浙江中特气动阀门成套有限公司
 断路器液压机构中控制阀故障分析与改进

摘 要:针对某公司进口断路器液压操动机构在运行中出现的问题,从工作原理和产品结构上进行了分析,指出了存在问题的液压元件,找出了控制阀出现问题的原因,提出了控制阀改进的方案。同时,对新设计的电液控制阀工作原理和结构特点进行了介绍,对改进前、后的试验结果进行了对比分析。

关键字:液压系统 控制阀 作原理 机械特性


引言

高压断路器是电力系统中最重要的一种电器设备,用于在电力系统正常运行或故障的情况下分、合各种性能的电流。高压断路器的分、合动作是通过操动机构来实现的,断路器在运行时的动作频率不高,动作过程短暂,操动机构传动环节多,工作条件比较恶劣,隐患不易及时发现。所以,操动机构的工作性能和可靠性,对断路器的工作性能和可靠性起着极为重要的作用。高压断路器最主要的功用是开断电力系统中的短路电流,由于开断电流大,要求断路器具有较高的分断速度,这就要求操动机构能提供较大的操作功。同时,要求断路器的固有分闸时间要短,以缩短断路器的全开断时间,提高电网运行的稳定性,这都需要通过操动机构来实现。液压操动机构具有结构紧凑、尺寸小、操作功大、传动快、时延小的特点,可以较好的满足高压断路器的要求。

某公司进口断路器在多年的运行中,其液压操动机构曾多次出现故障,使产品运行存在隐患,为此,需深入剖析故障产生的原因,从结构设计上采取措施,提高其可靠性,保证产品安全运行。

1 产品结构与工作原理

断路器由三相灭弧室、壳体和操动机构组成,每相灭弧室分别安装在充满SF6气体的壳体中,每相灭弧室与各自的液压操动机构相连。图1为某公司进口断路器液压操动机构的液压原理图,每台液压机构由液压缸1、电液控制阀2、低压油箱3、油过滤器4、油泵5、电机6、逆止阀7、安全阀8、高压放油阀9、储压器10、压力表11、油压开关12组成,其他还包括:分、合指示器和电器控制元件等。

图1 液压原理图

断路器液压操动机构属于高速、大功率双稳态电液驱动系统,操作时进行两个稳态(即分闸、合闸状态)的转换。当接到控制室的分、合闸命令时,通过电液控制阀上的分、合闸电磁铁使控制阀转换至分闸或合闸位置。控制阀为二位三通阀,当控制阀处于合闸位置时,见图1a,液压缸的下部通过控制阀与高压系统相通,由于活塞下部的作用面积大于上部的作用面积,液压缸内的活塞杆在活塞下部高压油的作用下向上运动,带动断路器的灭弧室完成合闸动作。当控制阀处于分闸位置时,见图1b,液压缸的下部通过控制阀与低压油箱相通,液压缸内的活塞杆在活塞上部高压油的作用下向下运动,带动断路器的灭弧室完成分闸动作。由上述过程可知,电液控制阀为保证液压操动机构可靠动作的核心元件。

图2为某公司进口断路器液压机构中电液控制阀的结构图,该电液控制阀由分闸电磁铁1、复位弹簧2、阀套3、阀体4、阀杆5、阀套6、合闸电磁铁7等零部件组成。控制阀有3个油口,分别为:T口、Z口和P口,其中T口与低压油箱连通,Z口与液压缸下部连通,P口与液压系统的高压连通,控制阀结构比较简单,内部阀杆由电磁铁直接推动,其动作过程如下:

分闸动作:

如图2a,电液控制阀处于合闸状态,分闸命令发出,分闸电磁铁1带电吸合,电磁铁动铁芯推动阀杆5向右运动,关闭右侧阀口,打开左侧阀口,使控制阀的Z口与T口连通,见图2b,分闸命令结束后,由于阀杆的截面尺寸S1>S2,阀杆受到向右的液压作用力为p(S1-S2),使阀杆可靠的保持在分闸位置。

图2 控制阀结构图

合闸动作:

如图2b,电液控制阀处于分闸状态,合闸命令发出,合闸电磁铁7带电吸合,电磁铁动铁芯推动阀杆5向左运动,关闭左侧阀口,打开右侧阀口,使控制阀的Z口与P口连通,见图2a,合闸命令结束后,由于阀杆的截面尺寸S1<S3,阀杆受到向左的液压作用力为p(S3-S1),使阀杆可靠的保持在合闸位置。

