操作机构^[1]是断路器^[2]的核心部件之一,其性能的稳定与否直接关系到断路器开断能力能否很好地实现。高压断路器操作机构常见的是弹簧操作机构和液压操作机构。断路器的主要运动特性主要由操作机构提供,操作机构直接影响到断路器的机械特性,包括分合闸时间及速度等参数。因此,安装到断路器上的操作机构应当在机构制造厂进行相应的出厂试验,以避免不合格的操作机构出厂。直接在断路器上进行操作机构的出厂试验存在诸多缺点：断路器占地面积较大;效率较低;断路器的寿命有限;不易点检维护。为此,亟需设计一种模拟断路器灭弧室的负荷装置以避免上述缺点。

本文针对某型号550 kV液压操作机构设计出一种模拟负荷装置,在该负荷装置上设计一种液压缓冲装置^[3,4,5],通过液压缓冲装置内部活塞往复运动时的不同阻力来模拟断路器分合闸时的不同负荷。本文重点对该负荷装置的设计以及验证过程中出现的部分问题进行了研究。

(1) 该装置需要模拟断路器的负荷,故设计时需要考虑操作机构在负荷装置试验时的分合闸特性需求与在断路器上时的特性接近。

(2) 设计中包含的液压缓冲器,需要考虑活塞运动时的密封问题。

(3) 该装置的行程设计需要考虑机构的过冲,留出合理的余量。

(4) 由于该型号液压操作机构操作功较大,需要对其进行良好的固定和支撑,同时还要方便作业人员拆装。

(5) 考虑对该型号机构进行测试时,控制线和测试信号线的固定和安装便利性。

(6) 由于被测对象为液压操作机构,有漏油风险,需要该装置有一定的储油功能。

(7) 由于分合闸操作时机构操作功较大,需要对活动部位设计安全防护措施。

对该型号机构动作时进行受力分析。首先计算该机构所拉动的灭弧室的质量,计算出可动部质量约为45 kg。然后对合闸时可动部受力进行分析^[6],如图1所示。

分析图1可知,合闸时灭弧室最大受力部位在行程约260 mm处;合闸时最大推力为41 kN。

其次对分闸时可动部受力进行分析,如图2所示。由图2可知,分闸时最大受力位置约为行程250 mm处;分闸时最大推力约75 kN。

综合上述分析,可得如下结论。

(1) 通过上述分析可得该机构运动时的最大受力部位以及最大受力值,为负荷装置模拟断路器灭弧室状态提供了理论依据。

(2) 设计时应充分考虑操作机构分合闸时冲击力所造成的振动对负荷装置寿命的影响。

(3) 根据受力分析设计模拟负荷装置时,可以更加合理地选用零部件的材质。

采用上述设计要求和受力分析结果,对模拟负荷装置进行了整体设计。 首先对整体设计进行以下说明。

模拟负荷装置如图3所示,包括框架,框架上设有用于安放待试验操作机构的安装座,以及用于与操作机构相连接的输出部以提供模拟负荷的液压缓冲器。

(1) 缓冲器结构

液压缓冲器是该模拟负荷装置的核心部件,根据上述受力分析,初步设计了缓冲器,结构如图4所示,主要包括缸体,缸体中装配有活塞,活塞上设有外部连接杆。活塞与缸体间隙配合以形成通流间隙,通流间隙包括中间直线段与活塞形成的在活塞移动过程中间隙大小不变的等径间隙,以及两端的阻尼段与活塞形成的在活塞移动过程中朝着远离中间直线段的方向逐渐变小的变径间隙,液压缓冲器活塞上的外部连接杆在使用时用于与待试验的操作机构的输出部传动连接,有效简化了整个模拟负荷装置的结构,减小了模拟负荷装置的外形体积。

(2) 主要设计特点。

1) 活塞缸设计行程比该型号机构长出9 mm,分别在分合闸末端留出余量,主要为了防止机构过冲,机构和负荷装置对接时产生偏差。

2) 活塞两端设计面积不同,由于机构分合闸时力量不同,通过活塞两端面积不同,使其在运动时受到的阻力不同,从而使负荷装置特性更加接近断路器特性。

3) 活塞内缸末端设计成倒锥子型,增加了分合闸末端缓冲,从而对机构形成保护。

4) 内缸壁开有三个孔,三个孔的孔径大小不一,通过孔径的大小来调节操作机构分合闸动作时缸内液压油流动快慢,从而达到调节操作机构分合闸时阻力大小的作用,更好地模拟断路器的负荷。

