李子由，趙銀山

（中國南方電網(wǎng)超高壓輸電公司大理局，云南 大理 671000）

0 前言

高壓開關(guān)可靈活投切線路、電氣設(shè)備，配合電網(wǎng)運行方式，快速切除隔離電網(wǎng)故障部分，是電力系統(tǒng)中最重要的控制和保護(hù)設(shè)備[1]。

液壓機構(gòu)作為一種操作機構(gòu)，廣泛應(yīng)用于高壓斷路器中[2]。開關(guān)的動作特性直接取決于操動機構(gòu)，500 kV 開關(guān)液壓彈簧機構(gòu)采用差動式工作缸，彈簧儲能液壓連桿混合傳動方式，集成液壓回路無外接油管[3]，工作特性基本不受溫度變化影響。設(shè)備運行過程中，受制造、裝配、安裝、環(huán)境等多種因素影響，液壓彈簧機構(gòu)可能出現(xiàn)閉鎖、誤動、拒動、無法儲能、頻繁打壓等故障問題[4]。

HMB-8 型儲能機構(gòu)為ABB 公司高壓開關(guān)的典型操作機構(gòu)，該液壓彈簧機構(gòu)具有結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高、液壓回路集成化程度高且輸出功率大、分合閘動作快及安裝方便的特點[5]。無外接管路，采用疊型彈簧作為儲能元件， 取代傳統(tǒng)液壓機構(gòu)的氮氣儲能方式， 提高了可靠性[6]。彈簧液壓機構(gòu)在有諸多優(yōu)點的同時也存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工精度要求高、對材料要求高以及維護(hù)工作量大等缺點[7]。長期運行中可能會出現(xiàn)頻繁打壓、液壓油滲漏等問題，現(xiàn)場檢修耗時長、處理難，嚴(yán)重影響供電可靠性，應(yīng)引起足夠重視[8]。本文通過±800 kV H 換流站投運以來多起HMB-8 型液壓彈簧機構(gòu)因密封引起異常打壓故障的深入分析，詳細(xì)介紹了異常打壓現(xiàn)象、機構(gòu)動作原理及機構(gòu)解體后檢查情況并提出了機構(gòu)異常打壓的根本原因與防范建議。

1 開關(guān)異常打壓概況

±800 kV H 換流站地處8°基本地震烈度區(qū)，平均海拔2300 多米，2017 年投運，站內(nèi)共配置了48 臺（相）罐式開關(guān)，用于交流濾波器場區(qū)域，投運至今，通過巡視和每月開關(guān)打壓次數(shù)多維度分析，累計發(fā)現(xiàn)了11 起該類型開關(guān)儲能機構(gòu)打壓異常情況，其中有3 臺開關(guān)在斷開電機電源開展保壓試驗時，儲能機構(gòu)壓力在1～7 min 之間緩慢降至零壓，其余8 臺開關(guān)每天打壓3～5 次，每次打壓2 s 左右。

2 開關(guān)儲能機構(gòu)打壓原理

液壓機構(gòu)由儲能部分（儲壓器、油泵和電動機等）、執(zhí)行元件（工作缸）、控制元件（閥門）和輔助元件四部分組成[9]。如圖1，當(dāng)機構(gòu)未儲能或者是儲能不足時，液壓彈簧行程開關(guān)S1 動作，電機啟動，液壓彈簧開始儲能，當(dāng)彈簧形變量達(dá)到一定值，行程開關(guān)復(fù)歸，電機回路斷開，機構(gòu)打壓停止。儲能馬達(dá)啟動值為83 mm，停止為84 mm，而過壓定值為85 mm，相對行程僅有1 mm，當(dāng)開關(guān)行程開關(guān)在啟動及停止的行程內(nèi)反復(fù)移動或控制出點反復(fù)閉合，產(chǎn)生開關(guān)頻繁打壓現(xiàn)象。

