Глава седьмая
ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ПРИВОДЫ
1. КОНСТРУКЦИЯ И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ
а) Общие сведения.
В настоящее время созданы сверхмощные выключатели на напряжение 500 кВ и мощность отключения до 20 тыс. МВА. Для включения таких выключателей в течение долей секунд и обеспечения АПВ требуются такие приводы, которые могут совершать весьма большую работу (свыше 1 000 кГ-м). Для развития такой работы в течение короткого промежутка времени целесообразно применять гидравлические приводы, которые построены на принципе использования жидкости в качестве средства преобразования и передачи запасенной энергии от силового органа привода к механизму и от механизма к валу выключателя. Гидравлические приводы для управления выключателями высокого напряжения в Советском Союзе пока не изготовляются, они изготовляются иностранными фирмами. Завод «Уралэлектроаппарат» разработал конструкцию гидравлического привода, опытный образец которого проходит лабораторные испытания.
Гидравлический привод состоит из двигательной (силовой) части, расположенной в нижней части привода, и механизма привода, посредством которого передается движение от силовой части к выключателю. Механизм привода более целесообразно взять от уже существующих приводов, проверенных в работе и зарекомендовавших себя с положительной стороны. Такие механизмы могут быть использованы от электромагнитных или пневматических приводов, возможно с незначительным изменением, и установлены с гидравлическими приводами соответственно к тем выключателям, с которыми работал данный механизм.
Гидравлическая система привода вследствие несжимаемости жидкости обладает такими свойствами, которые дают возможность более точно и почти мгновенно управлять выключателем Вследствие того, что механизм взят от существующего привода, сохраняются все особенности механического и электрического свободного расцепления, чем в значительной степени упрощается управление.
Для безотказной работы гидравлического привода при команде на включение выключателя на приводе установлен гидропневматическим аккумулятор, который накопляет достаточное количество энергии для нескольких включений выключателя. Расход аккумулированной энергии производится только на включение выключателя, в других случаях энергия не расходуется. Это позволяет предусмотреть такой запас аккумулированной энергии, которого достаточно на заданный период работы выключателя.
При падении давления в аккумуляторе ниже предельной величины с помощью блокировочных устройств автоматически включается насос. В некоторых случаях можно произвести подкачку с помощью ручного насоса. Применение ручного насоса целесообразно в тех случаях, когда электрическая энергия отключена и электродвигатель насоса не работает, а запас энергии в аккумуляторе не обеспечивает включение выключателя. При полном рабочем давлении в аккумуляторе всегда можно иметь достаточный запас энергии для производства включения выключателя до 10 и более раз.
Аккумулятор энергии и клапанные устройства должны быть изготовлены так, чтобы утечка масла была самой незначительной, так как при больших утечках масла потребуется частое включение насоса для поддержания нужного давления. Испытания на давление должны быть проведены тщательно на заводе-изготовителе. В случае просачивания масла можно легко обнаружить и устранить этот дефект. Объем аккумулятора, необходимый для работы мощного выключателя при 10 включениях, можно определить по необходимой работе включения выключателя. При выборе поршня привода малого диаметра потребуется большое давление, в таком случае сила F, необходимая для включения выключателя, определяется:
где р — давление масла под поршнем, кГ/см2;
р0 — атмосферное давление, кГ /см2·,
S — площадь поршня, см2;
Fпр — сила пружин, возвращающая поршень, кГ;
F — сила трения поршня и механизма, кГ.
Из этой формулы можно определить необходимое минимальное давление жидкости под поршнем привода для включения выключателя. Если это давление будет больше минимального, включение выключателя всегда будет обеспечено. Однако чрезмерное давление может привести к разрушению системы. Поэтому на приводе предусмотрено автоматическое регулирование давления, о чем будет сказано ниже.
б) Аккумуляторы.
В гидравлических приводах применение аккумуляторов обусловлено тем, что работа привода протекает кратковременно и энергия расходуется в небольшом количестве только на включение выключателя. Наличие аккумуляторов позволяет устанавливать насосы небольшой мощности и производить подкачку жидкости только в тех случаях, когда давление падает до нижнего рабочего предела.
Запас энергии, накопленной в аккумуляторе, может совершить большую работу в любое время и притом за весьма короткий промежуток времени. Применение аккумуляторов позволяет производить однократное и двукратное АПВ.
Для надежной работы аккумулятора необходимо иметь упругий элемент, который осуществляет давление на жидкость, находящуюся в аккумуляторе. В качестве упругих элементов в аккумуляторах Гидроприводов могут быть использованы пружины для небольших давлений, порядка 10—12 ати, или сжатый воздух, или другой газ. Сжатый газ обычно отделяется от жидкости мембраной или поплавком. Для гидроприводов большего давления, применяемых для выключателей высокого напряжения, в качестве газа может быть применен азот.
Рис. 7-1. Аккумулятор, 1—стальной кожух; 2 — воздушный клапан высокого давления; 3—камера для газа; 4—спускная пробка; 5—вход масла; 5 —проходной клапан.
Азот заключают в камере 3 (рис. 7-1), представляющей собой специальный резиновый мешок. Зарядка азотом этого мешка должна производиться на заводе-изготовителе. Такая зарядка достаточна на много лет работы привода. Однако перезарядку можно производить в эксплуатации на месте установки привода через воздушный клапан высокого давления 2.
