一種用于液壓操動機構的蓄能器漏氣檢測系統

孟 猛，鄭金傳，周 杰，李祥準

（機械科學研究總院（將樂）半固態技術研究所有限公司，三明 365000）

0 引言

高壓開關也稱為高壓斷路器，主要用于控制和保護電力系統中的設備免受電流異變所造成的破壞性影響，是電力系統中最重要最復雜的電氣設備之一[1,2]。斷路器由開斷元件和操動機構組成，開斷元件是斷路器用來進行關合、承載和開斷正常工作電流和故障電流的執行元件；操動機構是斷路器的驅動設備，其運行過程中是將檢測控制系統給出的電信號指令轉換為機械信號輸出，使動觸頭迅速動作完成斷路器開斷與關合任務。目前液壓操動機構在高壓開關操動機構中應用最為廣泛[3-4],對于采用壓縮氮氣儲能的液壓操動機構存在蓄能器漏氣會導致存儲能量減少的問題，針對這一問題本文介紹了一種蓄能器漏氣自動檢測的供油系統。

1 液壓機構的供油系統

高壓斷路器的液壓操動機構是一種間歇運轉的液壓裝置，動作時間極短，分合閘時間均為幾十毫秒（不同電壓等級的斷路器要求動作時間不同，以220kV為例，分閘時間在30ms左右，合作時間在80ms左右），間歇時間很長，可能一年也不會動作一兩次，因此它的油源系統必須使用高壓泵補油、蓄能器儲能的方式，CY系列、平高CYT等液壓機構就采用這種方式。如圖1所示。

圖1 液壓機構的供油系統原理圖

高壓泵的輸出油液經過單向閥進入蓄能器中，壓縮蓄能器內的氣體體積，使油壓不斷升高，達到壓力上限時，壓力開關發出信號，控制繼電器關閉電機供電，油泵停止輸出油液。當液壓操動機構執行分合閘動作，或經過長時間系統泄露造成蓄能器的油壓跌至壓力下限后，壓力開關再次發出信號，控制繼電器接通電機供電，啟動油泵進行補油，如此穩定系統壓力在設定的范圍內。該系統能耗低，效率高，很好地滿足了高壓開關液壓操動機構的技術要求。唯一缺點是蓄能器漏氣，會導致蓄能器儲存的有效油液大幅減少，造成分合閘過慢或分合閘不到位，引發嚴重事故。由于壓力開關可以控制高壓泵補油，系統工作油壓始終保持在設定的范圍內，因此并不能從壓力表上讀出蓄能器漏氣狀況。故采用蓄能器儲能的液壓操動機構需要一個能檢測這種狀況的、可靠的儲能供油系統。

2 蓄能器漏氣檢測的供油系統

針對蓄能器漏氣使蓄能器儲存能量不足，而導致的液壓操動機構動作失敗這一問題，有些方案提出通過檢測油壓由壓力下限升至壓力上限補油過程中油箱液位的變化，來判斷補入蓄能器的油量的多少進而判斷蓄能器是否漏氣。但是由于操動機構在分閘操作時油箱會有大流量的回油，會導致液面劇烈晃動，如果油壓剛好到達下限值，在液面未平靜時油泵啟動補油，使液位計無法準確測量出液位初始值，無法判斷蓄能器的儲氣量狀況。此外，系統油液泄漏，操動機構的安裝角度等因素都會導致判斷錯誤。

本文設計了一個智能油源控制的方案，無論是蓄能器漏氣還是油泵失效都能在第一時間發現，并提醒維護人員檢修。具體實施方案如圖2所示，在原有蓄能器儲能供油系統中增加電機轉速傳感器、流量傳感器、環境溫度傳感器，并以PLC作為控制器，且將原有的壓力開關改為壓力傳感器。

圖2 蓄能器漏氣檢測的供油系統原理圖

當油泵向蓄能器補油時，控制器通過流量計可以檢測并計算出蓄能器壓力由p2～p3所補入蓄能器的油量M，根據氣體波義耳定律計算出此時蓄能器在油壓為p1時的充氣體積V1t，又知道V1是蓄能器首次充油計算得到的油壓為p1時的蓄能器充氣體積，繼而能夠求得蓄能器的漏氣率，當漏氣率大于某一極限值時，控制器向主控室報警，并通知維修。在電機上連接轉速傳感器，一旦根據轉速傳感器計算出的流量與流量傳感器檢測出的流量誤差超過15%時，便可判定為油泵失效或流量傳感器故障。又由于環境溫度的變化會影響到V1的體積，因此在計算漏氣率時要根據溫度傳感器（精度為±0.5℃）檢測的實時溫度對V1進行溫度修正。

3 蓄能器漏氣檢測原理

當油泵向蓄能器補油時，可根據各傳感器的數據，依據氣體波義耳定律計算此時蓄能器的充氣量，氣體波義耳定律為[5]：

式中：p1為設定的系統參考壓力，設定為20MPa；V1為在油壓為p1時所對應的蓄能器氣體體積，L；p2為系統設定的最低工作壓力，MPa；V2為在油壓為p2時所對應的蓄能器氣體體積，L；p3為系統設定的最高工作壓力，MPa；V3為在油壓為p3時所對應的蓄能器氣體體積，L；k為氣體絕熱系數，取1.4。

用V0分別V1、V2，由式（1）可得：

當蓄能器壓力由p2～p3補入蓄能器的油量M可以由油泵排量或流量計檢測計算得到，也可以表示為這一階段蓄能器氣體體積的變化量，為:

