斷路器液壓機(jī)構(gòu)自動(dòng)排氣裝置的研究與應(yīng)用

朱 來

（云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司楚雄供電局，云南 楚雄 675000）

液壓機(jī)構(gòu)斷路器是通過液壓機(jī)構(gòu)提供分、合閘操作動(dòng)力的高壓斷路器，其原理圖如圖1 所示，低壓油箱中的油通過油泵輸送至高壓側(cè)，形成高壓油，高壓油壓縮氮?dú)庑纬筛邏旱獨(dú)鈨?chǔ)存勢能，高壓氮?dú)馔ㄟ^壓力釋放給斷路器提供操作的能量[1,2]。其中，由于儲(chǔ)能筒大小恒定，高壓油越多則氮?dú)鈩菽茉酱?，油壓越高，給斷路器提供的能量也就越大。

圖1 液壓機(jī)構(gòu)原理圖

由于低壓油箱與空氣接觸，空氣會(huì)混入液壓油形成油氣混合體，打壓過程中空氣會(huì)隨液壓油的循環(huán)進(jìn)入油泵并向泵體頂部積累，導(dǎo)致油壓降低，無法給斷路器提供足夠的動(dòng)能。為保證高壓側(cè)油的壓力，就須增加打壓的次數(shù)以保證高壓側(cè)油量，形成頻繁打壓故障。如果機(jī)構(gòu)頻繁打壓，極易造成因過負(fù)荷而損毀，使斷路器無法正常工作，嚴(yán)重危害電網(wǎng)安全運(yùn)行[3,4]。為防止此類情況的發(fā)生，須由檢修人員定時(shí)人工排氣，但此種作業(yè)方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且無法實(shí)時(shí)監(jiān)測產(chǎn)生的氣體量，導(dǎo)致即使形成過量的氣體也無法及時(shí)排出，頻繁打壓故障仍然時(shí)有發(fā)生。

本文研制了一種斷路器液壓機(jī)構(gòu)自動(dòng)排氣裝置，代替人工自動(dòng)完成監(jiān)測、判斷、排氣。通過現(xiàn)場應(yīng)用，驗(yàn)證了裝置能自動(dòng)完成全過程排氣，且排氣動(dòng)作閾值合理。

1 斷路器液壓機(jī)構(gòu)自動(dòng)排氣裝置動(dòng)作閾值

調(diào)查2012年度南方電網(wǎng)云南省電力檢修公司下轄500 kV鹿城變電站、500 kV仁和變電站液壓機(jī)構(gòu)斷路器發(fā)生頻繁打壓故障后人工手動(dòng)排氣的情況，統(tǒng)計(jì)如表1所示。

表1 500 kV鹿城變電站、仁和變電站頻繁打壓故障后排氣量

統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明：發(fā)生頻繁打壓故障時(shí)，斷路器液壓機(jī)構(gòu)內(nèi)留存氣量的平均值為76.3 mL，最小值為64 mL，又利用500 kV 鹿城變電站備用斷路器進(jìn)行了液壓機(jī)構(gòu)充氣試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)充入液壓機(jī)構(gòu)的氣體大于60 mL 時(shí)，斷路器開始出現(xiàn)頻繁打壓故障。因此，裝置動(dòng)作閾值設(shè)定在60 mL及以下，可以保證不發(fā)生頻繁打壓故障。

2 斷路器液壓機(jī)構(gòu)自動(dòng)排氣裝置結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)

2.1 裝置結(jié)構(gòu)

斷路器液壓機(jī)構(gòu)自動(dòng)排氣裝置由液位測量系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)3 部分構(gòu)成，總體結(jié)構(gòu)如圖2 所示。斷路器液壓機(jī)構(gòu)自動(dòng)排氣裝置工作過程為：油氣混合物引入儲(chǔ)氣盒內(nèi)，采用液面?zhèn)鞲衅鳎?dāng)液面高度達(dá)到設(shè)定值時(shí)，控制芯片給排氣開關(guān)發(fā)出排氣指令，從而排出氣體。

圖2 斷路器液壓機(jī)構(gòu)自動(dòng)排氣裝置結(jié)構(gòu)圖

2.2 裝置設(shè)計(jì)

儲(chǔ)氣單元用于接收液壓機(jī)構(gòu)油路內(nèi)的油氣混合體，因?yàn)榭諝獗扔洼p，氣體會(huì)浮于液壓油之上，在儲(chǔ)氣單元內(nèi)實(shí)現(xiàn)油氣分離。以硬聚乙烯盒體作為儲(chǔ)氣盒體，對(duì)盒體進(jìn)行10次破壞性試驗(yàn)，記錄盒體發(fā)生裂紋時(shí)承受的極限壓強(qiáng)，如表2 所示，極限壓強(qiáng)遠(yuǎn)大于實(shí)際運(yùn)行壓強(qiáng)。

表2 硬聚乙烯盒體作為儲(chǔ)氣盒體耐壓試驗(yàn)試驗(yàn)結(jié)果 Pa

液位傳感單元用于精確測量儲(chǔ)氣單元內(nèi)的液壓油液位，液位越高，表明油中含氣量越低；液位越低，則表明油中含氣量越高。當(dāng)液位低至某一數(shù)值時(shí)，則氣體含量超過臨界值，出現(xiàn)打壓超時(shí)告警故障。選用LS浮標(biāo)式液位傳感器作為液位傳感器，LS浮標(biāo)式液位傳感器基于液體浮力原理，通過浮球的上下移動(dòng)觸發(fā)相應(yīng)信號(hào)，獲得液面的高度并將測量信號(hào)輸出。

