孟 猛，鄭金傳，周 杰，李祥準(zhǔn)

（機(jī)械科學(xué)研究總院（將樂(lè)）半固態(tài)技術(shù)研究所有限公司，三明 365000）

0 引言

高壓開(kāi)關(guān)也稱為高壓斷路器，主要用于控制和保護(hù)電力系統(tǒng)中的設(shè)備免受電流異變所造成的破壞性影響，是電力系統(tǒng)中最重要最復(fù)雜的電氣設(shè)備之一[1,2]。斷路器由開(kāi)斷元件和操動(dòng)機(jī)構(gòu)組成，開(kāi)斷元件是斷路器用來(lái)進(jìn)行關(guān)合、承載和開(kāi)斷正常工作電流和故障電流的執(zhí)行元件；操動(dòng)機(jī)構(gòu)是斷路器的驅(qū)動(dòng)設(shè)備，其運(yùn)行過(guò)程中是將檢測(cè)控制系統(tǒng)給出的電信號(hào)指令轉(zhuǎn)換為機(jī)械信號(hào)輸出，使動(dòng)觸頭迅速動(dòng)作完成斷路器開(kāi)斷與關(guān)合任務(wù)。目前液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)在高壓開(kāi)關(guān)操動(dòng)機(jī)構(gòu)中應(yīng)用最為廣泛[3-4],對(duì)于采用壓縮氮?dú)鈨?chǔ)能的液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)存在蓄能器漏氣會(huì)導(dǎo)致存儲(chǔ)能量減少的問(wèn)題，針對(duì)這一問(wèn)題本文介紹了一種蓄能器漏氣自動(dòng)檢測(cè)的供油系統(tǒng)。

1 液壓機(jī)構(gòu)的供油系統(tǒng)

高壓斷路器的液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)是一種間歇運(yùn)轉(zhuǎn)的液壓裝置，動(dòng)作時(shí)間極短，分合閘時(shí)間均為幾十毫秒（不同電壓等級(jí)的斷路器要求動(dòng)作時(shí)間不同，以220kV為例，分閘時(shí)間在30ms左右，合作時(shí)間在80ms左右），間歇時(shí)間很長(zhǎng)，可能一年也不會(huì)動(dòng)作一兩次，因此它的油源系統(tǒng)必須使用高壓泵補(bǔ)油、蓄能器儲(chǔ)能的方式，CY系列、平高CYT等液壓機(jī)構(gòu)就采用這種方式。如圖1所示。

圖1 液壓機(jī)構(gòu)的供油系統(tǒng)原理圖

高壓泵的輸出油液經(jīng)過(guò)單向閥進(jìn)入蓄能器中，壓縮蓄能器內(nèi)的氣體體積，使油壓不斷升高，達(dá)到壓力上限時(shí)，壓力開(kāi)關(guān)發(fā)出信號(hào)，控制繼電器關(guān)閉電機(jī)供電，油泵停止輸出油液。當(dāng)液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)執(zhí)行分合閘動(dòng)作，或經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間系統(tǒng)泄露造成蓄能器的油壓跌至壓力下限后，壓力開(kāi)關(guān)再次發(fā)出信號(hào)，控制繼電器接通電機(jī)供電，啟動(dòng)油泵進(jìn)行補(bǔ)油，如此穩(wěn)定系統(tǒng)壓力在設(shè)定的范圍內(nèi)。該系統(tǒng)能耗低，效率高，很好地滿足了高壓開(kāi)關(guān)液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)的技術(shù)要求。唯一缺點(diǎn)是蓄能器漏氣，會(huì)導(dǎo)致蓄能器儲(chǔ)存的有效油液大幅減少，造成分合閘過(guò)慢或分合閘不到位，引發(fā)嚴(yán)重事故。由于壓力開(kāi)關(guān)可以控制高壓泵補(bǔ)油，系統(tǒng)工作油壓始終保持在設(shè)定的范圍內(nèi)，因此并不能從壓力表上讀出蓄能器漏氣狀況。故采用蓄能器儲(chǔ)能的液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)需要一個(gè)能檢測(cè)這種狀況的、可靠的儲(chǔ)能供油系統(tǒng)。

2 蓄能器漏氣檢測(cè)的供油系統(tǒng)

