降低敞開式隔離開關(guān)卡澀缺陷的方法

楊旭東，翟 博，董肇暉，張金祥

（1.冀北電力有限公司檢修分公司，北京 102488；2.北京大學(xué)，北京 100871）

0 引言

現(xiàn)代電力系統(tǒng)設(shè)備維護(hù)是為了提高設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行系數(shù)，減少電網(wǎng)因?yàn)殡娏υO(shè)備自身原因?qū)е碌耐ｋ姍z修作業(yè)次數(shù)，盡可能縮小電網(wǎng)停電對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的影響。隔離開關(guān)作為電網(wǎng)一次系統(tǒng)中的重要組成設(shè)備，由于其結(jié)構(gòu)形式及工作環(huán)境的特殊性，機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)部位的卡澀缺陷成為影響該類設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行的主要缺陷。如何在帶電狀態(tài)下處理隔離開關(guān)卡澀缺陷，成為研究減少故障停電方法的主要方向。

1 隔離開關(guān)常見故障

在輸變電設(shè)備中，高壓隔離開關(guān)使用數(shù)量占比最多，通常是斷路器的2～3 倍，雖然其結(jié)構(gòu)比斷路器簡單，但傳動(dòng)部分及運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)外露，長期運(yùn)行后易因臟污、銹蝕、冰凍等因素，導(dǎo)致設(shè)備故障，運(yùn)行可靠性為變電一次設(shè)備短板，影響電網(wǎng)的安全運(yùn)行。

近年來，戶外隔離開關(guān)運(yùn)行中的問題主要集中在導(dǎo)電回路過熱、金屬銹蝕和轉(zhuǎn)動(dòng)卡澀3 個(gè)方面，對(duì)國網(wǎng)冀北電力檢修公司運(yùn)行數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，機(jī)械故障為主要問題。實(shí)際上，導(dǎo)電回路過熱、金屬銹蝕最終都會(huì)導(dǎo)致隔離開關(guān)轉(zhuǎn)動(dòng)出現(xiàn)卡澀或障礙。因此，卡澀缺陷已成為隔離開關(guān)安全運(yùn)行的最大隱患［1］。

設(shè)備的卡澀缺陷是各類其他嚴(yán)重缺陷的誘發(fā)階段，如果可以在卡澀階段對(duì)設(shè)備進(jìn)行及時(shí)、恰當(dāng)?shù)奶幚恚纯上O(shè)備隱患或有效延緩嚴(yán)重缺陷發(fā)生時(shí)間。同時(shí)，處理隔離開關(guān)卡澀缺陷也是技術(shù)、資金、人員占用最少、最容易實(shí)現(xiàn)的缺陷處理方式，可保證檢修工作在投入最少時(shí)得到最好效果。因此降低隔離開關(guān)卡澀缺陷的發(fā)生率就成為提升電網(wǎng)安全運(yùn)行的有效方法。

2 隔離開關(guān)卡澀成因分析

2.1 隔離開關(guān)設(shè)備自身原因

通過分析不同型號(hào)隔離開關(guān)現(xiàn)場缺陷原因可以發(fā)現(xiàn)，部分卡澀缺陷是由于隔離開關(guān)設(shè)備自身不合理的設(shè)計(jì)或連接形式加速了零部件的老化或易卡澀程度。

形式不合理。轉(zhuǎn)軸密封形式不合理，導(dǎo)致隔離開關(guān)轉(zhuǎn)動(dòng)軸結(jié)部位容易從上部進(jìn)入灰塵、雨水，而又不易從底部及時(shí)排出，導(dǎo)致潤滑脂長期浸泡失效造成設(shè)備卡澀。例如北京地區(qū)安定500 kV 變電站內(nèi)使用的西門子KR52-MM31 型隔離開關(guān)，其主傳動(dòng)桿與操作機(jī)構(gòu)連接軸的密封軸套頂部設(shè)計(jì)時(shí)只依靠轉(zhuǎn)動(dòng)密封防雨未安裝防雨罩，雨水沿傳動(dòng)桿與機(jī)構(gòu)箱的安裝連接處進(jìn)入機(jī)構(gòu)箱內(nèi)部，導(dǎo)致了機(jī)構(gòu)齒輪組嚴(yán)重銹蝕，使隔離開關(guān)在操作時(shí)出現(xiàn)卡澀缺陷［2］。

