一种液压碟簧操动机构内漏故障的分析

陈宏强 张润田 许艳浦 范雪丽

（西安西电高压开关操动机构有限责任公司）

0 引言

高压断路器是输变电设备的重要部件，操动机构是断路器的动力源，断路器的各种动作都是依靠操动机构的作用来完成的，断路器用操动机构的类型主要有弹簧机构、气动机构、氮气液压机构和液压碟簧操动机构。尤其是在高电压等级的GIS、断路器、直流转换开关等设备上，这些断路器在开断过程中，一般都需要较大的操作功，而液压碟簧操动机构作为断路器操动机构的一种，以其集成度高、体积小、操作功大、性能稳定等优越的性能得到用户的青睐。对于液压碟簧操动机构来讲，由于其能量的传递通过高压油来实现，因此在工作的过程中，必须有高压密封系统，而液压碟簧机构高压密封失效导致其产生内漏故障的问题是目前液压碟簧操动机构的主要问题，给输变电设备的可靠运行造成了一定的影响。本文针对一种液压碟簧操动机构内漏的典型故障问题进行了分析论述，为该类型问题的分析解决提供了有价值的参考[1-5]。

1 液压碟簧操动机构原理介绍

液压碟簧操动机构是一种以碟簧为储能元件、液压油为传递能量的介质，通过集成化的设计、模块化的装配机构而形成的一种操动机构，该类型的操动机构以ABB公司的HMB型系列液压碟簧操动机构为代表，目前，国内也有相应的专业公司能够设计、生产制造各电压等级断路器所用的液压碟簧操动机构，工作原理和结构模式基本一致[1-10]。

1.1 基本结构介绍

液压弹簧操动机构主要由充压模块、储能模块、控制模块、工作模块、监测模块等五大模块组成，附在中心工作模块周围，呈环形布置。三个储能模块、充能模块、控制模块、检测模块以及碟簧的装配，都是以60度旋转角度的间隔布置在中心轴周围。整体结构如图1所示。

以ABB公司HMB型液压碟簧操动机构结构布置为例，其结构布置如图2所示。

工作模块：工作模块主要由工作缸和活塞杆组成，采用常冲压差动式结构，高压油恒作用于活塞杆上端，工作缸内布置有通往其他模块的油道。用于油路的循环及转换。

储能模块：储能模块主要由储能活塞缸、储能活塞、支撑环和碟形弹簧组成，在液压油的作用下，通过储能器活塞压缩碟形弹簧，并将液压能量长期存储在储能活塞缸内，为断路器分合闸操作，做好能量储备。

图1 液压弹簧机构结构图

图2 HMB型液压碟簧操动机构结构布置

控制模块：控制模块主要由一个合闸电磁阀，两个分闸电磁阀和主换向阀组成，通过远方或就地给出的电信号命令使相应电磁阀打开阀口。通过阀口两侧高低压油转换使主换向阀换向。

充压模块：充压模块主要由油泵、电机、传动装置等组成，电机启动后，电机齿轮带动油泵齿轮。齿轮带动偏心轴将低压油打入高压油腔。

监测模块：监测模块是由碟簧、行程开关、碟簧储能状态指示器、失压防慢分装置、泄压阀（内附安全阀）组成。监测模块通过监测碟簧的储能位移来监测油压。即油量的变化并发出相应的控制指令，行程开关的齿条固定于储能模块的上支撑环上，储能活塞压缩碟簧或碟簧失能均会带动齿条，齿条带动行程开关齿轮，齿轮再带动行程开关凸轮旋转来断开或闭合微动开关触点，达到报警及自动闭锁的目的。

适配模块：适配模块主要由断路器与操动机构之间的连接件、辅助开关及其连杆组成，断路器与操动机构之间的连接件，主要是用于操动机构适配不同型号规格的断路器，连接件的外形尺寸根据断路器的不同而 不同，辅助开关通过连杆等传动装置与操动机构活塞杆相连，操动机构进行分合闸操作时，辅助开关也相应运动关合或断开相应的辅助节点，以反映断路器分合闸位置及对二次控制回路进行信号控制以及连锁保护[1-11]。

1.2 液压碟簧操动机构工作原理介绍

液压机构液压系统传动原理如图3、图4所示。液压碟簧操动机构分合闸动作都是由控制阀组控制完成的。分闸操作前，机构处于合闸位置，活塞杆上、下两端均为高压油，当机构要执行分闸操作时，分闸电磁阀接到分闸命令，分闸电磁铁动作，换向阀换向，将活塞杆下端的高压油腔与低压油箱连通，在上端高压油的作用下，活塞杆快速向下运动，完成分闸操作。

图3 液压系统传动原理图

当机构要进行合闸操作时，此时机构处于分闸位置，活塞杆的上端为高压油，下端为低压油，合闸电磁铁接到合闸操作命令，合闸电磁铁动作，换向阀换向，将活塞杆下端的低压油腔与高压油回路连通，由于活塞杆上下两侧存在面积差，在差动原理作用下，活塞杆快速向上运动，完成合闸操作[1-6]。

图4 液压机构液压系统原理图

2 液压碟簧操动机构内漏问题分析及处理方法

液压碟簧操动机构渗漏故障是液压机构密封系统常见故障，主要由密封不良引起。有内漏也有外漏，外漏一般可观察到漏点。但内漏如阀系统的密封线印痕变宽或密封线损坏、液压油内有杂质卡在各个密封线处、密封圈损坏等这种难以用肉眼从机构外表观察到的故障，判断并找出内部渗漏位置很大程度取决于专业人员在这方面的经验和对所用机构的理解，处理也较复杂。图5是根据液压碟簧操动机构的动作原理，结合其油路系统作出故障分析图，相应的漏点分布如图所示[1-6]。