針對(duì)蓄能器漏氣使蓄能器儲(chǔ)存能量不足，而導(dǎo)致的液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)作失敗這一問(wèn)題，有些方案提出通過(guò)檢測(cè)油壓由壓力下限升至壓力上限補(bǔ)油過(guò)程中油箱液位的變化，來(lái)判斷補(bǔ)入蓄能器的油量的多少進(jìn)而判斷蓄能器是否漏氣。但是由于操動(dòng)機(jī)構(gòu)在分閘操作時(shí)油箱會(huì)有大流量的回油，會(huì)導(dǎo)致液面劇烈晃動(dòng)，如果油壓剛好到達(dá)下限值，在液面未平靜時(shí)油泵啟動(dòng)補(bǔ)油，使液位計(jì)無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量出液位初始值，無(wú)法判斷蓄能器的儲(chǔ)氣量狀況。此外，系統(tǒng)油液泄漏，操動(dòng)機(jī)構(gòu)的安裝角度等因素都會(huì)導(dǎo)致判斷錯(cuò)誤。

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)智能油源控制的方案，無(wú)論是蓄能器漏氣還是油泵失效都能在第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)，并提醒維護(hù)人員檢修。具體實(shí)施方案如圖2所示，在原有蓄能器儲(chǔ)能供油系統(tǒng)中增加電機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器、流量傳感器、環(huán)境溫度傳感器，并以PLC作為控制器，且將原有的壓力開(kāi)關(guān)改為壓力傳感器。

圖2 蓄能器漏氣檢測(cè)的供油系統(tǒng)原理圖

當(dāng)油泵向蓄能器補(bǔ)油時(shí)，控制器通過(guò)流量計(jì)可以檢測(cè)并計(jì)算出蓄能器壓力由p2～p3所補(bǔ)入蓄能器的油量M，根據(jù)氣體波義耳定律計(jì)算出此時(shí)蓄能器在油壓為p1時(shí)的充氣體積V1t，又知道V1是蓄能器首次充油計(jì)算得到的油壓為p1時(shí)的蓄能器充氣體積，繼而能夠求得蓄能器的漏氣率，當(dāng)漏氣率大于某一極限值時(shí)，控制器向主控室報(bào)警，并通知維修。在電機(jī)上連接轉(zhuǎn)速傳感器，一旦根據(jù)轉(zhuǎn)速傳感器計(jì)算出的流量與流量傳感器檢測(cè)出的流量誤差超過(guò)15%時(shí)，便可判定為油泵失效或流量傳感器故障。又由于環(huán)境溫度的變化會(huì)影響到V1的體積，因此在計(jì)算漏氣率時(shí)要根據(jù)溫度傳感器（精度為±0.5℃）檢測(cè)的實(shí)時(shí)溫度對(duì)V1進(jìn)行溫度修正。

3 蓄能器漏氣檢測(cè)原理

當(dāng)油泵向蓄能器補(bǔ)油時(shí)，可根據(jù)各傳感器的數(shù)據(jù)，依據(jù)氣體波義耳定律計(jì)算此時(shí)蓄能器的充氣量，氣體波義耳定律為[5]：

式中：p1為設(shè)定的系統(tǒng)參考?jí)毫?，設(shè)定為20MPa；V1為在油壓為p1時(shí)所對(duì)應(yīng)的蓄能器氣體體積，L；p2為系統(tǒng)設(shè)定的最低工作壓力，MPa；V2為在油壓為p2時(shí)所對(duì)應(yīng)的蓄能器氣體體積，L；p3為系統(tǒng)設(shè)定的最高工作壓力，MPa；V3為在油壓為p3時(shí)所對(duì)應(yīng)的蓄能器氣體體積，L；k為氣體絕熱系數(shù)，取1.4。

用V0分別V1、V2，由式（1）可得：

當(dāng)蓄能器壓力由p2～p3補(bǔ)入蓄能器的油量M可以由油泵排量或流量計(jì)檢測(cè)計(jì)算得到，也可以表示為這一階段蓄能器氣體體積的變化量，為:

結(jié)合式(2)和式(3)可得：

由于環(huán)境溫度的變化會(huì)影響到V1的體積，因此在計(jì)算漏氣率時(shí)要根據(jù)溫度傳感器檢測(cè)的實(shí)時(shí)溫度對(duì)V1進(jìn)行溫度修正：

式中：t0為蓄能器首次充油時(shí)用來(lái)計(jì)算V1時(shí)所測(cè)溫度，℃(記錄到控制器中，為一常量)；t為溫度傳感器所測(cè)當(dāng)前油泵補(bǔ)油時(shí)的溫度，℃；T為絕對(duì)零度，取-273.15℃；V1t為當(dāng)前溫度下修正后的壓力為p1時(shí)蓄能器氣體體積，L。