金屬連接銹蝕。隔離開關(guān)各轉(zhuǎn)動(dòng)連接部位通常采用金屬與金屬連接，當(dāng)接觸部位密封及防銹措施不良時(shí)，易產(chǎn)生銹蝕，致使兩連接金屬相互粘連，失去自由度導(dǎo)致隔離開關(guān)不能正常操作，例如：GW16、GW17 系列隔離開關(guān)長時(shí)間運(yùn)行后因部分零件銹蝕而可能造成運(yùn)動(dòng)卡滯或分、合閘不到位［3］。其主要原因?yàn)椋焊綦x開關(guān)運(yùn)動(dòng)連接面采用電鍍鋅材質(zhì)部件，此類部件在室外濕度較大情況下防腐蝕效果不佳；隔離開關(guān)拐臂轉(zhuǎn)軸處擔(dān)負(fù)傳動(dòng)及導(dǎo)電雙重作用，轉(zhuǎn)軸處的黃銅軸套在導(dǎo)電情況下，由電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的銹蝕極易將軸套內(nèi)運(yùn)通間隙填滿導(dǎo)致卡澀；部分鑄件設(shè)計(jì)時(shí)沒有考慮防水或滲水問題，導(dǎo)致一些部件在運(yùn)動(dòng)到位后開口向上并且底部未設(shè)置防水孔，極易發(fā)生雨水積存導(dǎo)致嚴(yán)重銹蝕。

潤滑脂變質(zhì)。敞開式高壓隔離開關(guān)設(shè)備在電網(wǎng)系統(tǒng)中承擔(dān)著產(chǎn)生明顯電氣斷口的功能，因此其必須具備較大的物理運(yùn)動(dòng)行程，以便產(chǎn)生明顯斷開點(diǎn)，所以隔離開關(guān)設(shè)備都具有大量運(yùn)動(dòng)部件。早期隔離開關(guān)設(shè)備在出廠或現(xiàn)場檢修時(shí)，一般使用鈣基潤滑脂對(duì)運(yùn)動(dòng)連接部位進(jìn)行涂抹保護(hù)。但由于鈣基潤滑脂的融點(diǎn)低、凝固點(diǎn)高，在環(huán)境溫度變化較低地區(qū)，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)鈣基潤滑脂融化流失或者固化板結(jié)，更加阻礙隔離開關(guān)傳動(dòng)部件正常運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象。更為嚴(yán)重的是，高溫融化后的該基潤滑脂對(duì)空氣中的粉塵具有極強(qiáng)的吸附性能，更加加劇隔離開關(guān)運(yùn)動(dòng)連接部位的臟污卡澀，造成操作時(shí)的巨大阻力，形成嚴(yán)重的卡澀現(xiàn)象。

2.2 隔離開關(guān)設(shè)備環(huán)境原因

部分變電站所在的運(yùn)行環(huán)境污染較為嚴(yán)重，工業(yè)粉塵、金屬碎屑、酸性物質(zhì)都會(huì)對(duì)隔離開關(guān)造成嚴(yán)重腐蝕，從而導(dǎo)致金屬傳動(dòng)部件卡澀或斷裂［4］。

