年以上。頻繁的操作會引起斷路器機構(gòu)的加速磨損，使得缺陷頻發(fā)，而其中液壓操作機構(gòu)油泵頻繁啟動的問題位居榜首，占全部缺陷的85%以上，分析原因為液壓回路內(nèi)部滲漏。

液壓機構(gòu)出現(xiàn)內(nèi)部滲漏不僅會引起壓力不穩(wěn)定，迫使油泵頻繁打壓，影響設備使用壽命，嚴重時甚至造成油壓突然下降使開關(guān)被迫退出運行。因此，根據(jù)制造廠和發(fā)輸電輸〔1999〕22號《高壓開關(guān)設備反事故技術(shù)措施》規(guī)定要求，該電廠將液壓操作機構(gòu)的工作缸列入開關(guān)的檢修重點。但是，因為沒有壓力測試設備，無法對維修后的機構(gòu)（主要是液壓工作缸）進行檢測就投入到生產(chǎn)中，這無疑于在運行設備上埋下安全隱患，一旦投用后的工作缸出現(xiàn)內(nèi)部滲漏等缺陷，只得將開關(guān)停運后將缸體重新拆卸和組裝，費時費力且費用昂貴，最重要的是影響開關(guān)的安全運行，因此針對發(fā)電機開關(guān)液壓操作機構(gòu)內(nèi)部滲漏的主要問題，設計、研制、加工一套液壓工作缸測試設備，來對液壓工作缸進行耐壓和檢漏測試，以保證檢修質(zhì)量，保障電力系統(tǒng)安全、可靠運行，顯得尤為重要。[1，8]

1 系統(tǒng)設計過程

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構(gòu)原理圖。外部電源帶動電動機旋轉(zhuǎn)驅(qū)動液壓泵傳遞高壓液壓動力油經(jīng)過單向閥—安全閥—壓力開關(guān)進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力油，但蓄能器吸收的高壓油壓力達到設定值時，通過壓力傳感器輸出信號讓電動機停止工作，若蓄能器吸收的高壓油壓力下降至設定值時（此時的蓄能器里的高壓油可使工作缸執(zhí)行一次緊急分閘動作）電動機啟動向蓄能器里供油（電動機循環(huán)自動啟動停止），控制閥組采用雙保險電磁線圈及機械機構(gòu)約束控制閥組一開一關(guān)制，電磁線圈瞬間得電機構(gòu)自鎖實現(xiàn)工作缸的分閘或合閘動作。

圖1 FKG型斷路器液壓機構(gòu)原理圖（分閘狀態(tài)）

1.2 設計關(guān)鍵點

（1）如何模擬實際工作環(huán)境。發(fā)電機開關(guān)液壓操作機構(gòu)內(nèi)部油壓高。如FKG型開關(guān)液壓操作系統(tǒng)的工作壓力為37MPa，保護壓力可高達40MPa，而一般工程機械的液壓缸沒有這么高的工作壓力，因此液壓測試裝置的安全保護是一個重要問題。用什么作為模擬負載，使系統(tǒng)能為工作缸模擬出接近實際的工作環(huán)境，并使工作缸能平衡地轉(zhuǎn)換分合閘狀態(tài)是一個關(guān)鍵。

（2）能否實現(xiàn)離線檢測。采用離線滲漏檢測的方式對開關(guān)的液壓機構(gòu)工作缸的密封性能及動作性能進行檢測，才能有效縮短設備的停電檢修時間。

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

1.3 方案確定

1.3.1 方案一

根據(jù)液壓操作機構(gòu)原理圖復制設計出檢測系統(tǒng)（無負載）。

存在問題：此方案系統(tǒng)只能在一種狀態(tài)下實現(xiàn)監(jiān)測。若電動操作，需將油壓加到220bar以上（現(xiàn)場實測）才能操作，但因系統(tǒng)未連接負載，轉(zhuǎn)換時工作缸操作功瞬間釋放，極易將工作缸內(nèi)部元件損壞，同時危及測試人員的安全。若不加電，靠人力推拉工作缸活塞桿根本無法實現(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，使活塞緩慢動作，則在操作可避免內(nèi)部元件受到損傷，以實現(xiàn)工作缸狀態(tài)的平穩(wěn)轉(zhuǎn)換。由此得出的初步設計方案，如圖2所示。

圖2 初步方案簡圖

如圖所示，為了使被測工作缸能在分、合閘兩種狀態(tài)下進行試驗，即被測工作缸能被分、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工作缸活塞兩側(cè)油管，對被測工作缸進行控制，從而實現(xiàn)工作缸狀態(tài)的平穩(wěn)改變。[2]