5) 外缸体上设有与过流间隙连通的储油腔,储油腔位于内缸上方。液压油可以充满整个过流间隙和内缸体,在可以向操作机构提供足够的阻尼时,还可以通过储油腔进行缓冲储油,可有效减小过流间隙的尺寸,进而有效避免增大整个外缸体的径向尺寸,有效缩小整个缓冲器的体积。

设计完成后,首先将操作机构安装在负荷装置上,进行初步的模拟特性试验。分合闸试验结果如图5、6所示。

然后将同一台操作机构装在断路器上进行试验,试验波形如图7、8所示。

通过计算^[7]并进行数据对比,可以得出以下结论。

(1) 合闸速度。合闸速度过小,显示出缓冲装置负荷过大,会对操作机构内部合闸时的特性异常表现不灵敏。

(2) 合闸时间。除去速度过慢的原因外,对比发现合闸时机构启动慢。

(3) 合闸缓冲。合闸缓冲时的制动效果过于明显,导致无法体现操作机构缓冲情况。

(4) 分闸速度。分闸速度偏小,显示出缓冲装置负荷过大,同时也导致分闸时间偏长。

通过以上验证结果分析,需要重新优化缓冲器设计,主要考虑以下几个方面。

(1) 降低缓冲器动作时对操作机构的阻力。

(2) 缓冲器合闸时末端缓冲过大,如果负荷装置的缓冲设计阻力过大会导致机构本身的合闸缓冲不起作用时被掩盖,当机构本身合闸缓冲内部缺陷时无法在出厂试验时反映出来。

(1) 此次设计将合闸末端的倒锥型结构取消,将缓冲器合闸时末端缓冲取消。

(2) 将缓冲器的内缸增加流动槽,加快运动时的流动速度,减小合闸阻力。

(3) 更换缸体内部液压油的型号,更换为黏稠度更低的液压油。

(4) 变更活塞结构,降低活塞的质量。

根据以上方案重新设计的缓冲器结构如图9所示。

改进完毕后,连接操作机构进行特性试验,测试图如图10、11所示。

由测试数据和断路器本体测试数据对比分析可知,该缓冲装置基本达到了设计预期效果,可以进一步进行寿命试验。

核心部件设计完成后继续进行一万次寿命试验,寿命试验进行后进行点检,点检时发现内缸壁有裂纹,裂纹出现部位均在上部油槽位置。

分析裂纹出现的原因,是在更改设计时未对内缸受力进行可靠性分析。具体原因是上部油槽和油杯位置属于运动时换油的主要空间,也是受力最大的部位。故裂纹均出现在上部油槽位置。

对缓冲器内缸进行了进一步改进。改进措施如下：更改内缸壁材质,用强度更高的材质;加厚内缸壁;加厚内缸壁的同时对外缸壁也进行修改,确保不更改内部液压油的流动空间。

改进完毕后再次进行特性试验和寿命试验,试验结果均满足设计要求。

本文针对550 kV某型号液压操作机构试验用负荷装置的设计,分析研究了制造过程中各环节存在的主要问题,有效地完成了该负荷装置尤其是缓冲装置的设计,同时通过了可靠性试验,对工厂内该型号操作机构的试验提供了合理工装,大大提高了操作机构的出厂试验效率,同时提高了出厂试验结果的可靠性。主要结论如下。

(1) 采用合理的缓冲器结构,解决了负荷装置合闸时无法准确显示操作机构合闸时的缓冲情况。

(2) 采用合理的缓冲结构,将操作机构分合闸速度和时间与操作机构在断路器本体上的测试数据相接近。

(3) 通过更改缓冲器的内部材质和构造,提高了负荷装置的可靠性,保证了负荷装置长期运行的稳定性。

(4) 未对缓冲器内部密封以及滑动密封的设计进行详细介绍,缓冲器防止漏油也是该负荷装置设计时的一个重点课题,也需要相关设计人员注意。

(5) 未对负荷装置上的辅助开关、传感器等相关配件安装进行介绍,合理的安装位置和连接方式有利于负荷装置的使用和检修。