結合式(2)和式(3)可得：

由于環境溫度的變化會影響到V1的體積，因此在計算漏氣率時要根據溫度傳感器檢測的實時溫度對V1進行溫度修正：

式中：t0為蓄能器首次充油時用來計算V1時所測溫度，℃(記錄到控制器中，為一常量)；t為溫度傳感器所測當前油泵補油時的溫度，℃；T為絕對零度，取-273.15℃；V1t為當前溫度下修正后的壓力為p1時蓄能器氣體體積，L。

油泵出油總量M表達式：

式中：M為補油量，L；N為蓄能器壓力由p2～p3時電機所轉圈數；η為高壓泵容積效率；q為高壓泵實際排量，L/rev；q0為高壓泵理論排量，L/rev。

結合式(4)和式(5)可得：

式中：P20為首次充油時系統最低工作壓力，MPa；P30為首次充油時系統最高工作壓力，MPa；M1為首次充油壓力由p20～p30時補入蓄能器的油量，L；P21為實測時系統設定的最低工作壓力，MPa；P31為實測時系統設定的最高工作壓力，MPa；M1t為實測時壓力由p21～p31時補入蓄能器的油量，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得的氣體體積比值，結合式(7)和式(8)，可得蓄能器漏氣率為：

其中：ξ為蓄能器漏氣率；C為初次測試后為一常數：

如果與首次充油相比系統所設置的最高壓力、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)可以計算出蓄能器的漏氣率，當漏氣率ξ小于設定的漏氣率極限值時，表明蓄能器漏氣。同時由式(7)還可以計算的高壓泵的容積效率，當容積效率η小于設定的容積效率極限值時，表明高壓泵失效。當蓄能器漏氣或高壓泵失效時，控制器會發出報警信號，傳送給上位機顯示故障并通知維修。

4 仿真及試驗

4.1 仿真驗證

基于AMESim液壓仿真軟件對本文所設計的智能供油系統進行仿真[6]。根據液壓系統原理圖及系統控制框圖搭建如圖3所示的仿真系統，圖3中仿真系統1為蓄能器未漏氣時的仿真系統，仿真系統2為蓄能器漏氣時的仿真系統。通過改變仿真系統2中蓄能器的充氣壓力來改變蓄能器初始充氣體積以模擬蓄能器漏氣的狀態，與仿真系統1中的蓄能器未漏氣的狀態形成對比，參數設置如表1所示。流量計用來檢測當蓄能器油壓由22MPa升至27MPa過程中補入蓄能器的油量。

圖3 AMESim仿真系統

表1 仿真參數設置

運行仿真，仿真系統1中蓄能器油壓由22MPa升至27MPa過程中補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2中蓄能器油壓由22MPa升至27MPa過程中補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1油壓由22MPa～27MPa補入蓄能器油量變化曲線

圖5 仿真系統1蓄能器氣體體積隨油壓變化曲線

圖6 仿真系統2油壓由22MPa～27MPa補入

圖7 仿真系統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下油壓為20MPa時蓄能器氣體體積為3.5652L，由圖7可知蓄能器漏氣狀態下油壓為20MPa時蓄能器氣體體積為2.7861L。則蓄能器仿真系統中的真實漏氣率ε=1-2.7861/3.5652≈21.9%。

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

4.2 試驗驗證

試驗用的液壓操動機構其油源系統如圖2所示，以西門子1200PLC作為控制器，采用士林伺服電機驅動高壓泵，液壓系統效率取0.9，高壓泵的容積效率為0.9，其他試驗參數如表2所示：

表2 試驗參數

對蓄能器未漏氣的狀態與漏氣后的狀態分別進行充壓檢測試驗，檢測系統油壓由22MPa升至27MPa時補入蓄能器的油量以驗證含蓄能器漏氣檢測的供油系統的仿真的正確性。實驗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，試驗結果如表3所示，其中電機轉數為N，由式(6)可得油泵補油量M，L，流量計測得的補油量M’，L。

表3 試驗結果

在蓄能器未漏氣與漏氣狀態下分別進行了5組試驗，計算系統油壓在設定范圍內補入蓄能器油量的平均值。由流量計測得在蓄能器未漏氣狀態下油壓由22MPa升至27MPa補入蓄能器的油量為約0.456L，在蓄能器漏氣狀態下油壓由22MPa升至27MPa補入蓄能器的油量約為0.350L。由于液壓系統存在內泄漏，液壓系統的效率，油泵的容積效率都存在誤差，檢測時電機轉速脈沖丟失等原因，導致由油泵轉數計算出的補入蓄能器的油量值要高于流量計檢測計算出的油量，其誤差在15%以內可以認為油泵未失效。由流量計檢測的油量計算蓄能器漏氣率約為ε'=1-0.350/0.456≈3.5%。流量計的測量也存在著一定的誤差，漏氣率與仿真對比誤差在4%以內可以認為仿真合理，證明此蓄能器漏氣檢測供油系統可以有效檢測到蓄能器漏氣狀況。

5 結語

此蓄能器漏氣自動檢測的供油系統是為高壓電器開關的液壓操動機構所設計。無論是蓄能器漏氣還是油泵失效，它都能在第一時間檢測到，避免因蓄能器漏氣造成儲能不足而引起的分合閘過慢或分合閘不到位的故障，并有效檢測出因油泵失效而造成打壓時間過長的問題。本油源系統使用智能控制器進行檢測控制，可以實現遠程監控操動機構的工作狀況。當故障發生時及時提醒維護人員檢修，并辨別故障是蓄能器漏氣還是油泵失效導致的，使得液壓操動機構的可靠性大大提高，同時也降低了檢修的時間成本。本系統也可用于其他任何蓄能器儲能的油源系統中，提高系統可靠性。