酸堿腐蝕。以廊坊地區(qū)霸州500 kV 變電站為例，其所在地區(qū)為5 級(jí)重度污染，周邊有大量的煉鋼廠、軋鋼廠，所排放的硫氧化物、碳氧化物等多種廢氣會(huì)形成酸雨，對(duì)隔離開關(guān)設(shè)備造成嚴(yán)重腐蝕，導(dǎo)致金屬部分開裂、剝落。同時(shí)，鋼廠中擴(kuò)散出的金屬碎屑，由于變電站電磁作用，極易吸附在電力設(shè)備表面，在酸雨的作用下，會(huì)導(dǎo)致隔離開關(guān)轉(zhuǎn)動(dòng)間隙縮小或粘連，造成隔離開關(guān)操作過程中的卡澀現(xiàn)象，明顯多于冀北地區(qū)其他同等級(jí)設(shè)備，詳見圖1。

圖1 酸堿腐蝕影響對(duì)照

粉塵顆粒物堆積。唐山市豐潤區(qū)姜家營500 kV變電站所在地區(qū)也為5 級(jí)嚴(yán)重污染地區(qū)，此地區(qū)的污染源主要為水泥生產(chǎn)企業(yè)排放的粉塵物質(zhì)，姜家營500 kV 變電站內(nèi)隔離開關(guān)設(shè)備經(jīng)常發(fā)生因卡澀導(dǎo)致的分、合閘不到位甚至拒分、拒合的嚴(yán)重故障，分析故障原因，是由于水泥粉塵沉積在隔離開關(guān)表面及傳動(dòng)間隙中，粉塵雖對(duì)隔離開關(guān)金屬部分腐蝕性較低，但是與水分結(jié)合后會(huì)牢固附著在隔離開關(guān)上，在隔離開關(guān)長時(shí)間靜止后再操作時(shí)，嚴(yán)重影響隔離開關(guān)運(yùn)動(dòng)的流暢性，出現(xiàn)卡澀故障。

圖2 粉塵影響對(duì)照

3 隔離開關(guān)卡澀缺陷處理方法

停電處理是現(xiàn)階段電網(wǎng)系統(tǒng)檢修作業(yè)和缺陷處理時(shí)的常用方式，傳統(tǒng)的停電處理隔離開關(guān)卡澀缺陷一般包括：本體更換、金屬部位停電除銹、傳動(dòng)關(guān)節(jié)停電潤滑等內(nèi)容。對(duì)冀北地區(qū)500 kV 變電設(shè)備近5 年檢修數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)上述處理方法成功率及作業(yè)時(shí)間統(tǒng)計(jì)如圖3 所示。

圖3 隔離開關(guān)缺陷處理成功率統(tǒng)計(jì)

可見銹及潤滑作業(yè)能解決絕大部分銹蝕、卡澀缺陷，對(duì)于嚴(yán)重缺陷可以通過更換本體進(jìn)行徹底解決。其優(yōu)點(diǎn)是現(xiàn)場作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)小、缺陷部位處理徹底。但是停電處理同時(shí)存在造成電網(wǎng)負(fù)荷損失、作業(yè)時(shí)間長、工作量大、資金投入大等缺點(diǎn)，同時(shí)由于停電處理方式中一般是將隔離開關(guān)設(shè)備進(jìn)行解體或部分拆卸，也存在著解體拆裝過程中對(duì)設(shè)備造成二次損壞的風(fēng)險(xiǎn)。

為了保證電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行，減少停電時(shí)間，在檢修工作中通過大量現(xiàn)場積累，研究了一種可以在帶電狀態(tài)下處理銹蝕、臟污隔離開關(guān)卡澀缺陷的專用裝置及方法。如圖4 所示，在帶電處理專用裝置基礎(chǔ)上對(duì)隔離開關(guān)卡澀部位噴射除銹潤滑劑，利用裝置噴射壓力強(qiáng)化除銹潤滑劑效果，以達(dá)到對(duì)隔離開關(guān)金屬部位除銹，臟污部位清理的作用。

圖4 隔離開關(guān)帶電潤滑裝置設(shè)計(jì)原理

3.1 外形設(shè)計(jì)