圖1 彈簧行程限位開關(guān)S1定值示意圖

機構(gòu)高低壓油路如圖2、3，密封原理采用靜密封和動密封兩種結(jié)構(gòu)。分、合閘狀態(tài)下，液壓油壓力如圖所示（紅色為高壓油，藍(lán)色為低壓油）。動作時，機構(gòu)通過柱塞泵（儲能模塊內(nèi)）對機構(gòu)內(nèi)液壓油加壓，推動儲能模塊活塞運動，壓縮碟簧儲存能量。開關(guān)分合閘動作時，通過合閘電磁閥控制模塊內(nèi)油路，使控制模塊內(nèi)一級閥動作（動作原理與主活塞桿動作原理一致，為壓差控制）從而控制主活塞內(nèi)油路變化。當(dāng)二級換向閥在高壓油的作用下轉(zhuǎn)換到分閘位置時，合閘閥口關(guān)閉，轉(zhuǎn)換通道（Z 通道）與常低壓通道（T 通道）導(dǎo)通，工作缸活塞下部高壓油經(jīng)過二級閥的分閘閥口返回到低壓油箱，工作缸活塞下部形成低壓，于是活塞桿在壓差的作用下向下運動，帶動開關(guān)完成分閘動作。當(dāng)二級換向閥在壓差的作用下轉(zhuǎn)換到合閘位置時，合閘閥口導(dǎo)通，轉(zhuǎn)換通道與常低壓通道導(dǎo)通，工作缸活塞下部與上部同為常高壓狀態(tài)，由于壓強相同但受力面積不同，推動活塞向合閘方向移動，帶動開關(guān)完成合閘動作。

圖2 液壓機構(gòu)高、低壓油路狀態(tài)（合閘位置）

圖3 液壓機構(gòu)高、低壓油路狀態(tài)（分閘位置）

3 開關(guān)異常打壓原因

對于液壓碟簧操動機構(gòu)而言，其極易發(fā)生滲漏故障，這主要是由于其密封不良引起的，其泄漏會分為內(nèi)漏和外漏[10]。根據(jù)該類型開關(guān)儲能機構(gòu)結(jié)構(gòu)及原理，推測開關(guān)儲能機構(gòu)異常打壓原因主要有以下幾點：

3.1 儲能模塊及工作缸內(nèi)漏

1）儲能模塊活塞以及工作缸活塞密封處采用特殊密封圈密封，當(dāng)密封圈出現(xiàn)細(xì)微裂紋，在沒有貫穿之前，打壓次數(shù)是正常的，在長時間的壓力作用下，裂紋會慢慢的張開最后形成貫穿，從而影響打壓的次數(shù)，此情況下卸壓打壓多次后，裂紋重新彌合，打壓重新保持正常，但或在運行一段時間后此現(xiàn)象會反復(fù)重新出現(xiàn)。

2）儲能模塊活塞、工作缸、主活塞密封、或操作桿存在劃痕，導(dǎo)致密封下降，在高油壓的作用下使得活塞無法正常保證壓力，導(dǎo)致開關(guān)異常打壓。

3）儲能模塊及工作缸密封破壞：液壓機構(gòu)在生產(chǎn)、組裝、運行過程中產(chǎn)生金屬碎屑，在運行過程中，隨著開關(guān)分合及開關(guān)儲能動作，金屬碎屑在機構(gòu)內(nèi)壁造成劃痕，破壞儲能模塊內(nèi)壁及工作缸密封，使得高壓油向低壓油缸泄漏，造成異常打壓。

4）在制造過程中，由于材質(zhì)或工藝原因，工作缸內(nèi)部或存在強度薄弱處，在長時間高壓工況下，由于開關(guān)動作產(chǎn)生的振動，導(dǎo)致缸體內(nèi)部出現(xiàn)裂紋，使得高壓油向低壓油缸泄漏，造成異常打壓。

3.2 開關(guān)液壓油異常

油內(nèi)有雜質(zhì)，雜質(zhì)附著在各模塊密封圈上使得密封系統(tǒng)密封不嚴(yán)，導(dǎo)致頻繁打壓，如果操作幾次，或卸壓打壓多次后，液壓油經(jīng)過自濾系統(tǒng)或?qū)C構(gòu)內(nèi)的油重新過濾，或換新油可以消除此現(xiàn)象。

油內(nèi)含有氣體，當(dāng)氣泡進(jìn)入儲能模塊活塞缸內(nèi)，在機構(gòu)打壓過程中氣泡逐漸被壓縮直至打壓停止，當(dāng)停止打壓后被壓縮的氣體相比液壓油會更快恢復(fù)體積，行程開關(guān)會很快降低至與啟動打壓值非常接近的位置，由于液壓機構(gòu)本身存在慢滲現(xiàn)象，機構(gòu)壓力會慢慢地降低，在氣泡的作用下會更快地到達(dá)打壓啟動值，從而產(chǎn)生異常打壓現(xiàn)象。

