断路器油缓冲的设计

杭申集团杭州之江开关股份有限公司 陈佳成

0 引言

断路器作为在线保护和控制元件，具有快速隔离故障电流的能力，因此，断路器需要有较高的分闸速度。尤其是中、高压断路器，应用场合重要且切断电弧困难，对分闸速度要求更高。另一方面，为了减小断路器的体积，提高断路器制作经济性，断路器触头动行程较小。断路器运动件在较小的动行程中将较高的运动速度突降为零，必然对相关零件产生很大冲击[1]。为此，在中、高压断路器中，多设有油缓冲，以吸收断路器分闸后期多余的能量，提高断路器分闸运行的平稳性和使用寿命。油缓冲的缓冲特性与诸多因素相关，如油液的粘度、油液的高度、断路器分闸速度、阻尼小孔等。过强或过弱的缓冲都会对断路器分闸性能带来影响。本文结合断路器的要求，通过试验获得油液高度、阻尼小孔等参数，设计出满足断路器要求的油缓冲。

1 油缓冲的设计

油缓冲的设计需确定缓冲行程、活塞直径、油液高度、密封、复位弹簧、阻尼小孔等要数。

1.1 油液

采用优质的航空液压油（如15#）或其他合成抗磨液压油，油液需具有高清洁度、低挥发、良好的抗泡性、较高的热稳定性和氧化安定性的特点。

1.2 缓冲行程

缓冲行程须结合断路器分闸过程来设计，一定电压等级的断路器，其动、静触头都有对应的最小开距要求，如10kV真空断路器对应最小开距为6mm，断路器分闸过程中缓冲作用宜发生在该开距之末或之后，根据机构传动链的尺寸比，从动触头的行程可以计算得油缓冲的缓冲行程。油缓冲一般设置在刚性较好的传动件处，这样：一是能使油缓冲充分吸收多余能量；二是传动件不会产生变形。油液高度可根据缓冲行程初定，精确的高度尺寸需经过试验确定。

1.3 活塞直径

缓冲作用是为了减小断路器分闸后期运动件的冲击，因此，油缓冲活塞直径得由断路器分闸后期的能量来确定。一般取与油缓冲接触的传动件为隔离体进行受力分析，计算得到油缓冲上大致的作用力。按拟设计油封能承受的适宜油压，根据F＝P★S得到活塞面积，从而得到活塞直径，式中F（N）油缓冲上的作用力，P（N/mm2）油压强，S（mm2）活塞面积。

1.4 密封

油缓冲的密封分动、静密封。静密封较简单，多采用圆形或矩形截面的硅橡胶密封圈。动密封要求较高，多采用矩形截面的丁腈橡胶密封圈。值得注意的是，与油液直接接触的第一道密封圈因油压高，而橡胶相对较软，容易被油液部分挤出油槽。因此，此处常采用硬质的聚四氟乙烯与软质的橡胶组合式油封进行密封。在进行油槽设计是时，应注意二点：一是对密封件的压缩率应适宜，尽量避免密封件产生永久变形；二是应留有足够的空间容纳密封件[2]。

1.5 复位弹簧

复位弹簧的作用是使油缓冲活塞杆在断路器分-合转换时及时复位。由于断路器有重合闸要求，即O-0.3s-CO-180s-CO，因此，留给弹簧复位的时间较短，应设法减小油缓冲活塞杆运动时的阻力，主要是减小密封件对活塞杆产生的阻力，否则，复位弹簧的作用力增大，会带来分闸反弹幅值增大，同时需增加分闸弹簧的能量，亦需增加操动机构的输出功，这会对整个断路器的运动件提出更高的要求，应设法避免。

1.6 阻尼小孔

确定阻尼小孔尺寸是油缓冲设计中主要的工作，由于影响缓冲性能的因素甚多，仅仅通过计算较难精确确定阻尼小孔的尺寸。在其他条件一定的情况下，不同的阻尼小孔得到不同的缓冲效果，通过反复试验和改进，可以得到适合断路器分闸特性的阻尼小孔尺寸。

2 试验记录、分析

油缓冲经初步设计制作后，可装于断路器上进行试验，并用机械特性仪记录分闸时的曲线，从曲线上我们可以判断缓冲特性。如图1断路器分闸曲线，活塞杆触底反弹，表明缓冲偏弱，分闸时仍存在较大的刚性冲击。如图2断路器分闸曲线，曲线后半程出现停滞平台，表明缓冲偏强，容易产生分闸不到位现象。正确的断路器分闸曲线比较圆滑，缓冲末期曲线稍有振荡，幅值很小，最终到0。

图1 断路器分闸曲线

图2 断路器分闸曲线

表1为我们在试验中得到的结果，一定条件下，当阻尼孔为2-φ1.5时，缓冲偏弱，分闸反弹很大，经机械特性仪测其幅值为3.853mm，超过规定的不大于3mm的要求。当阻尼孔为φ1.5+φ0.5时，缓冲偏强，分闸反弹虽小，其幅值仅1.801mm，但每次分闸都不到位，断路器的开距不稳定且影向下一次合闸性能（往往因运动件合闸加速行程不足而合不到位）。当阻尼孔为φ1.5+φ0.8时，分闸反弹幅值为2.341mm，且每次分闸到位，因此能满足断路器的分闸要求，最终确定阻尼孔尺寸为φ1.5+φ0.8，按等面积计算近似为2-φ1.2孔。确定了上述参数之后，我们便能得到油缓冲精确设计，图3为油缓冲的设计图，油缓冲的动密封设置了两道油封，防止产生渗漏油现象；由于油缸内空间较小，因此把复位弹簧7外置；螺母2可微调节缓冲行程和复位弹簧7的作用力，使油缓冲更好地工作。

表1 试验结果

图3 油缓冲

4 结束

油缓冲在中、高压断路器中已广泛使用，虽其渗漏油现象时有耳闻，但其缓冲作用非常明显，如本例中，未加油缓冲时，断路器只能进行2000次机械寿命试验，增设油缓冲后，断路器机械寿命跃升为10000次，且分闸反弹幅值也较小，符合断路器的要求。当然，按上述逐个确定油缓冲参数，得到油缓冲设计图时，我们还需注意油缓冲技术要求：使用过程中不得渗漏油，复位弹簧复位迅速，不得存在卡滞现象，缓冲性能稳定可靠。此外，还要求油缓冲制作容易，装拆方便。

[1]谢龙,丁凯，苗中华．等．一种新型液压阻尼器设计、建模与仿真[J]．液体传动与控制．2010(1)17-20．

[2]章宏甲,黄谊．液压传动,北京．机械工业出版社．2006．8．