排氣出口作為氣體的排除通道，既要順利排除氣體，還要阻擋液體通過，基于此，采用特殊蜂窩材料，可使氣體排出并阻擋液體滲出。

排氣開關(guān)采用直流式電磁閥，將電信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械動(dòng)作信號(hào)，應(yīng)用直流電通過線圈時(shí)產(chǎn)生磁場，根據(jù)指令吸引鐵芯動(dòng)進(jìn)行機(jī)械動(dòng)作控制排氣出口的打開和關(guān)閉。

自動(dòng)控制系統(tǒng)應(yīng)能夠?qū)斎氲囊何恍盘?hào)做出判定，并給出相應(yīng)輸出信號(hào)，即輸入的液位值高于設(shè)定值（表明含氣低），則輸出正常信號(hào)；輸入的液位值低于設(shè)定值（表明含氣過高），則發(fā)排氣動(dòng)作信號(hào)。根據(jù)一般控制系統(tǒng)的解構(gòu)組成，自動(dòng)控制系統(tǒng)應(yīng)包含控制單元和電源單元兩部分。以單片機(jī)作為CPU，用最少的元件組成的控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)輸入信號(hào)的運(yùn)算、整理以及動(dòng)作信號(hào)的輸出，所選單片機(jī)系統(tǒng)的誤碼率須小于10-6；為保證數(shù)據(jù)處理的實(shí)時(shí)性，要求工作頻率≥40 MHz。

電源模塊采用D-120 開關(guān)電源，該電源是一種推挽式電源轉(zhuǎn)換器，價(jià)格相對(duì)便宜，輸出電壓精度在98%左右，可以滿足要求。

各個(gè)模塊的實(shí)體圖如圖3所示。

圖3 斷路器液壓機(jī)構(gòu)自動(dòng)排氣裝置實(shí)體圖

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 排氣動(dòng)作閾值驗(yàn)證

將排氣裝置安裝于備用開關(guān)上，對(duì)斷路器液壓回路注入空氣，直至裝置動(dòng)作排氣，進(jìn)行100 次試驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)每次排氣動(dòng)作值X，結(jié)果如表3所示。

表3 備用開關(guān)排氣裝置排氣動(dòng)作值 mL

對(duì)上述樣本利用Mintab軟件進(jìn)行安德森-達(dá)林正態(tài)性檢驗(yàn)，其中P值定義為=P，顯著性水平α=0.05。

根據(jù)安德森-達(dá)林檢驗(yàn)的判據(jù)，由于P=0.140 ＞α=0.05，正態(tài)性成立，即認(rèn)為樣本結(jié)果符合正態(tài)分布規(guī)律，且動(dòng)作值X～N(57.2,1.0092)。

在顯著性水平α=0.05下對(duì)目標(biāo)進(jìn)行假設(shè)檢驗(yàn)。H0：動(dòng)作值X≤60；H1：動(dòng)作值X＞60。查表可知，顯著性水平α=0.05的時(shí)候，臨界值Zα=2.576即P(X＞Zα)=α。動(dòng)作值X的置信區(qū)間臨界值X0計(jì)算過程如下：

因?yàn)閯?dòng)作值X～N(57.2，1.0092)，令(X0-57.2)/1.009=Zα=2.576，求得臨界值X0=2.576×1.009+57.2=59.79 ＜60，而且統(tǒng)計(jì)量57.9 落在置信區(qū)間以內(nèi)，說明動(dòng)作值大于60的事件發(fā)生為小概率事件，所以H0成立，即排氣動(dòng)作值≤60 mL。

3.2 排氣動(dòng)作閾值驗(yàn)證

2020 年9—11 月500 kV 鹿城變電站、500 kV 仁和變電站斷路器停電檢修期間，將自動(dòng)排氣裝置安裝在兩座變電站20臺(tái)斷路器上。投入使用后，工作人員定期對(duì)安裝的裝置進(jìn)行巡視，對(duì)裝置自動(dòng)排氣時(shí)的動(dòng)作值進(jìn)行了記錄，如表4所示。

表4 現(xiàn)場運(yùn)行開關(guān)排氣裝置排氣動(dòng)作值

從表4可知，2020年9—11月，安裝的自動(dòng)排氣裝置3個(gè)月內(nèi)共有11次排氣動(dòng)作，平均排氣量為58.5 mL，最大動(dòng)作值為59.9mL，每次排氣的動(dòng)作值均小于60mL。在排氣裝置安裝應(yīng)用后，所裝20臺(tái)開關(guān)均未進(jìn)行手動(dòng)排氣，所有的液壓機(jī)構(gòu)排氣動(dòng)作均由裝置實(shí)現(xiàn)，排氣裝置代替了人工自動(dòng)完成監(jiān)測、判斷、排氣。

4 結(jié)束語

本文研究了一種斷路器液壓機(jī)構(gòu)自動(dòng)排氣裝置。具有以下特點(diǎn)：消除了機(jī)構(gòu)頻繁打壓的缺陷，避免造成因過負(fù)荷而損毀，為電網(wǎng)的安全穩(wěn)定奠定了基礎(chǔ)；避免了人工排氣，節(jié)約人力和工作時(shí)間；裝置安裝便捷，適用性強(qiáng)，可廣泛應(yīng)用于各種類型液壓機(jī)構(gòu)斷路器。試驗(yàn)驗(yàn)證了裝置的有效性，具備良好的應(yīng)用前景和推廣價(jià)值。