由于專用帶電處理裝置在使用時(shí)需要盡量靠近隔離開關(guān)卡澀部位進(jìn)行操作，使用環(huán)境中又存在高電壓、大場強(qiáng)等危險(xiǎn)因素，所以需要帶電處理專用裝置具有良好的絕緣性能。帶電處理專用裝置整體外形使用纖維強(qiáng)化塑料（FRP）加工。該材料具備優(yōu)異的電氣絕緣性能，可以在帶電環(huán)境下使用；具有耐化學(xué)腐蝕性能，可以裝盛腐蝕性處理溶劑；使用該種材質(zhì)制作裝置外殼，具有同等體積下質(zhì)量更輕的優(yōu)點(diǎn)，利于提升無人機(jī)的有效質(zhì)量搭載率；同時(shí)纖維強(qiáng)化塑料塑型后強(qiáng)度較大，便于在塑形加工時(shí)保證殼體所有頂角處都進(jìn)行圓滑處理，進(jìn)一步避免尖端放電的可能。

3.2 噴射機(jī)構(gòu)

專用帶電處理裝置的噴射機(jī)構(gòu)靠近隔離開關(guān)卡澀部位采用電動(dòng)水泵提升并噴射潤滑溶劑?；跐櫥軇┑奶匦裕瑢Ｓ脦щ娞幚硌b置可以保證使溶劑順利噴射至卡澀部位，并保證溶劑具有一定的初速度以到達(dá)沖擊清理卡澀部位臟污的效果。經(jīng)過多次試驗(yàn)確定在現(xiàn)場使用時(shí)專用帶電處理裝置需在距離卡澀部位20～30 cm 范圍內(nèi)使用，經(jīng)過計(jì)算選用揚(yáng)程為2 m 的水泵可保證噴射裝置噴出的處理溶劑達(dá)到預(yù)計(jì)要求。水泵控制電路采用無線控制方式，利用無線發(fā)射器及單片機(jī)控制模塊實(shí)現(xiàn)遙控控制水泵電路的通斷。

3.3 潤滑溶劑

根據(jù)金屬腐蝕學(xué)原理以及隔離開關(guān)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)臟污導(dǎo)致卡澀的特性，需選用在常溫狀態(tài)下，具有除油污、溶銹、磷化、保護(hù)多種功效的復(fù)合清污潤滑溶劑，通過對(duì)比選擇了“四合一”磷化處理溶劑［5］。傳統(tǒng)的具備除銹功能的溶液大多選用具有較強(qiáng)腐蝕性的鹽酸或硫酸作為配比基液，此類除銹溶劑具有較快的溶銹功效，但對(duì)導(dǎo)電金屬的鍍銀層及氧化保護(hù)膜也會(huì)造成嚴(yán)重的損傷，一定程度上加速了再次銹蝕的發(fā)生?！八暮弦弧绷谆幚砣軇┲惺褂昧姿嶙鳛榛海姿崛茕P能力不強(qiáng)，去除自然環(huán)境下金屬連接部位的銹蝕所需時(shí)間較長，不便于快速處理電網(wǎng)設(shè)備緊急缺陷，為了加快處理溶劑的溶銹速度，在處理溶劑中加入了絡(luò)合劑，使磷酸基液的除銹能力得到加強(qiáng)，在自然室溫條件下也有快速的溶銹能力。

同時(shí)，為了防止隔離開關(guān)設(shè)備金屬部件清污除銹作業(yè)后的二次銹蝕問題，需要在進(jìn)行磷酸基液溶銹作業(yè)后對(duì)金屬表面進(jìn)行鈍化保護(hù)處理。傳統(tǒng)鈍化方案一般采用重鉻酸鹽或亞硝酸鹽，會(huì)對(duì)作業(yè)現(xiàn)場土壤造成污染并釋放刺激性氣體，不利于現(xiàn)場作業(yè)人員健康及環(huán)境保護(hù)。而“四合一”磷化處理溶劑采用鉬酸鹽或鎢酸鹽進(jìn)行金屬鈍化作業(yè)，通過與磷酸在金屬表面進(jìn)行反應(yīng)，可以有效改變磷化膜的結(jié)晶狀態(tài)，在金屬表面形成保護(hù)膜，不僅具有鈍化作用，也具有減緩二次銹蝕的效果。根據(jù)上述原理和正交試驗(yàn)，得出“四合一”磷化處理液的最佳配方如表1所示。