该控制阀的特点是:阀杆采用滑阀与锥阀相结合的结构形式,利用差动阀的工作原理,使阀杆左右两端分别与大气相通,反力小,动作快;同时,利用锥阀的结构特点,阀口密封性能好。

2 控制阀存在的问题与原因分析

断路器对操动机构的主要要求,除应满足断路器对分、合闸速度,分、合闸时间以及分、合闸同期性的要求外,还应保证分、合闸动作稳定可靠,在分闸或合闸动作结束后要能可靠的保持在分闸或合闸位置。上述进口断路器在多年的运行中,其液压操动机构曾多次出现故障,主要现象是动作时间变长、操动机构拒动、动作过程中液压系统压力降为0等,用户对其可靠性存有较大疑问,要求查找分析故障原因,尽快解决问题。

对存在问题的液压操动机构进行检查和操作试验可以发现,液压机构频繁操作时动作正常,在长期放置后,偶有动作时间长的现象,对操作试验得到的机械特性曲线进行对比分析,可以发现电磁铁动作时间较长,说明电磁控制阀存在问题。检查控制阀内阀杆运动的摩擦力,频繁动作时未发现明显异常,长期放置后,摩擦力有明显变化。对控制阀解体检查,除发现少量细微杂质外,零部件尺寸、形位公差及粗糙度未超出图纸要求。

对图2所示控制阀结构进行分析,总结出该控制阀存在如下问题:

(1)控制阀二端阀套3和阀套6的内孔各有一部分长期处于空气中,润滑条件不好,长期放置后,易使阀杆的摩擦力变大,运动时间会变长,一旦运动几次后,润滑条件变好,阀杆运动变为正常。另外,阀套3和阀套6的内孔长期处于空气中,易进入灰尘、出现锈蚀,对产品的可靠性带来不利影响;

(2)对阀套3和阀套6的阀口形状进行分析,可以看出阀口形状过于尖锐,多次分、合闸操作后,阀口在阀杆上圆锥面的撞击下,易发生微量变形,而锥阀前部为圆柱形的滑阀结构,其与阀套孔的配合间隙小,可能会出现滑阀部分与阀口相互刮蹭现象,严重的情况下可能会造成阀杆被卡滞,出现阀杆运动变慢或卡滞拒动现象,如阀杆运动不到位、阀口关闭不严,会造成液压系统压力因泄漏而降为0的现象;

(3)为减小电磁铁功率和尺寸,缩短控制阀动作时间,需减小阀杆受到的液压作用力,所以阀杆上的面积尺寸S1、S2、S3相差很小,频繁操作后,阀口密封线可能会变宽,尺寸变化使阀杆启动时的作用力发生变化,影响控制阀动作的可靠性和稳定性;

(4)由于复位弹簧2的存在,如断路器运行中液压系统某部位密封失效,液压系统压力降为0,或产品调试过程中人为泄压后,阀杆会被复位弹簧推向右端,控制阀会由合闸位置转换至分闸位置,这样在液压系统重新建立压力时,由于压力是逐渐升高的,液压缸会带动断路器缓慢分闸,造成严重的事故,这在断路器运行时是不允许的。

3 改进方案

根据上述分析,原进口电液控制阀在结构设计上存在一些问题。液压系统中的阀类零件是比较精密的零件,如果在原控制阀基础上再采取提高零部件加工精度、提高阀口的热处理硬度、提高装配质量、提高液压系统清洁度要求等改进措施,不仅不经济,也很难从根本上解决问题。要解决进口电液控制阀的动作可靠性和稳定性问题,需要从结构上进行设计改进,研制新的电液控制阀来进行更换,新设计的电液控制阀需保证断路器机械特性及安装尺寸不变,要保证互换性。

根据进口控制阀的结构特点,新研制的控制阀采用二级阀的设计方案,结构见图3。主要由分闸电磁铁1、分闸先导阀2、主阀杆3、阀套4、合闸电磁5、合闸先导阀6、阀套7、阀座8、保持装置9等零件组成。图中主阀的通径尺寸与原控制阀相同,主阀杆由电磁先导阀进行控制并采用液压驱动,其动作过程如下:

分闸动作:

