一起500 kV瓷柱式斷路器彈簧操作機(jī)構(gòu)機(jī)械故障導(dǎo)致合閘失敗的原因分析

于檸源，任慶帥，和兆偉，華 濤

（國(guó)網(wǎng)山東省電力公司檢修公司，山東 濟(jì)南 250118）

1 BLG1002A型操作機(jī)構(gòu)動(dòng)作原理

斷路器是能夠關(guān)合、承載和開斷正?；芈窏l件下的電流并能關(guān)合、在規(guī)定時(shí)間內(nèi)承載和開斷異?；芈窏l件下電流的開關(guān)裝置[1]。它的關(guān)合、開斷操作，由斷路器操作機(jī)構(gòu)的動(dòng)作實(shí)現(xiàn)。

BLG 1002A型彈簧操作機(jī)構(gòu)為北京ABB高壓開關(guān)設(shè)備有限公司產(chǎn)品，結(jié)構(gòu)如圖1所示[2]。

1.合閘掣子裝置；2.分閘掣子裝置；3.分閘緩沖器；4.操作拐臂；5.凸輪盤；6.環(huán)形鏈條；7.合閘彈簧；8.彈簧軛架；9.鎖鉤；10-11.鏈輪；12.合閘緩沖器；13.拉桿；14.分閘彈簧。

圖1 BLG 1002A型彈簧操作機(jī)構(gòu)

當(dāng)斷路器分閘時(shí)，分閘掣子裝置的掣子爪被釋放，處于壓縮狀態(tài)的分閘彈簧經(jīng)拉桿拉動(dòng)操作拐臂向左運(yùn)動(dòng)，同時(shí)操作拐臂拉動(dòng)斷路器絕緣拉桿，實(shí)現(xiàn)分閘。操作拐臂的動(dòng)作在終端位置經(jīng)分閘緩沖器阻尼停止動(dòng)作。當(dāng)斷路器合閘時(shí)，合閘掣子裝置的掣子爪被釋放，環(huán)形鏈條釋放帶動(dòng)凸輪盤順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。凸輪盤旋轉(zhuǎn)360°，并把操作拐臂向右推直至其與分閘掣子裝置嚙合。操作拐臂向右運(yùn)動(dòng)過程中推動(dòng)斷路器絕緣拉桿實(shí)現(xiàn)合閘，并經(jīng)拉桿壓縮分閘彈簧儲(chǔ)能，操作拐臂的動(dòng)作在運(yùn)動(dòng)終端由合閘緩沖器阻尼，合閘操作完成。

2 故障現(xiàn)象及現(xiàn)場(chǎng)處理過程

工作人員在對(duì)某500 kV線路送電過程中，該線路開關(guān)合閘后B相立即分閘，而A、C兩相未分閘。讀取錄波數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，B相波形僅存在25 ms后即被切除。該時(shí)長(zhǎng)與開關(guān)合-分時(shí)間吻合，故可判斷開關(guān)B相合閘瞬間立即分閘。

在對(duì)開關(guān)各控制回路進(jìn)行全面檢測(cè)合格后，甩開所有二次回路，通過儀器直接加電給分、合閘線圈。操作幾次后仍然出現(xiàn)合閘后立即分閘的情況，由此可以確定故障出現(xiàn)在機(jī)械部分。

由斷路器操作機(jī)構(gòu)的動(dòng)作原理可知，操作拐臂由分閘位置到合閘位置是靠凸輪盤推動(dòng)，最終被分閘掣子裝置嚙合保持完成。如果分閘掣子裝置與操作拐臂無法有效嚙合，則會(huì)導(dǎo)致斷路器合閘后無法保持，出現(xiàn)立即分閘現(xiàn)象。依據(jù)機(jī)構(gòu)動(dòng)作原理及機(jī)械設(shè)計(jì)理論，有3個(gè)方面原因可能導(dǎo)致分閘掣子裝置與操作拐臂無法有效嚙合：一是分閘掣子裝置機(jī)械性能不滿足要求；二是操作拐臂尺寸不滿足要求；三是凸輪盤尺寸不滿足要求。