油泵出油總量M表達(dá)式：

式中：M為補(bǔ)油量，L；N為蓄能器壓力由p2～p3時(shí)電機(jī)所轉(zhuǎn)圈數(shù)；η為高壓泵容積效率；q為高壓泵實(shí)際排量，L/rev；q0為高壓泵理論排量，L/rev。

結(jié)合式(4)和式(5)可得：

式中：P20為首次充油時(shí)系統(tǒng)最低工作壓力，MPa；P30為首次充油時(shí)系統(tǒng)最高工作壓力，MPa；M1為首次充油壓力由p20～p30時(shí)補(bǔ)入蓄能器的油量，L；P21為實(shí)測(cè)時(shí)系統(tǒng)設(shè)定的最低工作壓力，MPa；P31為實(shí)測(cè)時(shí)系統(tǒng)設(shè)定的最高工作壓力，MPa；M1t為實(shí)測(cè)時(shí)壓力由p21～p31時(shí)補(bǔ)入蓄能器的油量，L。

定義蓄能器的漏氣率為油壓P1下蓄能器漏氣氣體體積與初始測(cè)得的氣體體積比值，結(jié)合式(7)和式(8)，可得蓄能器漏氣率為：

其中：ξ為蓄能器漏氣率；C為初次測(cè)試后為一常數(shù)：

如果與首次充油相比系統(tǒng)所設(shè)置的最高壓力、最低壓力不變，即P20=P21，P30=P31，那么蓄能器漏氣率也可表示為：

由式(10)或式(11)可以計(jì)算出蓄能器的漏氣率，當(dāng)漏氣率ξ小于設(shè)定的漏氣率極限值時(shí)，表明蓄能器漏氣。同時(shí)由式(7)還可以計(jì)算的高壓泵的容積效率，當(dāng)容積效率η小于設(shè)定的容積效率極限值時(shí)，表明高壓泵失效。當(dāng)蓄能器漏氣或高壓泵失效時(shí)，控制器會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，傳送給上位機(jī)顯示故障并通知維修。

4 仿真及試驗(yàn)

4.1 仿真驗(yàn)證

基于AMESim液壓仿真軟件對(duì)本文所設(shè)計(jì)的智能供油系統(tǒng)進(jìn)行仿真[6]。根據(jù)液壓系統(tǒng)原理圖及系統(tǒng)控制框圖搭建如圖3所示的仿真系統(tǒng)，圖3中仿真系統(tǒng)1為蓄能器未漏氣時(shí)的仿真系統(tǒng)，仿真系統(tǒng)2為蓄能器漏氣時(shí)的仿真系統(tǒng)。通過(guò)改變仿真系統(tǒng)2中蓄能器的充氣壓力來(lái)改變蓄能器初始充氣體積以模擬蓄能器漏氣的狀態(tài)，與仿真系統(tǒng)1中的蓄能器未漏氣的狀態(tài)形成對(duì)比，參數(shù)設(shè)置如表1所示。流量計(jì)用來(lái)檢測(cè)當(dāng)蓄能器油壓由22MPa升至27MPa過(guò)程中補(bǔ)入蓄能器的油量。

圖3 AMESim仿真系統(tǒng)

表1 仿真參數(shù)設(shè)置

運(yùn)行仿真，仿真系統(tǒng)1中蓄能器油壓由22MPa升至27MPa過(guò)程中補(bǔ)入蓄能器油量變化曲線如圖4所示，蓄能器氣體體積隨油壓變化曲線如圖5；仿真系統(tǒng)2中蓄能器油壓由22MPa升至27MPa過(guò)程中補(bǔ)入蓄能器油量變化曲線如圖6，蓄能器氣體體積隨油壓變化曲線如圖7所示。

圖4 仿真系統(tǒng)1油壓由22MPa～27MPa補(bǔ)入蓄能器油量變化曲線

圖5 仿真系統(tǒng)1蓄能器氣體體積隨油壓變化曲線

圖6 仿真系統(tǒng)2油壓由22MPa～27MPa補(bǔ)入

圖7 仿真系統(tǒng)2蓄能器氣體體積隨油壓變化曲線

由圖5可知蓄能器未漏氣狀態(tài)下油壓為20MPa時(shí)蓄能器氣體體積為3.5652L，由圖7可知蓄能器漏氣狀態(tài)下油壓為20MPa時(shí)蓄能器氣體體積為2.7861L。則蓄能器仿真系統(tǒng)中的真實(shí)漏氣率ε=1-2.7861/3.5652≈21.9%。