如图3a,电液控制阀处于合闸状态,分闸命令发出,分闸电磁铁1带电吸合,动铁芯通过杠杆推动分闸先导阀内的阀针,阀针顶开球阀,分闸先导阀2开启,主阀杆3右端的高压油经分闸先导阀泄压至主阀的低压腔T口,由于主阀杆截面尺寸S1>(S2-S4),主阀杆受到向右的作用力p[S1-(S2-S4)],主阀杆在左侧高压油的作用下向右运动,关闭右侧阀口,打开左侧阀口,使控制阀的Z口与T口连通,见图3b。分闸命令结束后,主阀杆右端通过阀套上的自保持小孔与Z口和T口的低压相通,阀杆受到向右的作用力为p[S1-(S3-S4)],使阀杆可靠的保持在分闸位置。

合闸动作:

如图3b,电液控制阀处于分闸状态,合闸命令发出,合闸电磁铁5带电吸合,动铁芯通过杠杆推动合闸先导阀内的阀针,阀针顶开球阀,合闸先导阀6开启,高压油经合闸先导阀进入至主阀杆的右端,由于主阀杆尺寸S3>S1,阀杆受到向左的作用力p(S3-S1),主阀杆在右侧高压油的作用下向左运动,关闭左侧阀口,打开右侧阀口,使控制阀的Z口与P口连通,见图3a。合闸命令结束后,主阀杆右端通过阀套上的自保持小孔与Z口和P口的高压相通,阀杆受到向左的作用力为p(S2-S1),使阀杆可靠的保持在合闸位置。

图3 改进后的控制阀结构图

控制阀中增加了保持装置(9),当控制阀在分闸位置液压系统压力为0时,主阀杆右端的菱形结构在保持装置的作用下能可靠的保持在分闸位置,控制阀在合闸位置液压系统压力为0时,主阀杆右端的菱形结构在保持装置的作用下也能可靠的保持在合闸位置,可靠的避免了液压系统失压后再建立压力时液压机构出现慢合或慢分的可能。

新结构电液控制阀的优点如下:

(1)采用二级阀结构,主阀阀杆整体置于液压油中,润滑条件好,使主阀杆的动作稳定可靠;

(2)阀杆尺寸S1、S2、S3、S4相差较大,阀杆受到的液压作用力大,动作可靠性高。另外,主阀阀杆由液压力推动,所需电磁先导阀的通径及流量较小,电磁铁的功率较小,外形尺寸也较小;

(3)左、右2个阀套上的阀口形状由较尖锐的直角改为钝角形状,见图4,可减小阀口在锥阀撞击下产生的变形量,可靠性高。

(4)主阀杆右端增加的缓冲活塞结构,可使主阀杆在分闸运动的末段,降低运动速度,减轻锥阀对阀口的撞击。主阀杆中间段的槽形结构,见图4,也有利于减小阀口的撞击和磨损[12];

(5)在液压系统压力降为0时,主阀杆右端新增加的菱形结构在弹簧及顶帽的作用下能可靠的保持在分闸位置或合闸位置,避免液压系统失压后再建压时液压机构出现慢分或慢合的可能。

图4 阀口结构图

4 改进后的试验与测试结果

改进后的电液控制阀配断路器及其液压机构进行了测试,并进行了机械耐久操作试验,其可靠性和稳定性达到了设计要求。图5为改进前、后的电液控制阀配断路器及其液压机构进行测试的结果对比,由图中曲线可以看出,改进前、后电液控制阀中电磁铁的功率大小不一样,改进前电磁铁线圈中的电流(曲线1)和改进后电磁铁线圈中的电流(曲线2)大小也不一样,而从电磁铁带电到断路器(液压缸)动作结束的时间基本相同,改进前、后断路器(液压缸)的机械行程特性曲线(曲线3和曲线4)基本重合,这说明改进前、后断路器的分、合闸时间和分、合闸速度基本相同,也说明改进前、后的电液控制阀动作时间和流量基本相同,满足了断路器对液压操动机构的要求。

图5 机械特性曲线对比

5 结论

(1)针对某公司进口断路器液压机构中控制阀出现故障的原因进行了分析,提出了改进方案,并对改进后的控制阀进行了测试,对其可靠性和稳定性进行了操作试验验证,试验结果表明改进后的控制阀达到了设计要求;

(2)改进后的电液控制阀提高了断路器及其液压操动机构整机的动作可靠性与稳定性,新电液控制阀可直接用于现场更换进口电液制阀,工作量小,操作简单、方便;

(3)介绍的新控制阀结构和工作原理,也可应用于其他断路器液压机构中,对工程技术人员具有一定的借鉴和指导意义。

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