图5 液压机构系统内漏故障图

通过以上液压系统内漏故障图及漏点分布图的分析可知，液压机构内漏漏点很多，判断的难度也较大。为了便于能够快速处理现场问题，通常结合液压机构现场运行过程中的具体内漏表现，根据其模块化的结构特点，可先将内漏可能发生的部位对应到其相应的模块上，再通过模块化的检查和判断来逐渐缩小内漏发生的区域，并最终锁定内漏漏点，从而采取相应的处理措施，按照机构所处的状态，内漏故障可分为三大类：分闸泄露合闸不漏、合闸泄露分闸不漏、分合闸均泄露[11-18]。

表1是根据液压机构的模块化结构特点，结合现场内漏具体表现，将图5所示的内漏故障图及内漏分布点，简化为表1的现场内漏状态判断处理表。

如表1所示， 针对各内漏点的处理措施，主要是更换相应部位的零件或密封圈，而在作业现场，有时为了检修工期的需要，一般采取更换相应的模块或对整机进行更换处理。

3 现场内漏故障处理情况

2017年7月11日及8月18日，国内某电站C相HMB液压碟簧操动机构先后两次出现分闸泄压，当机构处于合闸位置时，没有出现机构泄压现象。首次出现分闸泄压时，对控制模块中的换向阀进行了更换，更换后故障消除。8月18日再次出现分闸低油压闭锁信号，对该相机构进行了整机更换，更换后故障消除。

通过前述章节的分析，该机构在分闸位置出现了内漏，合闸位置未出现，属于分闸泄露，合闸不漏的情况，结合表1给出的内漏判断处理表，机构最有可能发生内漏的部位在表中的序号4、9、10位置，由于问题4、10部位的现场处理方式要比问题10部位的现场处理方式简单，因此，当时在现场处理过程中，先针对问题4、10部位可能导致的内漏原因，更换了相应的控制阀模块，但故障没有排除，基本可以锁定故障位置在9的部位，现场通过整机更换，也确实消除了内漏故障，使该断路器回复正常运行。

表1 机构内漏状态表及处理措施

3.1 机构解体检查及原因分析

2017年8月25日，在机构制造厂内对该相液压碟簧操动机构进行了解体检查。如图6所示，通过解体检查该机构的工作缸部位，发现该相机构缸体内壁有一道划痕。与工作缸相配合的活塞杆有磨损，装配于此位置的密封圈有磨损，同时，该机构排出的液压油中均发现存在少量金属杂质。

结合解体检查进行分析，发现造成该相液压机构内漏故障的原因为活塞杆密封圈破损失效导致，而导致密封圈破损失效的原因是液压系统中的金属杂质夹持在工作活塞杆和工作缸孔壁之间，在活塞杆运动的过程中，对密封圈造成了损伤。从图5b所示的液压机构泄露故障图可以看出，当机构在分闸位置时，活塞杆密封圈上端为高压油，下端为低压油，当该处的活塞杆密封圈划伤后，使高压油无法保持。从而造成液压油从高压到低压侧流动，机构出现内漏故障。从现场机构解体情况结合机构动作原理可以看到，理论分析与实际情况相吻合。

3.2 液压碟簧操动机构系统杂质分析

图6 现场机构解体情况

通过以上分析可以看到，当液压机构系统内存在金属杂质时，就容易划伤密封圈或相应的零部件，引起液压系统密封性能的下降，针对现场出现的问题，进一步将杂质较多的液压油做为研究对象，对液压油中杂质的成分进行分析，化验结果如表2、图7所示。

从以上化验的结果来看，除非金属外，其中，金属杂质含量较高的分别为铝、铜、铁三种金属物，当这些金属物杂质颗粒较大时，就会导致密封面的损伤。

进一步分析，从液压油杂质成分的化验结果来看，铝、铜、铁三种金属杂质的含量较高，围绕此三种金属，对液压机构内部零件进行了梳理，其中工作缸、控制阀体、分闸限位座为铝材质；工作活塞杆、换向阀为钢材质；储能活塞为铜材质。

表2 液压油杂质化验结果

图7 杂质图谱分析

结合机构的解体情况，从以上零件的结构特点来看，工作缸和控制阀体零件是液压机构的主体零件，其中分布着纵横交错的油孔及安装孔共100多个，这些相贯的孔和一些细长孔，都是容易产生毛刺且不容易清理的部位，清理去除毛刺杂质的难度较大。而铜基零件和铁基零件来看，结构相对简单，杂质毛刺清理较容易。综上，结合杂质化验结果可以看出，液压系统内部的金属杂质主要为铝杂质，而产生铝杂质的主要零件为工作缸和控制阀体零件。因此，在机构的生产过程中，控制和提高工作缸和控制阀体等零件的清洁度，减少毛刺杂质的产生可以有效提升液压碟簧操动机构的可靠性。

4 结束语

近年来，随着液压碟簧操动机构在高压开关设备上的不断应用，其典型故障发生概率也增大，其中以机构内漏故障最为突出，本文针对现场一起液压碟簧机构典型内漏问题，从液压碟簧机构的结构特点、动作原理、密封系统、内漏故障判断方法、内漏原因分析等方面进行了深入的解析，提出了液压机构在现场运行过程中内漏问题的快速判断模型和方法，通过对具体问题的分析，验证了该方法的快速有效性，并对液压碟簧操动机构系统内部杂质导致密封部位划伤的机理进行了分析，对杂质的类型进行了检测，追溯了杂质的来源和预防的措施，为后期液压碟簧机构生产过程的质量控制提供了参考依据。