特高壓換流站800kV直流刀閘合閘不到位原因分析及應(yīng)對(duì)措施研究

嚴(yán) 康

（中國(guó)南方電網(wǎng)超高壓輸電公司昆明局,昆明 650000）

楚穗直流作為南方電網(wǎng)頭號(hào)風(fēng)險(xiǎn)，輸送容量5000MW，在南方電網(wǎng)的地位舉足輕重，楚雄換流站是云廣特高壓直流輸電示范工程的起點(diǎn)和核心。許多設(shè)備都是第一次開(kāi)發(fā)使用，價(jià)值昂貴，800kV直流刀閘如果燒毀，不僅會(huì)造成昂貴設(shè)備的直接經(jīng)濟(jì)損失，還會(huì)嚴(yán)重影響到楚穗直流運(yùn)行，造成巨大的間接經(jīng)濟(jì)損失。本文在對(duì)刀閘合閘不到位情況進(jìn)行技術(shù)分析的基礎(chǔ)上，提出合理改造的方案，為南方電網(wǎng)“頭號(hào)風(fēng)險(xiǎn)”的可控在控作出積極貢獻(xiàn)。

1 刀閘結(jié)構(gòu)和動(dòng)作原理

由于刀閘燒毀多為合上、拉開(kāi)刀閘時(shí)，刀閘動(dòng)作未到位，動(dòng)靜觸頭間存在間隙，所以首先對(duì)楚雄換流站800kV直流刀閘動(dòng)靜觸頭結(jié)構(gòu)和動(dòng)作原理進(jìn)行簡(jiǎn)單分析說(shuō)明。

1.1 刀閘動(dòng)靜觸頭結(jié)構(gòu)

圖1 800kV直流刀閘動(dòng)靜觸頭側(cè)視圖

1.1.1 靜觸頭

圖中接觸片（4.3)、接觸指（4.5）、固定觸點(diǎn)（4.7）為靜觸頭的主要部分，呈U字型，固定在三柱水平旋轉(zhuǎn)式結(jié)構(gòu)的左右兩柱柱頂。為與動(dòng)觸頭緊密貼合的主要部分，也是電流通過(guò)的主要部分。在動(dòng)觸頭旋轉(zhuǎn)進(jìn)入U(xiǎn)型卡口時(shí)，固定觸點(diǎn)（4.7）有一個(gè)判斷動(dòng)作到位的作用。在動(dòng)觸頭在U型卡口內(nèi)旋轉(zhuǎn)時(shí)，接觸片（4.3)、接觸指（4.5）與之貼合摩擦。

1.1.2 動(dòng)觸頭

圖中導(dǎo)流管（4.2）、均壓環(huán)（4.6）、接觸帶（4.12）為動(dòng)觸頭的主要部分，呈管狀，導(dǎo)流管（4.2）進(jìn)入靜觸頭后，通過(guò)接觸帶（4.12）與靜觸頭接合。動(dòng)靜觸頭間的接觸部分，如接觸片、接觸帶上均有特殊的銀涂層，這銀涂層作為一種干式潤(rùn)滑劑用來(lái)防止污物和灰塵依附在涂層表面。

1.2 刀閘動(dòng)作原理

圖2 800kV直流刀閘整體示意圖

本刀閘為三柱水平旋轉(zhuǎn)式，將刀閘從分位操作到合位時(shí)，電機(jī)（5.0）帶動(dòng)連桿（5.2）轉(zhuǎn)動(dòng)，力矩通過(guò)傳動(dòng)軸承（5.1）、旋轉(zhuǎn)臂（5.1.1）、拉桿（6.1）、可旋轉(zhuǎn)坐（2.1），到達(dá)上端的導(dǎo)流管（4.2），于是導(dǎo)流管（4.2）開(kāi)始做水平旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)導(dǎo)流管（4.2）兩側(cè)分別旋轉(zhuǎn)進(jìn)入U(xiǎn)型卡口時(shí)，導(dǎo)流管（4.2）與U型卡口內(nèi)的接觸片（4.3）緊密接觸，從而產(chǎn)生一定的接觸壓力。當(dāng)導(dǎo)流管（4.2）末端靠在靜觸頭U型卡口（4.4）內(nèi)部的固定塊（4.7）上時(shí)，運(yùn)動(dòng)停止。此時(shí)導(dǎo)流管（4.2）會(huì)緊貼U型卡口內(nèi)壁，以導(dǎo)流管軸心為中心旋轉(zhuǎn)，于是導(dǎo)流管末端會(huì)緊貼U型卡口內(nèi)壁（4.3）摩擦，將動(dòng)靜觸頭間的污穢物或者凝結(jié)的冰霜層摩擦掉，使動(dòng)靜觸頭的金屬部分緊密貼合，保證導(dǎo)電良好。

