断路器液压机构渗漏检测系统的研究及应用

饶 源，叶友卫

（国网新源新安江水力发电厂，浙江省建德市 311608）

断路器液压机构渗漏检测系统的研究及应用

饶 源，叶友卫

（国网新源新安江水力发电厂，浙江省建德市 311608）

本文介绍了某电厂针对发电机开关液压操作机构内部渗漏的主要矛盾，并开展专题研究。为了检测液压机构工作缸的检修效果，设计、研制、加工出液压工作缸渗漏检测设备，并在实际工作中得以应用，从而消除了解体检修后的工作缸投运后可能出现的安全隐患，提高了开关运行可靠性，将原先的事后预防、监督转至早期监测、诊断，有效避免因液压缸渗漏而引起的设备故障的发生。

液压机构；工作缸；渗漏检测；断路器

0 引言

某水力发电厂作为某电网的第一调频、调峰和事故备用电厂，机组启停和开关动作频繁，单机启停在1～2次/天操作循环，单台断路器的操作可达500～600次/年以上。频繁的操作会引起断路器机构的加速磨损，使得缺陷频发，而其中液压操作机构油泵频繁启动的问题位居榜首，占全部缺陷的85%以上，分析原因为液压回路内部渗漏。

液压机构出现内部渗漏不仅会引起压力不稳定，迫使油泵频繁打压，影响设备使用寿命，严重时甚至造成油压突然下降使开关被迫退出运行。因此，根据制造厂和发输电输〔1999〕22号《高压开关设备反事故技术措施》规定要求，该电厂将液压操作机构的工作缸列入开关的检修重点。但是，因为没有压力测试设备，无法对维修后的机构（主要是液压工作缸）进行检测就投入到生产中，这无疑于在运行设备上埋下安全隐患，一旦投用后的工作缸出现内部渗漏等缺陷，只得将开关停运后将缸体重新拆卸和组装，费时费力且费用昂贵，最重要的是影响开关的安全运行，因此针对发电机开关液压操作机构内部渗漏的主要问题，设计、研制、加工一套液压工作缸测试设备，来对液压工作缸进行耐压和检漏测试，以保证检修质量，保障电力系统安全、可靠运行，显得尤为重要。[1，8]

1 系统设计过程

1.1 断路器液压工作缸工作原理

图1为该电厂使用的FKG型SF6断路器的液压操作机构原理图。外部电源带动电动机旋转驱动液压泵传递高压液压动力油经过单向阀—安全阀—压力开关进入工作缸主体部分的工作模块、控制模块及蓄能器，蓄能器吸收液压泵输出的高压油作工作缸执行正常分闸、合闸或作紧急分闸所需的动力油，但蓄能器吸收的高压油压力达到设定值时，通过压力传感器输出信号让电动机停止工作，若蓄能器吸收的高压油压力下降至设定值时（此时的蓄能器里的高压油可使工作缸执行一次紧急分闸动作）电动机启动向蓄能器里供油（电动机循环自动启动停止），控制阀组采用双保险电磁线圈及机械机构约束控制阀组一开一关制，电磁线圈瞬间得电机构自锁实现工作缸的分闸或合闸动作。

图1 FKG型断路器液压机构原理图（分闸状态）

1.2 设计关键点

（1）如何模拟实际工作环境。发电机开关液压操作机构内部油压高。如FKG型开关液压操作系统的工作压力为37MPa，保护压力可高达40MPa，而一般工程机械的液压缸没有这么高的工作压力，因此液压测试装置的安全保护是一个重要问题。用什么作为模拟负载，使系统能为工作缸模拟出接近实际的工作环境，并使工作缸能平衡地转换分合闸状态是一个关键。

（2）能否实现离线检测。采用离线渗漏检测的方式对开关的液压机构工作缸的密封性能及动作性能进行检测，才能有效缩短设备的停电检修时间。

（3）系统是否能做到操作方便，自动化程度高也是技术人员关注的问题之一。

1.3 方案确定

1.3.1 方案一

根据液压操作机构原理图复制设计出检测系统（无负载）。

存在问题：此方案系统只能在一种状态下实现监测。若电动操作，需将油压加到220bar以上（现场实测）才能操作，但因系统未连接负载，转换时工作缸操作功瞬间释放，极易将工作缸内部元件损坏，同时危及测试人员的安全。若不加电，靠人力推拉工作缸活塞杆根本无法实现状态转换。

结论：此法不可行。

1.3.2 方案二

因离线测试的工作缸可不受速度限制，若能控制缸内活塞两侧的油压，使活塞缓慢动作，则在操作可避免内部元件受到损伤，以实现工作缸状态的平稳转换。由此得出的初步设计方案，如图2所示。

