一起220 kV彈簧機(jī)構(gòu)斷路器分閘故障分析及處理

苗全堂，王佳輝，秦任鵬

(國網(wǎng)山東省電力公司東營供電公司，山東 東營 257100)

0 引 言

高壓斷路器是電網(wǎng)中重要的一次設(shè)備，能夠關(guān)合、開斷電網(wǎng)運(yùn)行中的正常電流和故障電流，是電網(wǎng)控制和保護(hù)的主要執(zhí)行設(shè)備[1]。操動(dòng)機(jī)構(gòu)是斷路器分合閘操作的動(dòng)力部分，直接控制斷路器的分合閘操作，其可靠運(yùn)行對于斷路器正確動(dòng)作至關(guān)重要。操動(dòng)機(jī)構(gòu)主要有彈簧機(jī)構(gòu)、電磁機(jī)構(gòu)、液壓機(jī)構(gòu)3種型式[2]。彈簧機(jī)構(gòu)斷路器由于結(jié)構(gòu)緊湊、維護(hù)簡單、檢修次數(shù)少等諸多優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于220 kV及以下電壓等級電網(wǎng)中。但分合閘操作失靈仍是彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)比較常見的故障，一旦發(fā)生類似故障，就會嚴(yán)重影響電力系統(tǒng)安全運(yùn)行。因此，對發(fā)生的彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)斷路器分合閘故障進(jìn)行分析并總結(jié)經(jīng)驗(yàn)尤為重要?；诖?，介紹了一起典型的由于合閘保持摯子質(zhì)量不合格導(dǎo)致的220 kV彈簧機(jī)構(gòu)斷路器分閘故障，在進(jìn)行故障處理及原因分析的基礎(chǔ)上，對今后設(shè)備制造、驗(yàn)收、運(yùn)檢提出相應(yīng)措施與建議。

1 故障概況

2019年10月19日，某220 kV變電站220 kV組合電器彈簧機(jī)構(gòu)斷路器停電過程中A相分閘線圈燒毀、A相保持在合閘位置，B、C兩相動(dòng)作正常、順利分閘。故障發(fā)生時(shí)斷路器A相如圖1所示，故障設(shè)備型號為ZFW20-252，出廠時(shí)間為2017年6月，投運(yùn)時(shí)間為2017年12月。

圖1 故障設(shè)備機(jī)構(gòu)箱Fig.1 Mechanism box of fault equipment

2 緊急分閘及本體檢查

2.1 故障后緊急分閘處理

將線路對側(cè)停電，拉開斷路器控制電源和儲能電源，按下分閘線圈銜鐵，機(jī)構(gòu)無反應(yīng)。隨后，將燒毀的電磁鐵卸下，使用工具將圖2中所示分閘摯子向分閘方向壓下，分閘摯子可以正常動(dòng)作，但合閘保持摯子沒有反應(yīng)，仍牢固地鎖住主拐臂上的合閘保持銷，如圖3所示，機(jī)構(gòu)仍然不能分閘。

圖2 分閘摯子Fig.2 Switch-off trigger

使用工具助力如圖4中所示輸出連桿往合閘方向運(yùn)動(dòng)，輸出拐臂無移動(dòng)跡象，基本排除了上次合閘不到位導(dǎo)致機(jī)構(gòu)未過死點(diǎn)引起的設(shè)備故障。隨后，使用工具敲擊圖3中所示的合閘保持摯子，經(jīng)過幾次敲擊后，順利分閘。

圖3 機(jī)構(gòu)分閘故障處Fig.3 Switch-off fault position of mechanism

圖4 輸出連桿Fig.4 Connecting rod of output

2.2 本體分解物檢測

分閘后，對A相滅弧室進(jìn)行了SF6分解產(chǎn)物檢測，SO2及HS等硫化物含量為0，推斷A相滅弧室無燃弧現(xiàn)象，驗(yàn)證了上次合閘確實(shí)已經(jīng)到位，同時(shí)也說明分閘線圈燒毀時(shí)A相處于完全合閘狀態(tài)，輸出拐臂還未往分閘方向動(dòng)作。

3 原因分析及后續(xù)處理

3.1 彈簧機(jī)構(gòu)原理介紹

彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)是一種以彈簧作為儲能元件，通過彈簧能量的釋放實(shí)現(xiàn)斷路器分、合閘操作的機(jī)械式操動(dòng)機(jī)構(gòu)[3]。彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)的工作原理如圖5所示，合閘彈簧由電機(jī)經(jīng)減速裝置實(shí)現(xiàn)壓縮儲能，分閘彈簧通過合閘彈簧能量的釋放及機(jī)械聯(lián)動(dòng)實(shí)現(xiàn)壓縮儲能，并經(jīng)各自的鎖扣系統(tǒng)進(jìn)行狀態(tài)保持。設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)，分、合閘彈簧均處于已儲能狀態(tài)[4]。

圖5 彈簧機(jī)構(gòu)原理圖Fig.5 Schematic diagram of spring mechanism

合閘時(shí)，合閘電磁鐵帶電動(dòng)作，頂桿沖擊合閘摯子，合閘鎖扣系統(tǒng)解鎖動(dòng)作，合閘彈簧釋放，經(jīng)機(jī)械傳動(dòng)帶動(dòng)斷路器觸頭合閘，同時(shí)，壓縮分閘彈簧儲能[5-6]。分閘時(shí)，分閘電磁鐵帶電動(dòng)作，頂桿沖擊分閘摯子，分閘鎖扣系統(tǒng)解鎖動(dòng)作，分閘彈簧能量釋放，經(jīng)機(jī)械傳動(dòng)帶動(dòng)觸頭分閘。