如果這一過(guò)程中動(dòng)觸頭沒(méi)有動(dòng)作到位，和靜觸頭之間存在間隙，如果不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)處理，將會(huì)導(dǎo)致昂貴的800kV直流刀閘燒毀，嚴(yán)重影響到楚穗直流運(yùn)行，造成巨大的直接和間接經(jīng)濟(jì)損失。

2 存在問(wèn)題及現(xiàn)行控制手段

2.1 存在問(wèn)題

目前楚雄換流站自投產(chǎn)運(yùn)行至今已三年多時(shí)間，在將極I、極II投入運(yùn)行或者進(jìn)行金屬大地回線方式的轉(zhuǎn)換時(shí)大多都涉及到極I母線08105隔離開(kāi)關(guān)、極II母線08205隔離開(kāi)關(guān)、極I轉(zhuǎn)換母線08121隔離開(kāi)關(guān)、極II轉(zhuǎn)換母線08122隔離開(kāi)關(guān)的分合閘操作，通過(guò)三年的運(yùn)行觀察，多次發(fā)現(xiàn)后臺(tái)顯示刀閘已經(jīng)在合位，而現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際存在動(dòng)靜觸頭有間隙的情況，嚴(yán)重威脅到設(shè)備和楚穗直流運(yùn)行的安全，給設(shè)備和系統(tǒng)安全帶來(lái)極大隱患。

2.2 現(xiàn)行控制手段

目前為止，運(yùn)行人員在發(fā)出刀閘合閘命令之后，都會(huì)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)肉眼觀察判斷的方法來(lái)確定刀閘是否合閘到位，合閘后，當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)核實(shí)狀態(tài)人員發(fā)現(xiàn)刀閘的動(dòng)觸頭和靜觸頭間存在間隙，第一時(shí)間將異常情況通過(guò)對(duì)講機(jī)反饋至主控室值班員，方便運(yùn)行人員迅速拉開(kāi)故障刀閘，并及時(shí)做出處理，防止因?yàn)榈堕l的虛合造成帶電后的燒毀損壞。此種方法存在人為判斷失誤的可能性。由于該刀閘卡口距離地面20米，在動(dòng)靜觸頭還存在微小間隙的情況下，肉眼判斷極易誤認(rèn)為刀閘已經(jīng)合閘到位，特別是在夜間，人的肉眼借助手電筒極難辨識(shí)，而且現(xiàn)場(chǎng)觀察確定的時(shí)間較長(zhǎng)，直流場(chǎng)面積大，人員在不同刀閘間跑動(dòng)距離長(zhǎng)，在復(fù)雜的直流場(chǎng)接線環(huán)境里，疲勞更加影響了核實(shí)現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)人員的判斷力，進(jìn)而影響運(yùn)行人員下一步操作的連貫性和操作效率。

3 合閘不到位原因分析

（1）直流設(shè)備較交流設(shè)備更容易吸附污穢，以楚雄站極II為例，該極設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中一直帶負(fù)電，始終吸附空氣中帶正電的粒子，沒(méi)有排斥的時(shí)候，而交變電流帶電時(shí)正時(shí)負(fù)，即對(duì)空氣中的正負(fù)粒子均是時(shí)吸時(shí)斥，所以直流設(shè)備比交流設(shè)備更容易受風(fēng)沙影響而變臟，運(yùn)行一段時(shí)間后，連桿、軸套、齒輪間的摩擦增大，在分合閘過(guò)程中，機(jī)構(gòu)發(fā)生強(qiáng)行上坡行為，易使傳動(dòng)機(jī)構(gòu)變形彎曲，引起隔離開(kāi)關(guān)分合閘不到位。