表1 “四合一”磷化處理液配比方案

3.4 裝載手段

專用帶電處理裝置用于處理敞開式隔離開關(guān)卡澀缺陷，高壓隔離開關(guān)由于運(yùn)行電壓等級(jí)較高，所以高壓敞開式隔離開關(guān)都裝設(shè)在基礎(chǔ)及絕緣子之上，一般距地面高度均在2 m 以上，所以需要采用裝載手段將專用處理裝置舉升至隔離開關(guān)卡澀部位，如圖5 所示。

采用無人機(jī)裝載專用處理裝置的方式主要應(yīng)用于500 kV 電壓等級(jí)隔離開關(guān)設(shè)備中，如圖6 所示。利用無人機(jī)裝載方式，選用直徑900 cm 的絕緣材質(zhì)六旋翼固定翼無人機(jī)，其載重能力為5 kg，用于搭載專用處理裝置。采用無人機(jī)裝載方式時(shí)需對(duì)專用處理裝置進(jìn)行調(diào)整，將專用裝置外形調(diào)整為漏斗形，漏斗中心線與無人機(jī)中心線重合，有利于無人機(jī)操控；同時(shí)對(duì)專用處理裝置的無線控制系統(tǒng)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，與無人機(jī)遙控系統(tǒng)進(jìn)行匹配，采用與非門模塊搭載雙穩(wěn)態(tài)控制電路，利用與非門模塊輸出自保持特性，通過無人機(jī)遙控模塊控制雙高頻通道分別驅(qū)動(dòng)一個(gè)與非門模塊的通斷，以實(shí)現(xiàn)雙穩(wěn)態(tài)電路在正負(fù)電平間的切換，成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)水泵電路的有效控制。無人機(jī)裝載方式中利用自穩(wěn)云臺(tái)，將潤滑裝置噴嘴及視頻瞄準(zhǔn)設(shè)備固定于云臺(tái)上，將無人機(jī)少量偏移與潤滑裝置隔離開，以保證潤滑劑噴射的穩(wěn)定性。

圖6 采用無人機(jī)搭載潤滑裝置作業(yè)

4 結(jié)語

在冀北地區(qū)使用無人機(jī)搭載噴射潤滑裝置，帶電處理隔離開關(guān)卡澀缺陷，缺陷解決率達(dá)到87.31%，證明使用新型帶電處理方式，可解決大部分卡澀導(dǎo)致隔離開關(guān)操作不到位的缺陷。對(duì)比停電處理的方式，采用新式裝置不需要停電及使用升降車，作業(yè)時(shí)間由225 min 降低到27 min，減少了88%；在作業(yè)人員方面，由原來4 人變?yōu)? 人，減少了25%；節(jié)約了車輛、設(shè)備租用的費(fèi)用，消耗由700 元／次減少至50 元／次。

在使用新型帶電處理方式時(shí)發(fā)現(xiàn)，無人機(jī)搭載噴射潤滑裝置不僅可以處理設(shè)備缺陷，還能進(jìn)行一次設(shè)備特訓(xùn)，消除巡視死角、發(fā)現(xiàn)隱蔽隱患、提高巡視效果。此外，作業(yè)人員發(fā)現(xiàn)，如果能解決設(shè)備干擾、旋臂絕緣問題并提高無人機(jī)操作精度，無人機(jī)還能搭載輕型機(jī)械手臂或試驗(yàn)裝置，實(shí)現(xiàn)多種帶電作業(yè)無人化，降低作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，為高電壓等級(jí)變?cè)O(shè)備運(yùn)行、維護(hù)提供新思路、創(chuàng)建新平臺(tái)。