Известно, что камеры со сжатым азотом хорошо ведут себя в эксплуатации, работают на протяжении десятка лет при большом числе операций и не требуют замены или перезарядки камер. Рабочее давление в гидроприводе может быть различно в зависимости от мощности отключения выключателя. Американская фирма Аллис Чалмерс в Бостоне на выключатели 115 кВ с мощностью отключения 3 500 МВА применяет рабочий диапазон давлений от 70,4 до 126,3 к Г/см2, причем минимальное рабочее давление для этого выключателя берется 40,5 кГ/см2. При таком диапазоне рабочих давлений и объеме V=20 л обеспечивается не менее восьми операций включения выключателя.
Из приведенного видно, что рабочий диапазон давлений высок; вся система выполняется так, чтобы утечка масла была незначительной, поэтому насос может включаться очень редко. Так как трубы и детали находятся под большим давлением, то они выбираются такими, чтобы была обеспечена безопасность работы обслуживающего персонала — запас прочности их берется не менее пятикратного.
Аккумуляторная система снабжается двумя перепускными клапанами для того, чтобы предохранить систему от чрезмерного понижения давления. Поэтому через один клапан жидкость поступает из гидросистемы (из насоса в аккумулятор), а через другой эта жидкость уходит из аккумулятора в гидропривод. Полная разрядка аккумулятора недопустима, поэтому аккумулятор снабжен контактным манометром. Когда давление в аккумуляторе падает до предельной нижней величины, контактный манометр замыкает нижние контакты и тем самым посылает импульс тока на включение электродвигателя насоса. Включенный таким образом насос производит подкачку жидкости (масла) в аккумулятор до величины давления, необходимого для нормальной работы привода с выключателем.
Масло в аккумулятор поступает из маслосборника, расположенного в нижней части привода. Нагнетание масла производится посредством насоса с приводом от электродвигателя, при этом масло предварительно проходит через фильтр, который непрерывно очищает его от механических примесей. Для заполнения резервуара маслом воздушный фильтр снимается и масло вливается прямо в бак резервуара.
Фильтр снабжен частой сеткой и имеет влагоотделитель, расположенный на дне. Дно фильтра выполняется таким образом, чтобы его можно было легко снять без снятия самого фильтра и произвести очистку сетки. Электрический двигатель устанавливается небольшой мощности и может иметь питание от сети переменного или постоянного тока.
Для ограничения давления в аккумуляторе при работе насоса устанавливаются специальные ограничители давления, о которых будет сказано ниже.
в) Рабочая жидкость гидропривода.
В качестве рабочей жидкости в гидравлических приводах применяются почти исключительно минеральные масла различных марок. В гидравлических приводах необходимо применять такие минеральные масла, у которых вязкость не зависит от температуры. Эти масла должны обладать хорошей химической стойкостью, противокоррозийной стойкостью и смазывающей способностью, и они гораздо дешевле растительных масел.
Необходимое требование к минеральным маслам — отсутствие в них асфальта, так как асфальт при температуре 40—50° С начинает выделяться и оседать, в результате чего засоряются проходные сечения кранов, клапанов и трубопроводов. Это ведет к значительному увеличению сопротивления истечения жидкости и нарушению нормальной работы гидропривода. Кроме того, для безупречной работы гидропривода масло по своему химическому составу должно быть однородным, иметь достаточно высокую температуру вспышки и низкую температуру застывания. В маслах не допускается наличие воды, так как вода может образовать пары, что ограничивает работу привода при низких температурах и потребовало бы применения специального подогрева.
При заливке масла, а также во время эксплуатации масло должно быть тщательно профильтровано, чтобы в рабочие части привода не могли попасть посторонние примеси.
Несмотря на большие давления в гидравлическом приводе (порядка 150 кГ/см2), все же значительного изменения объема жидкости (масла) не происходит. Например, при давлении 150 кГ/см2, принимая коэффициент объемного сжатия минерального масла β=49·10-6, можно определить изменение единицы объема. Оно составит 49 · 10-6 х150= 0,00735. Так как объем масла в гидравлическом приводе мал, то столь малым изменением объема при расчетах можно пренебречь.
г) Регулирование давления.
В гидравлическом приводе предусмотрено автоматическое регулирование давления масла, находящегося в аккумуляторе. Для этой цели на аккумуляторе и в нижней его части установлены контактные манометры. Когда при работе насоса достигнуто максимальное давление, контактный манометр замыкает верхнюю пару контактов и подает импульс тока на отключение электродвигателя от сети. Когда же давление в аккумуляторе падает до нижнего рабочего предела, контактный манометр замыкает нижнюю пару контактов и подает импульс тока на включение электродвигателя для подкачки масла насосом или включает сигнализацию обслуживающему персоналу о чрезмерном понижении давления.
Рис. 7-2. Предохранительный клапан. 1 —металлический цилиндр; 2 — металлический шарик; 3 — пружина; 4 — винт для регулирования нажатия пружины (давления).
Контактный манометр в основном предназначен для поддержания нормального рабочего давления в аккумуляторе.
Кроме того, в системе устанавливается предохранительный клапан, предназначенный для поддержания в системе давления не выше установленного —предельного.
В случае неисправности контактного манометра и отсутствия по этой причине импульса тока на отключение электродвигателя насоса предохранительный клапан открывается и часть масла, подаваемого насосом, перепускает в резервуар. Конструкция предохранительных клапанов может быть разной. Простейшая из них показана на рис. 7-2. При нажатии пружины 3 на шарик 2 клапан можно отрегулировать на требуемое давление, причем, чем сильнее сжата пружина, тем на более высокое давление в сети настроен клапан, и наоборот. Такой пружинный клапан не подвержен влиянию низких температур, а также не зависит от вязкости масла.