存在問題：為了使工作缸平穩(wěn)實現(xiàn)狀態(tài)改變，需在測試過程中對增壓器進行調(diào)節(jié)，但兩個增壓器的配合問題使得系統(tǒng)調(diào)節(jié)非常困難。另一方面，由于油泵不直接服務于被測工作缸，中間經(jīng)過增壓器，因此，若工作缸內(nèi)部發(fā)生滲漏將無法根據(jù)油泵的頻繁啟動來進行判斷，換句話說，若油泵出現(xiàn)頻繁啟動，將不能認定故障來源于工作缸內(nèi)部。

結(jié)論：此方案必須改進。

1.3.3 最終方案

FKG型開關(guān)采用的液壓操作機構(gòu)日常運行在37.5MPa （375bar）左右的工作壓力下，操作功率大。開關(guān)生產(chǎn)廠家在檢測工作缸性能時，是將工作缸裝回液壓系統(tǒng)，并用相同的開關(guān)設備作為負載進行。此方法在生產(chǎn)廠家可行，但在用戶單位則因開關(guān)設備體積龐大、費用高昂難以實現(xiàn)。因此，要達到離線檢測的目的，并實現(xiàn)工作缸分、合閘狀態(tài)的平穩(wěn)轉(zhuǎn)換，為系統(tǒng)配備一個代替開關(guān)來消耗機構(gòu)操作功的模擬負載是一個關(guān)鍵問題，也是實施的難點所在，前幾個方案不成功的原因也在于此。

總結(jié)屢次研究的經(jīng)驗教訓，技術(shù)人員經(jīng)多方咨詢，根據(jù)在檢修時測量的活塞桿實際動作行程（約170mm）及液壓操作機構(gòu)的相關(guān)參數(shù)進行計算[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）選擇負載缸參數(shù)：φ100/φ50×170mm，根據(jù)能量守衡定律，計算負載缸的設定壓力如下：

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

要達到消耗工作缸合閘推力（1.839t）的目的，負載缸的最小設定壓力：

活塞桿截面積：

分閘受力面積：

要達到推動工作缸分閘（7t）的目的，負載缸的最大設定壓力：

根據(jù)計算，選用φ100/φ50×170mm的液壓工作缸作為檢測系統(tǒng)的模擬負載（圖3）。

圖3 模擬負載

此外，為模擬工作缸實際運行情況，選用了氮氣筒作為蓄能器，并對檢測系統(tǒng)進行重新設計。[6，7]

2 系統(tǒng)原理及參數(shù)

2.1 系統(tǒng)原理

圖4 液壓機構(gòu)滲漏檢測系統(tǒng)圖

如圖4所示，檢測時將被測工作缸與模擬負載液壓缸的主軸用連接件相連，由兩只柱塞泵分別為負載缸與被測缸提供油壓。合閘操作時，電機啟動，電磁換向閥線圈a1、a3得電，工作缸執(zhí)行合閘動作，負載缸隨工作缸合閘執(zhí)行后退動作；分閘操作時，電機啟動，電磁換向閥線圈a2、a4得電，工作缸執(zhí)行分閘動作，負載缸隨工作缸合閘執(zhí)行前進動作。如此通過連接軸的伸拉運動，使負載缸內(nèi)密封工作腔容積發(fā)生變化達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)，同時保護被測設備的安全[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（見圖5），而設計中兩只平衡閥的設置，使得負載缸壓力可調(diào)（合閘操作時負載壓力大小調(diào)節(jié)22-1號閥，分閘操作時負載壓力大小則可調(diào)節(jié)22-2號閥），這使得檢測系統(tǒng)能夠比較準確地模擬出工作缸現(xiàn)場實際工作情況，檢測結(jié)果更具實用價值。

表1 系統(tǒng)元器件一覽表

圖5 滲漏檢測系統(tǒng)外形圖

2.2 系統(tǒng)參數(shù)

電機功率：1.5kW + 2.2kW

極數(shù)：4極

電機轉(zhuǎn)速：1450 r/min

電機電壓：380V

泵浦額定排量：15.4L/min+3.5L/min

負載系統(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

蓄能器氮氣充裝壓力：17MPa

3 現(xiàn)場實際應用

3.1 系統(tǒng)測試

經(jīng)多次修改后，檢測系統(tǒng)制作完成，為考驗檢漏裝置能否達到實際檢漏效果，技術(shù)人員分別利用新購備品工作缸及損壞的廢舊工作缸在實驗室內(nèi)進行了測試。

測試結(jié)果，系統(tǒng)能準確判斷出工作缸的滲漏情況，基本達到預計目標。但系統(tǒng)動作次數(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

為了更方便于現(xiàn)場使用，根據(jù)試驗和檢查情況，對裝置做出如下改進：

（1）在安裝工作缸的位置處設立了便于在安裝時調(diào)節(jié)的小凹臺和工作缸高度微調(diào)機構(gòu)，使工作人員在安裝工作缸的整個過程中都能達到輕松、省力之目的。