為確定故障部位，依次對(duì)分閘掣子裝置、操作拐臂和凸輪盤更換并進(jìn)行操作。發(fā)現(xiàn)，在未更換凸輪盤的情況下，均會(huì)出現(xiàn)合閘失?。欢鼡Q凸輪盤后，合閘失敗的現(xiàn)象消失。因此，初步判定故障元件為凸輪盤。

3 故障原因分析

為分析透徹凸輪盤故障導(dǎo)致合閘失敗的原因，首先需要深入了解BLG 1002A型操作機(jī)構(gòu)在動(dòng)作時(shí)分閘掣子裝置、操作拐臂和凸輪盤的配合過程。

3.1 合閘過程各元件的動(dòng)作配合介紹

圖2為合閘狀態(tài)下操作拐臂和分閘掣子裝置的相對(duì)位置。正常合閘狀態(tài)下，分閘掣子裝置滾軸與操作拐臂鎖鉤嚙合，阻止操作拐臂在分閘彈簧作用下向左運(yùn)動(dòng)，使斷路器保持合閘狀態(tài)。

圖2 分閘掣子裝置和操作拐臂相對(duì)位置

進(jìn)行分閘操作時(shí)，分閘線圈通電。圖3中，銜鐵1撞擊二級(jí)鎖鉤3，使其順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，二級(jí)鎖鉤3的動(dòng)作使一級(jí)鎖鉤4發(fā)生順時(shí)針偏轉(zhuǎn)，進(jìn)而導(dǎo)致滾軸2失去支撐，最終使得操作拐臂失去閉鎖向左運(yùn)動(dòng)，拉動(dòng)絕緣拉桿完成分閘。

圖3 分閘掣子裝置

由機(jī)構(gòu)原理圖可知，在合閘過程中，凸輪盤推動(dòng)操作拐臂向右移動(dòng)。由凸輪盤幾何形狀可知，它的邊緣到轉(zhuǎn)軸的直線尺寸直接影響操作拐臂的動(dòng)作距離。若尺寸過小，操作拐臂動(dòng)作距離過小，將導(dǎo)致分閘掣子裝置滾軸與操作拐臂鎖鉤無法有效嚙合。待凸輪盤與操作拐臂脫離后，操作拐臂將在分閘彈簧拉力下迅速向右動(dòng)作。拉動(dòng)絕緣拉桿將斷路器觸頭斷開，造成合閘失敗。若凸輪盤尺寸過大，操作拐臂向右動(dòng)作距離過大，將導(dǎo)致其回彈幅度過大，使得操作拐臂鎖鉤與分閘掣子裝置滾軸撞擊劇烈。長(zhǎng)此以往，磨損嚴(yán)重，可能使嚙合部位無法有效閉鎖，也將造成合閘失敗。

3.2 對(duì)更換元件的檢查

首先對(duì)分閘掣子裝置進(jìn)行外觀檢查，無異常。對(duì)圖3所示的各動(dòng)作部件間的縫隙進(jìn)行測(cè)量，1 mm塞尺無法塞入，確定各部件間嚙合良好。使用掣子檢測(cè)儀對(duì)分閘掣子裝置機(jī)械性能進(jìn)行檢測(cè)，如圖4所示，檢測(cè)合格。

圖4 分閘掣子裝置機(jī)械性能檢查

對(duì)操作拐臂進(jìn)行外觀檢查，無異常。將它裝配在同類型機(jī)構(gòu)中進(jìn)行模擬操作，動(dòng)作正常，可確定操作拐臂完好。

使用三坐標(biāo)法對(duì)凸輪盤尺寸進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果顯示凸輪尺寸最大偏差-0.825mm，超出允許公差（±0.5mm），最大超差0.325mm，確定凸輪盤尺寸不合格。凸輪盤尺寸出現(xiàn)超差位置，如圖5所示橢圓內(nèi)部。凸輪盤尺寸過小部位直接導(dǎo)致操作拐臂運(yùn)動(dòng)距離偏小，大大增加了合閘失敗的幾率。