（2）導(dǎo)流管為鋁制材質(zhì)，而從電機(jī)出來(lái)一直到導(dǎo)流管之間的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)為合金制作，不同材料的熱脹冷縮系數(shù)不一致，而800kV直流刀閘又具有本體高、傳動(dòng)距離長(zhǎng)，導(dǎo)流管質(zhì)量大，長(zhǎng)度長(zhǎng)的特點(diǎn)，楚雄換流站處于高海拔地區(qū)，晝夜溫差大，當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)，導(dǎo)流管、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的長(zhǎng)度，直徑會(huì)發(fā)生微小的變化，從而影響分合閘。

（3）導(dǎo)流管長(zhǎng)度14米，直徑0.3米，鋁制，所以導(dǎo)流管質(zhì)量大，從分閘狀態(tài)到合閘狀態(tài)旋轉(zhuǎn)角度62度，當(dāng)其水平旋轉(zhuǎn)時(shí)，動(dòng)能大。完美合閘應(yīng)為導(dǎo)流管末端靠上U型卡口內(nèi)部固定塊（4.7）后運(yùn)動(dòng)戛然而止，但由于導(dǎo)流管動(dòng)能大，碰撞固定塊后必然產(chǎn)生反彈力，從而導(dǎo)致導(dǎo)流管反向位移一小段距離，形成動(dòng)靜觸頭間隙。

經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn)，由于導(dǎo)流管碰撞固定塊的反彈，刀閘動(dòng)靜觸頭的間隙主要為固定塊（4.7）與導(dǎo)流管之間的間隙，本文將此間隙大小稱為g，4年運(yùn)維經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)不同刀閘g值平均值如下：

表1 改造前g值平均值統(tǒng)計(jì)表

4 合閘不到位后果

正常情況下，刀閘作為導(dǎo)流部分，其電阻可視為零，當(dāng)出現(xiàn)合閘不到位，動(dòng)靜觸頭間形成間隙后，刀閘的接觸電阻增大，楚穗直流設(shè)計(jì)滿負(fù)荷運(yùn)行5000MW，正常運(yùn)行最大電流3125A，根據(jù)公式 知，接觸電阻每增加1Ω，刀閘的發(fā)熱功率970萬(wàn)瓦，即每秒多產(chǎn)生熱量970萬(wàn)焦，如此大的熱量會(huì)使觸頭的接觸部位迅速發(fā)熱。導(dǎo)致鋁制導(dǎo)流管燒紅、退火，引起強(qiáng)度下降，甚至燒毀。

刀閘動(dòng)靜觸頭間接觸電阻大小與發(fā)熱量的關(guān)系如圖3（分別以楚穗直流5000MW運(yùn)行和2500MW運(yùn)行為例）

當(dāng)?shù)堕l發(fā)熱融化到一定程度時(shí)，鋁制導(dǎo)流管開(kāi)始融化變形，間隙繼續(xù)增大，接觸電阻進(jìn)一步增大，從而加劇了熱量的產(chǎn)生，由于直流電流不存在過(guò)零點(diǎn)，電弧不易熄滅，此時(shí)IdCH等保護(hù)量發(fā)生變化，引起相關(guān)直流保護(hù)動(dòng)作跳閘。

5 改進(jìn)措施比較選取

方案一：進(jìn)行技術(shù)改造，將U型卡口內(nèi)部固定塊（4.7）更換為具有更好緩沖作用的彈簧片，能夠更好的接受導(dǎo)流管，消耗導(dǎo)流管旋轉(zhuǎn)的動(dòng)能，避免反彈。同時(shí)減小電機(jī)輸出功率，讓導(dǎo)流管旋轉(zhuǎn)速度減慢，從而減小導(dǎo)流管的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能，以較緩慢的速率進(jìn)入U(xiǎn)型卡口，從而減小了反彈造成的間隙。