（2）使氮氣蓄壓筒與斷路器參數(shù)匹配，并設置了安全閥和手動泄壓手柄，緊急時可手動泄壓。

（3）增加液壓油管觀察柱。

（4）在程序中設置了油泵啟動次數(shù)記錄，見圖6。

圖6 系統(tǒng)液晶顯示屏

3.3 生產(chǎn)現(xiàn)場應用

2013年11月，3號機組發(fā)電機開關(guān)操作機構(gòu)大修。11月21～23日，技術(shù)人員將改進后滲漏檢測系統(tǒng)運至生產(chǎn)現(xiàn)場，對大修后的操作機構(gòu)工作缸進行檢測，檢測記錄見表2。

表2 開關(guān)操作機構(gòu)工作缸現(xiàn)場滲漏檢測報告

4 系統(tǒng)特點

4.1 系統(tǒng)特點

系統(tǒng)采用離線方式檢測開關(guān)液壓機構(gòu)工作缸的密封性能及動作性能，以消除解體檢修后的工作缸投運后可能出現(xiàn)的安全隱患，提高開關(guān)運行可靠性。

系統(tǒng)能夠準確模擬工作缸的實際運行條件對其進行檢測。利用壓力可調(diào)式液壓缸作為系統(tǒng)的模擬負載，消耗被試工作缸的操作功，并起阻尼和緩沖作用，實現(xiàn)系統(tǒng)對工作缸分、合閘的平穩(wěn)操作。

系統(tǒng)采用觸摸顯示屏對系統(tǒng)進行操作和監(jiān)控，可在觸摸屏上設置監(jiān)控參數(shù)，采集壓力數(shù)據(jù)生成曲線圖來直觀反應被檢工作缸的實時動態(tài)，并根據(jù)窗口提示分析/判斷油缸的保壓效果。

4.2 改進方向

從系統(tǒng)在現(xiàn)場的實際應用來看，裝置便于工作人員對被測工作缸的安裝與拆卸，無需過多的管路連接使測試準備工作方便、快捷，測試時參數(shù)設定一目了然。但是測試中發(fā)現(xiàn)，壓力波形及相關(guān)記錄的歷史數(shù)據(jù)無法儲存，開關(guān)電源后數(shù)據(jù)便會全部清零，不便于多時段監(jiān)測；此外裝置無計算機接口，這使得檢測數(shù)據(jù)無法導出，需人工手動繪制試驗報告，不夠人性化，今后可在這兩個方面進行改進。

5 結(jié)論

由于液壓操作機構(gòu)具有輸出功率大、延時小，反應快、操作平穩(wěn)以及即使在暫時失去電源時仍能操作多次等優(yōu)點，可用范圍廣，但因其加工精度要求高，如果制造或裝配不良，就會使這種機構(gòu)存在滲漏油等缺陷。國內(nèi)目前對液壓操作機構(gòu)內(nèi)部滲漏評判的標準往往通過啟停油泵動作次數(shù)，屬于事后監(jiān)督，而且有隨機概率因素，往往有時伴隨機構(gòu)突然全部泄壓危險。因此，通過專門的液壓缸測試裝置，測試液壓工作缸的內(nèi)部滲漏、外泄漏和必要耐壓測試，檢測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，將原先的事后預防、監(jiān)督轉(zhuǎn)至早期監(jiān)測、診斷，有效避免因液壓缸而引起的設備故障發(fā)生。測試系統(tǒng)對于同樣采用液壓機構(gòu)的開關(guān)的單位，具有較強的參考價值。

[1] 全國高壓開關(guān)設備標準化技術(shù)委員會. GB 1984—2003 交流高壓斷路器.北京：中國標準出版社，2004.

[2] 全國液壓氣動標準化技術(shù)委員會. GB/T 7938—1987 液壓缸及氣缸公稱壓力系列.北京：中國標準出版社，1988.

[3] 全國液壓氣動標準化技術(shù)委員會.GB/T 2348—2001，液壓氣動系統(tǒng)及元件缸內(nèi)徑及活塞桿外徑.北京：中國標準出版社，2002.

[4] 全國液壓氣動標準化技術(shù)委員會.GB/T 2349—1997液壓氣動系統(tǒng)及元件缸活塞行程系列.北京：中國標準出版社，1998.

[5] 全國液壓氣動標準化技術(shù)委員會.JB/T 7939—1999單活塞桿液壓缸兩腔面積比.北京：機械工業(yè)出版社，2000.

[6] 全國液壓氣動標準化技術(shù)委員會. JB/T 10205—2000液壓缸技術(shù)條件.北京：機械工業(yè)出版社，2000.

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

[8] 國家電網(wǎng)公司.高壓開關(guān)設備典型故障案例匯編.北京：中國電力出版社，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