3.3 控制模塊異常

控制模塊通過控制換向閥的導(dǎo)通與關(guān)閉，從而控制開關(guān)動作，當(dāng)換向閥（二級閥）閥口的閥線有劃痕、變形，閥門卡澀、異物堵塞或損壞時，高壓油通過密封損壞處流入低壓油室，造成開關(guān)異常打壓。

控制模塊線圈（一級閥）靠彈簧壓迫鋼珠密封，當(dāng)閥口存在貫穿劃痕、損壞，或彈簧發(fā)生錯位、彈性疲勞時，導(dǎo)致密封不良，高壓油向低壓區(qū)滲漏，造成異常打壓。

3.4 安全閥異常

安全閥（手動卸壓閥）閥口有劃痕、變形，現(xiàn)場安裝位置不正確，或泄壓閥彈簧疲勞時，也會導(dǎo)致高壓油流入低壓油室，造成開關(guān)異常打壓。

安全閥把手頂塊安裝不到位，由于振動的作用使得安全閥誤動作，導(dǎo)致壓力下降至啟動油泵壓力，引起異常打壓。

3.5 充壓模塊異常

柱塞泵內(nèi)部止回閥損壞造成高壓缸內(nèi)油通過柱塞泵向低壓缸滲漏，引起開關(guān)異常打壓。

柱塞泵與油缸壓接的密封圈損壞，導(dǎo)致高壓油通過密封圈向低壓缸滲漏，引起異常打壓。

3.6 二次回路故障

行程開關(guān)凸輪與微動開關(guān)觸點配合故障，導(dǎo)致儲能開始與結(jié)束的行程距離小于1 mm，使得開關(guān)異常打壓。

微動開關(guān)出現(xiàn)觸點變形，或者觸點彈片受潮氧化變質(zhì)，失去原有彈性等狀況。當(dāng)機構(gòu)內(nèi)壓力下降至啟動值時，受環(huán)境溫度變化或外界振動等因素影響，行程開關(guān)觸點反復(fù)開斷閉合，使得電機反復(fù)啟動，造成異常打壓。

行程開關(guān)、齒輪桿、壓力釋放閥（安全閥）配合故障，使得儲能停止行程位置與壓力釋放行程位置過于接近，當(dāng)壓力釋放閥在儲能完成位置時或發(fā)生動作，使得開關(guān)短暫釋能，行程開關(guān)行程靠近打壓動作位置。

4 現(xiàn)場檢查情況

4.1 返廠機構(gòu)解體情況

現(xiàn)場對在斷開電機電源后，儲能機構(gòu)壓力在1～7 min 之間緩慢降至零壓的3 臺開關(guān)儲能機構(gòu)返廠解體，開關(guān)儲能機構(gòu)解體檢查結(jié)果一致：儲能機構(gòu)外觀均無異常；儲能機構(gòu)的碟簧正常；儲能機構(gòu)的工作缸和工作缸活塞均無異常；儲能模塊中儲能缸無異常，儲能活塞的密封環(huán)存在不同程度損壞。

4.2 抽取的開關(guān)現(xiàn)場檢查情況

現(xiàn)場抽取每天打壓3～5 次，每次打壓2 s 左右的8 臺開關(guān)（累計開關(guān)動作次數(shù)在1262～1623次）進(jìn)行液壓機構(gòu)儲能模塊拆解檢查及維修，此外再抽取4 臺打壓正常的開關(guān)進(jìn)行檢查對比，結(jié)果顯示：該8 臺開關(guān)儲能活塞的密封環(huán)均存在不同程度損壞，抽取的正常打壓的4 臺開關(guān)（累計開關(guān)動作次數(shù)在1332～1426 次），其儲能活塞的密封環(huán)也存在較輕微的磨損，且隨著操作次數(shù)的增加，開關(guān)儲能活塞的密封圈損壞越嚴(yán)重。