图2 初步方案简图

如图所示，为了使被测工作缸能在分、合闸两种状态下进行试验，即被测工作缸能被分、合闸操作，方案中用了两只增压比为1：2、最大工作压力为500bar的液压增压器。液压油经柱塞泵、换向阀、增压器后形成不同压力通过工作缸活塞两侧油管，对被测工作缸进行控制，从而实现工作缸状态的平稳改变。[2]

存在问题：为了使工作缸平稳实现状态改变，需在测试过程中对增压器进行调节，但两个增压器的配合问题使得系统调节非常困难。另一方面，由于油泵不直接服务于被测工作缸，中间经过增压器，因此，若工作缸内部发生渗漏将无法根据油泵的频繁启动来进行判断，换句话说，若油泵出现频繁启动，将不能认定故障来源于工作缸内部。

结论：此方案必须改进。

1.3.3 最终方案

FKG型开关采用的液压操作机构日常运行在37.5MPa （375bar）左右的工作压力下，操作功率大。开关生产厂家在检测工作缸性能时，是将工作缸装回液压系统，并用相同的开关设备作为负载进行。此方法在生产厂家可行，但在用户单位则因开关设备体积庞大、费用高昂难以实现。因此，要达到离线检测的目的，并实现工作缸分、合闸状态的平稳转换，为系统配备一个代替开关来消耗机构操作功的模拟负载是一个关键问题，也是实施的难点所在，前几个方案不成功的原因也在于此。

总结屡次研究的经验教训，技术人员经多方咨询，根据在检修时测量的活塞杆实际动作行程（约170mm）及液压操作机构的相关参数进行计算[3-6]：

（1）工作缸参数。φ55/φ25×170mm，即工作缸内径d=25mm；

（2）工作原理。差动式油路；

（3）合闸。因合闸受力面为活塞杆的截面，故根据活塞杆的截面积计算公式，算得合闸受力面积为：

工作压力为375kg/ cm2，故合闸推力为：

（4）分闸。大腔截面积：

分闸受力面积为大腔截面积-活塞杆截面积，即：

故分闸拉力为：

（5）选择负载缸参数：φ100/φ50×170mm，根据能量守衡定律，计算负载缸的设定压力如下：

因工作缸合闸时，合闸力作用于负载缸的大腔截面，取d=100，故合闸受力面积：

要达到消耗工作缸合闸推力（1.839t）的目的，负载缸的最小设定压力：

活塞杆截面积：

分闸受力面积：

要达到推动工作缸分闸（7t）的目的，负载缸的最大设定压力：

根据计算，选用φ100/φ50×170mm的液压工作缸作为检测系统的模拟负载（图3）。

图3 模拟负载

此外，为模拟工作缸实际运行情况，选用了氮气筒作为蓄能器，并对检测系统进行重新设计。[6，7]

2 系统原理及参数

2.1 系统原理

图4 液压机构渗漏检测系统图

如图4所示，检测时将被测工作缸与模拟负载液压缸的主轴用连接件相连，由两只柱塞泵分别为负载缸与被测缸提供油压。合闸操作时，电机启动，电磁换向阀线圈a1、a3得电，工作缸执行合闸动作，负载缸随工作缸合闸执行后退动作；分闸操作时，电机启动，电磁换向阀线圈a2、a4得电，工作缸执行分闸动作，负载缸随工作缸合闸执行前进动作。如此通过连接轴的伸拉运动，使负载缸内密封工作腔容积发生变化达到吸油和压油的目的，从而起到阻尼缓冲作用，吸收工作缸的操作功，使分、合闸操作平稳，同时保护被测设备的安全[6]。表1为系统元器件一览表。

整套装置体积小，结构紧凑（见图5），而设计中两只平衡阀的设置，使得负载缸压力可调（合闸操作时负载压力大小调节22-1号阀，分闸操作时负载压力大小则可调节22-2号阀），这使得检测系统能够比较准确地模拟出工作缸现场实际工作情况，检测结果更具实用价值。