方案二：位置指示法，在動(dòng)觸頭的合適位置加裝具有反光特性的膜片，具有易觀察、耐高電壓、耐大電流等特性，該反光膜能指示刀閘到位情況，便于運(yùn)行人員夜間利用電筒觀察。

方案三:隨著對(duì)運(yùn)行操作準(zhǔn)確、高效、可靠等的現(xiàn)實(shí)需求，現(xiàn)有的人為判斷的“土方法”顯然不能滿足高標(biāo)準(zhǔn)的要求，如條件允許，可建設(shè)一套切實(shí)有效，設(shè)備先進(jìn)、信息化程度高的現(xiàn)代化刀閘狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)能實(shí)時(shí)收集刀閘數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)進(jìn)行分析判斷后形成的是否到位結(jié)果傳送至主控室電腦，便于運(yùn)行人員“足不出戶”即能準(zhǔn)確高效的判斷刀閘狀態(tài)。

方案一和方案二均具有經(jīng)濟(jì)實(shí)用，且施工周期短，方便靈活的特點(diǎn)，適合楚穗直流目前的運(yùn)行特點(diǎn)，但最終仍不能省去人工判斷的程序，實(shí)時(shí)性較差。方案三能夠?qū)崟r(shí)傳送刀閘狀態(tài)信息給主控室，判斷準(zhǔn)確，極大的縮短了運(yùn)行倒閘操作時(shí)間，但投資很大，且收集刀閘狀態(tài)信號(hào)的探頭技術(shù)難度高，需要在高電壓、大電流、強(qiáng)磁場(chǎng)的環(huán)境下運(yùn)行且不影響數(shù)據(jù)的采集和傳輸，現(xiàn)有的許多成熟的在線監(jiān)測(cè)手段，如紅外對(duì)射等均不能滿足環(huán)境要求，無(wú)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)參考，需在方案設(shè)計(jì)、委托制造、調(diào)試方案編制、等過(guò)程查閱大量文獻(xiàn)資料，反復(fù)試驗(yàn)論證來(lái)確保裝置可靠性和實(shí)用性。

綜上所述：結(jié)合楚雄換流站實(shí)際運(yùn)行特點(diǎn)，決定采取方案一和方案二并行，同時(shí)加強(qiáng)刀閘的日常維護(hù)、潤(rùn)滑，縮短除污、緊固周期，清理刀閘本體、齒輪盒、觸頭內(nèi)的沙塵，打磨齒輪、軸、桿間的摩擦部位，轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦部位涂抹低溫潤(rùn)滑脂。

圖3 發(fā)熱量隨接觸電阻變化示意圖

6 改造效果

在對(duì)楚雄換流站10把800kV直流刀閘進(jìn)行技術(shù)改造后，各進(jìn)行5次合閘操作，不同刀閘g值的平均值統(tǒng)計(jì)如下：

表2 改造后g值平均值統(tǒng)計(jì)表

測(cè)試數(shù)據(jù)表明改造后楚雄換流站直流刀閘動(dòng)靜觸頭間隙得到了明顯改善。實(shí)際運(yùn)行中測(cè)溫結(jié)果顯示間隙處溫度，在額定最大電流下維持在30～50℃以內(nèi)，滿足運(yùn)行要求。

[1]糯扎渡電站送電廣東±800kV直流輸電工程直流場(chǎng)設(shè)備維護(hù)手冊(cè)[Z].德國(guó):西門(mén)子公司, 2007.

[2]陳化剛．電力設(shè)備異常運(yùn)行及事故處理[M]．中國(guó)水利電力出版社，1999.

[3]周武仲．電力設(shè)備維修診斷與預(yù)防性試驗(yàn)沖國(guó)電力出版社[M]，2002.

[4]梁波．直流泄漏及耐壓試驗(yàn)方法的探討[J]．重慶:電工技術(shù)，2006(04):68-70.

[5]侯長(zhǎng)來(lái)．直流電機(jī)雙向轉(zhuǎn)動(dòng)數(shù)控器的設(shè)計(jì)[J]．重慶:電工技術(shù)，2005(02):60—61.

[6]香澤．變電檢修[M]．北京：中國(guó)電力出版社，2005．