3.2 原因分析及故障消除

正常合閘完成后，分閘系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖6所示，合閘保持摯子主要受到外部的4個(gè)作用力：F1為在分閘彈簧拉力作用下主拐臂上合閘保持銷的壓力；F2為合閘保持銷的摩擦力，由于合閘保持銷具有軸承，因此，為滾動(dòng)摩擦力，相比滑動(dòng)摩擦力較??；F3為分閘摯子的壓力；F4為合閘保持摯子壓緊彈簧的復(fù)位力。

圖6 分閘系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)Fig.6 Mechanical structure of switch-off system

F1的力臂L1如圖6所示，F(xiàn)1的力矩M1使合閘保持摯子逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，F(xiàn)2、F3、F4的力矩M2、M3、M4使合閘保持摯子順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。合閘完成后，逆時(shí)針力矩與順時(shí)針力矩平衡，合閘保持摯子靜止，機(jī)構(gòu)維持在合閘狀態(tài)。當(dāng)分閘摯子受分閘電磁鐵頂桿撞擊動(dòng)作后，作用力F3消失，平衡狀態(tài)被打破，合閘保持摯子在力矩M1的作用下逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，釋放合閘保持銷，主拐臂在分閘彈簧的作用力下順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)分閘。本次故障時(shí)，作用力F3消失后，合閘保持摯子并未動(dòng)作，根據(jù)其受力狀況，分析可能的原因有：

1)作用力F1異常減小。分閘彈簧的復(fù)位力大小直接決定了F1的大小，分閘彈簧結(jié)構(gòu)如圖7所示，包括分閘彈簧、活塞桿、緩沖缸等部件。在分閘過程中，活塞桿動(dòng)作近似直線運(yùn)動(dòng)，分閘彈簧輸出力很大，在動(dòng)作過程中出現(xiàn)卡澀的概率很小。上述處理過程中，通過敲擊合閘保持摯子順利分閘，而沒對分閘彈簧進(jìn)行任何操作，從而排除了分閘彈簧活塞桿和緩沖缸研缸的故障。

圖7 分閘彈簧結(jié)構(gòu)Fig.7 Construction of switch-off spring

2)作用力F4異常增大。由于F4為壓緊彈簧的復(fù)位力，彈簧復(fù)位力應(yīng)隨運(yùn)行時(shí)間增長而變小，不存在異常增大的可能性。

3)作用力F2異常增大。若合閘保持銷滾動(dòng)軸承損壞后，滾動(dòng)摩擦變?yōu)榛瑒?dòng)摩擦，合閘保持銷摩擦力F2會異常增大。若材料硬度不夠，合閘保持銷和合閘保持摯子接觸點(diǎn)表面出現(xiàn)壓痕而不再光滑，也會使摩擦力F2異常增大。

基于以上分析，對機(jī)構(gòu)零部件進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)主拐臂上的合閘保持銷外觀良好、轉(zhuǎn)動(dòng)靈活。合閘保持摯子工作面存在寬度和深度不均勻的凹痕，而且磨損程度也不均勻，確定合閘保持摯子損壞，拆下后的合閘保持摯子如圖8所示。

圖8 損壞的合閘保持摯子Fig.8 Damaged switch-on holding trigger

確定故障原因后，對合閘保持摯子進(jìn)行了更換。更換完成后，對機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)部件涂抹了潤滑脂，對斷路器機(jī)械特性進(jìn)行了測試，測試數(shù)據(jù)合格，故障消除。

對損壞的合閘保持摯子進(jìn)行硬度檢測，測得其硬度為HRC47，低于HRC52±2的技術(shù)要求。在2017年進(jìn)行出廠及交接機(jī)械特性試驗(yàn)時(shí)，均沒有發(fā)生分閘故障，但經(jīng)過近兩年的合閘運(yùn)行后，再次分閘時(shí)發(fā)生故障。結(jié)合其檢測結(jié)果可知，本次故障是由于斷路器長時(shí)間處于合閘狀態(tài)時(shí)，不合格的合閘保持摯子長時(shí)間受合閘保持銷的應(yīng)力而表面產(chǎn)生較大磨損所致。

4 結(jié) 語

介紹了一起220 kV組合電器彈簧機(jī)構(gòu)斷路器因合閘保持摯子質(zhì)量不合格導(dǎo)致的分閘故障，為了防止類似故障再次發(fā)生，提出以下幾點(diǎn)建議：

1)加強(qiáng)制造環(huán)節(jié)質(zhì)量管控，選用優(yōu)良零部件。彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)由上百個(gè)零部件組成，制造廠每個(gè)零部件質(zhì)量都應(yīng)把控好，尤其是合、分閘過程需要承受較大應(yīng)力的轉(zhuǎn)動(dòng)軸銷、摯子類零件。選用質(zhì)量優(yōu)良的零部件是機(jī)構(gòu)性能可靠的前提。

2)加強(qiáng)設(shè)備驗(yàn)收管理。到貨驗(yàn)收，應(yīng)逐一檢查斷路器的生產(chǎn)記錄、核心零部件檢測合格證等出廠資料，交接驗(yàn)收。對機(jī)械性能試驗(yàn)進(jìn)行現(xiàn)場關(guān)鍵點(diǎn)驗(yàn)證，防止斷路器帶缺陷投運(yùn)。

3)提高設(shè)備運(yùn)檢質(zhì)量。合理安排斷路器維護(hù)、檢修計(jì)劃。檢查各傳動(dòng)組件有無異常磨損、變形，對機(jī)構(gòu)傳動(dòng)軸承和軸銷涂抹潤滑脂。檢修完后進(jìn)行機(jī)械特性試驗(yàn)，確保機(jī)械特性參數(shù)合格。