表1 系统元器件一览表

图5 渗漏检测系统外形图

2.2 系统参数

电机功率：1.5kW + 2.2kW

极数：4极

电机转速：1450 r/min

电机电压：380V

泵浦额定排量：15.4L/min+3.5L/min

负载系统正常使用压力：2～6MPa

工作缸系统最高使用压力：38MPa

油箱容量：100L

电磁阀控制电压：DC24V

蓄能器氮气充装压力：17MPa

3 现场实际应用

3.1 系统测试

经多次修改后，检测系统制作完成，为考验检漏装置能否达到实际检漏效果，技术人员分别利用新购备品工作缸及损坏的废旧工作缸在实验室内进行了测试。

测试结果，系统能准确判断出工作缸的渗漏情况，基本达到预计目标。但系统动作次数需根据压力曲线波形记录读出，不够直观。

3.2 系统改进

为了更方便于现场使用，根据试验和检查情况，对装置做出如下改进：

（1）在安装工作缸的位置处设立了便于在安装时调节的小凹台和工作缸高度微调机构，使工作人员在安装工作缸的整个过程中都能达到轻松、省力之目的。

（2）使氮气蓄压筒与断路器参数匹配，并设置了安全阀和手动泄压手柄，紧急时可手动泄压。

（3）增加液压油管观察柱。

（4）在程序中设置了油泵启动次数记录，见图6。

图6 系统液晶显示屏

3.3 生产现场应用

2013年11月，3号机组发电机开关操作机构大修。11月21～23日，技术人员将改进后渗漏检测系统运至生产现场，对大修后的操作机构工作缸进行检测，检测记录见表2。

表2 开关操作机构工作缸现场渗漏检测报告

4 系统特点

4.1 系统特点

系统采用离线方式检测开关液压机构工作缸的密封性能及动作性能，以消除解体检修后的工作缸投运后可能出现的安全隐患，提高开关运行可靠性。

系统能够准确模拟工作缸的实际运行条件对其进行检测。利用压力可调式液压缸作为系统的模拟负载，消耗被试工作缸的操作功，并起阻尼和缓冲作用，实现系统对工作缸分、合闸的平稳操作。

系统采用触摸显示屏对系统进行操作和监控，可在触摸屏上设置监控参数，采集压力数据生成曲线图来直观反应被检工作缸的实时动态，并根据窗口提示分析/判断油缸的保压效果。

4.2 改进方向

从系统在现场的实际应用来看，装置便于工作人员对被测工作缸的安装与拆卸，无需过多的管路连接使测试准备工作方便、快捷，测试时参数设定一目了然。但是测试中发现，压力波形及相关记录的历史数据无法储存，开关电源后数据便会全部清零，不便于多时段监测；此外装置无计算机接口，这使得检测数据无法导出，需人工手动绘制试验报告，不够人性化，今后可在这两个方面进行改进。

5 结论

由于液压操作机构具有输出功率大、延时小，反应快、操作平稳以及即使在暂时失去电源时仍能操作多次等优点，可用范围广，但因其加工精度要求高，如果制造或装配不良，就会使这种机构存在渗漏油等缺陷。国内目前对液压操作机构内部渗漏评判的标准往往通过启停油泵动作次数，属于事后监督，而且有随机概率因素，往往有时伴随机构突然全部泄压危险。因此，通过专门的液压缸测试装置，测试液压工作缸的内部渗漏、外泄漏和必要耐压测试，检测检修后的液压缸装配工艺是否符合要求，选配的密封圈等材料是否有效，将原先的事后预防、监督转至早期监测、诊断，有效避免因液压缸而引起的设备故障发生。测试系统对于同样采用液压机构的开关的单位，具有较强的参考价值。

[1] 全国高压开关设备标准化技术委员会. GB 1984—2003 交流高压断路器.北京：中国标准出版社，2004.

[2] 全国液压气动标准化技术委员会. GB/T 7938—1987 液压缸及气缸公称压力系列.北京：中国标准出版社，1988.

[3] 全国液压气动标准化技术委员会.GB/T 2348—2001，液压气动系统及元件缸内径及活塞杆外径.北京：中国标准出版社，2002.

[4] 全国液压气动标准化技术委员会.GB/T 2349—1997液压气动系统及元件缸活塞行程系列.北京：中国标准出版社，1998.

[5] 全国液压气动标准化技术委员会.JB/T 7939—1999单活塞杆液压缸两腔面积比.北京：机械工业出版社，2000.

[6] 全国液压气动标准化技术委员会. JB/T 10205—2000液压缸技术条件.北京：机械工业出版社，2000.

[7] 国家能源局.DL/T 615—2013交流高压断路器参数选用导则.北京：中国电力出版社，2014.

[8] 国家电网公司.高压开关设备典型故障案例汇编.北京：中国电力出版社，2006.

饶 源（1975—），女，本科，工程师，从事电厂技术管理工作。E-mail：yuan-rao@sgxy.sgcc.com.cn

叶友卫（1985—），男，本科，工程师，从事电厂技术管理工作。

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