圖5 凸輪超差位置

4 凸輪盤制作工藝

凸輪盤的尺寸直接影響B(tài)LG 1002A型操作機(jī)構(gòu)在合閘操作完成瞬間能否對(duì)操作拐臂實(shí)現(xiàn)可靠閉鎖，這對(duì)凸輪盤表面與操作拐臂接觸部位的硬度和耐磨性能提出了很高要求。由ABB技術(shù)人員介紹，凸輪盤的主要材料為不銹鋼。為增大零件韌性，使它在運(yùn)行過程中不易發(fā)生斷裂，該類型不銹鋼的含碳量較小。但是，為了增加它表的面硬度，減小磨損，需增大表面部位的含碳量。

滲碳工藝[3-4]為金屬材料一種常見的熱處理工藝，廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造行業(yè)。具體方法為：將低碳鋼部件放于具有活性滲碳的介質(zhì)內(nèi)加熱，在溫度達(dá)到900～950℃的單相奧氏體區(qū)并保持足夠長(zhǎng)時(shí)間后，使介質(zhì)中分解出的活性碳原子滲入鋼件表面，再經(jīng)淬火、表面回火等工藝，大幅提高鋼件表面層硬度和耐磨性，而其他部分依然保持足夠的韌性。

正常情況下，該類型凸輪盤的合格成品外表面采用2 mm滲碳工藝，正常壽命周期內(nèi)不應(yīng)因磨損導(dǎo)致零件誤差過大。

5 結(jié)論及下一步措施

5.1 結(jié)論

通過對(duì)分閘掣子裝置、操作拐臂和凸輪盤的檢查試驗(yàn)，確定凸輪盤的尺寸誤差過大為該次合閘失敗故障的主要原因。技術(shù)人員已更換該開關(guān)三相機(jī)構(gòu)的凸輪盤，且更換后的分、合閘操作無異常。

5.2 下一步措施

對(duì)更換下的凸輪盤進(jìn)行磨損試驗(yàn)和硬度測(cè)試，分析其誤差過大的原因，并列為典型案例，作為今后類似缺陷的處理依據(jù)。

對(duì)新上BLG 1002A型操作機(jī)構(gòu)應(yīng)加強(qiáng)出廠檢測(cè)，設(shè)備運(yùn)維管理單位要在出廠監(jiān)造過程中予以特別關(guān)注，保證出廠驗(yàn)收合格。

為防止同類型在運(yùn)操作機(jī)構(gòu)出現(xiàn)相同故障，工作人員需全面排查所轄變電站的所有斷路器，梳理同型號(hào)操作機(jī)構(gòu)，并綜合分析運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)服役時(shí)間較長(zhǎng)的設(shè)備列出檢修計(jì)劃進(jìn)行維保，更換凸輪盤。

BLG 1002A型操作機(jī)構(gòu)為ABB公司較老產(chǎn)品，目前已逐步被BLK 222型彈簧操作機(jī)構(gòu)（如圖6所示）所替代。由圖6可知，BLK 222型彈簧操作機(jī)構(gòu)無凸輪盤結(jié)構(gòu)，而是由操作拐臂牽引偏心拐臂完成合閘。在行程末端，偏心拐臂由分閘掣子裝置鎖定，保持在合閘位置。零部件的輕微磨損對(duì)該類型結(jié)構(gòu)的動(dòng)作影響較小，使其動(dòng)作更加可靠。

圖6 BLK 222型彈簧操作機(jī)構(gòu)

參考文獻(xiàn)：

[1] 周 爽，楊月紅，孫 進(jìn).交流高壓斷路器[M].北京：中國(guó)電力出版社，2015.

[2] 北京ABB高壓開關(guān)設(shè)備有限公司.SF6斷路器HPL 245-550B2和HPL 245-550TB2帶BLG 1002A操作機(jī)構(gòu)產(chǎn)品手冊(cè)[Z].2004.

[3] Dukarevich I S，Gol’dshtein L Y.Chemical Heat Treatment of Carburized Helical Gear Wheels[J].Metal Science & Heat Treatment，1991，33（2）：134-136.

[4] 內(nèi)藤武志.滲碳淬火實(shí)用技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1985.