由圖4可知蓄能器未漏氣時(shí)蓄能器油壓由22MPa升至27MPa補(bǔ)入蓄能器的油量為0.4515L，由圖6可知蓄能器漏氣后蓄能器油壓由22MPa升至27MPa補(bǔ)入蓄能器的油量為0.3526L，由式(11)可以根據(jù)補(bǔ)入蓄能器的油量計(jì)算出蓄能器的計(jì)算漏氣率ε'=1-0.3526/0.4515≈2%計(jì)算值與真實(shí)值幾乎相等，因此仿真證明此蓄能器漏氣檢測(cè)供油系統(tǒng)可以有效檢測(cè)到蓄能器漏氣。

4.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

試驗(yàn)用的液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)其油源系統(tǒng)如圖2所示，以西門(mén)子1200PLC作為控制器，采用士林伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)高壓泵，液壓系統(tǒng)效率取0.9，高壓泵的容積效率為0.9，其他試驗(yàn)參數(shù)如表2所示：

表2 試驗(yàn)參數(shù)

對(duì)蓄能器未漏氣的狀態(tài)與漏氣后的狀態(tài)分別進(jìn)行充壓檢測(cè)試驗(yàn)，檢測(cè)系統(tǒng)油壓由22MPa升至27MPa時(shí)補(bǔ)入蓄能器的油量以驗(yàn)證含蓄能器漏氣檢測(cè)的供油系統(tǒng)的仿真的正確性。實(shí)驗(yàn)中將蓄能器充氣壓力由17MPa放氣至12MPa，以模擬蓄能器的漏氣狀態(tài)，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示，其中電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)為N，由式(6)可得油泵補(bǔ)油量M，L，流量計(jì)測(cè)得的補(bǔ)油量M’，L。

表3 試驗(yàn)結(jié)果

在蓄能器未漏氣與漏氣狀態(tài)下分別進(jìn)行了5組試驗(yàn)，計(jì)算系統(tǒng)油壓在設(shè)定范圍內(nèi)補(bǔ)入蓄能器油量的平均值。由流量計(jì)測(cè)得在蓄能器未漏氣狀態(tài)下油壓由22MPa升至27MPa補(bǔ)入蓄能器的油量為約0.456L，在蓄能器漏氣狀態(tài)下油壓由22MPa升至27MPa補(bǔ)入蓄能器的油量約為0.350L。由于液壓系統(tǒng)存在內(nèi)泄漏，液壓系統(tǒng)的效率，油泵的容積效率都存在誤差，檢測(cè)時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速脈沖丟失等原因，導(dǎo)致由油泵轉(zhuǎn)數(shù)計(jì)算出的補(bǔ)入蓄能器的油量值要高于流量計(jì)檢測(cè)計(jì)算出的油量，其誤差在15%以內(nèi)可以認(rèn)為油泵未失效。由流量計(jì)檢測(cè)的油量計(jì)算蓄能器漏氣率約為ε'=1-0.350/0.456≈3.5%。流量計(jì)的測(cè)量也存在著一定的誤差，漏氣率與仿真對(duì)比誤差在4%以內(nèi)可以認(rèn)為仿真合理，證明此蓄能器漏氣檢測(cè)供油系統(tǒng)可以有效檢測(cè)到蓄能器漏氣狀況。

5 結(jié)語(yǔ)

此蓄能器漏氣自動(dòng)檢測(cè)的供油系統(tǒng)是為高壓電器開(kāi)關(guān)的液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)所設(shè)計(jì)。無(wú)論是蓄能器漏氣還是油泵失效，它都能在第一時(shí)間檢測(cè)到，避免因蓄能器漏氣造成儲(chǔ)能不足而引起的分合閘過(guò)慢或分合閘不到位的故障，并有效檢測(cè)出因油泵失效而造成打壓時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的問(wèn)題。本油源系統(tǒng)使用智能控制器進(jìn)行檢測(cè)控制，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控操動(dòng)機(jī)構(gòu)的工作狀況。當(dāng)故障發(fā)生時(shí)及時(shí)提醒維護(hù)人員檢修，并辨別故障是蓄能器漏氣還是油泵失效導(dǎo)致的，使得液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)的可靠性大大提高，同時(shí)也降低了檢修的時(shí)間成本。本系統(tǒng)也可用于其他任何蓄能器儲(chǔ)能的油源系統(tǒng)中，提高系統(tǒng)可靠性。