5 檢查結(jié)果分析

通過解體檢查發(fā)現(xiàn)，儲能活塞的密封環(huán)損壞導(dǎo)致機構(gòu)內(nèi)漏是造成此次500 kV 開關(guān)HMB-8型儲能機構(gòu)打壓異常的原因。

無論是分閘還是合閘，儲能機構(gòu)碟簧均通過儲能模塊活塞將能量釋放至液壓系統(tǒng)中，儲能模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4 所示，動作時活塞在儲能模塊缸內(nèi)快速運動，其中，導(dǎo)向環(huán)用著動作潤滑及導(dǎo)向，保護(hù)密封圈的作用，密封圈作為動密封，保持液壓系統(tǒng)壓力。如圖5 所示，當(dāng)儲能缸內(nèi)存在雜質(zhì)或其他異常時，容易損壞儲能模塊活塞密封環(huán)，引起密封失效，導(dǎo)致機構(gòu)打壓異常出現(xiàn)。

圖4 儲能模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖5 儲能模塊儲能前后對比

造成儲能活塞的密封環(huán)損壞的原因主要有以下幾個：

1）裝配工藝缺陷：活塞環(huán)在裝配過程中首先將活塞環(huán)放在100℃液壓中利用熱脹冷縮的原理使其膨脹，然后安裝在儲能模塊的活塞上，隨著溫度的變化使活塞環(huán)收縮在密封槽中（為了加速其縮變和定位可以使用工裝）。活塞環(huán)若沒有準(zhǔn)確地安裝在密封槽中，隨著操作次數(shù)的增加，密封環(huán)損壞嚴(yán)重，引起儲能模塊中的活塞處高低壓油泄露導(dǎo)致機構(gòu)異常打壓。

2）受力不均：如圖6 所示，現(xiàn)場解體檢查發(fā)現(xiàn)儲能缸內(nèi)活塞桿上部的密封環(huán)磨損較為嚴(yán)重，下部的密封環(huán)磨損比較輕微。儲能模塊活塞桿在儲滿能狀態(tài)下與碟簧法蘭盤連接，受碟簧和法蘭盤的重力影響下，活塞桿密封環(huán)承受的上部壓力大于下部壓力，儲能模塊在來回分合儲能過程中，密封環(huán)受力不均易導(dǎo)致密封不嚴(yán)。

圖6 儲能模塊原理

3）材質(zhì)缺陷：該類型開關(guān)機構(gòu)儲能模塊活塞桿的密封環(huán)材質(zhì)為丁晴橡膠，根據(jù)本次開關(guān)儲能機構(gòu)解體檢查，其密封環(huán)均受到不同程度的磨損，情況嚴(yán)重時影響活塞桿儲能過程中的主密封。其次隨著開關(guān)動作次數(shù)的增加，磨損程度也會進(jìn)一步加劇，因此判斷密封圈的材質(zhì)問題也是影響開關(guān)異常打壓的因素。

6 結(jié)束語

機構(gòu)頻繁打壓大多數(shù)是由于材料和制造工藝的問題[11]。為了提高該類型開關(guān)運行質(zhì)量，一是要把控好活塞環(huán)的裝配工藝質(zhì)量，確保開關(guān)液壓機構(gòu)儲能模塊的活塞環(huán)要準(zhǔn)確安裝在密封槽中。二是要保障儲能模塊活塞環(huán)的材質(zhì)質(zhì)量，改善活塞環(huán)的材質(zhì)，提高活塞環(huán)的使用質(zhì)量和壽命。三是調(diào)整該類型開關(guān)的維護(hù)周期，對開關(guān)動作次數(shù)超過1500 次的儲能模塊活塞環(huán)進(jìn)行檢查和更換。四是做好開關(guān)的打壓次數(shù)多維度分析工作，通過多維度分析，及時發(fā)現(xiàn)開關(guān)打壓異常并及時處理，防止故障范圍擴大。本文基于高海拔地區(qū)±800 kV H 換流站500 kV開關(guān)儲能機構(gòu)異常打壓事件，經(jīng)現(xiàn)場檢修、機構(gòu)解體及原因分析，認(rèn)定機構(gòu)儲能活塞的密封環(huán)損壞是儲能機構(gòu)異常打壓的原因，并在安裝工藝、材質(zhì)、運行維護(hù)等方面提出了防范建議，為今后類似典型故障的判斷及檢查處理提供可靠依據(jù)。