500 kV開關(guān)彈簧機構(gòu)支架螺栓斷裂的原因分析及處理

趙廣方，陳 營，姜 磊，殷浩倫

（國網(wǎng)山東省電力公司檢修公司，山東 濟南 250118）

0 引言

近年來，隨著超高壓電網(wǎng)的快速發(fā)展，500 kV開關(guān)在全國范圍內(nèi)得到了廣泛應用。早期，由于國內(nèi)開關(guān)廠家對超高壓開關(guān)的生產(chǎn)研發(fā)剛剛起步，500 kV超高壓開關(guān)多為國外公司產(chǎn)品。在實際運行中，檢修人員發(fā)現(xiàn)HPL500B2型斷路器的彈簧機構(gòu)支架螺栓（BA螺栓）發(fā)生了多次斷裂故障，影響供電可靠性。以一起500 kV開關(guān)BA螺栓斷裂故障為例，分析分析BA螺栓斷裂原因并找出解決方法。

1 故障分析

2015－05－15，工作人員對某500 kV變電站巡視過程中發(fā)現(xiàn)，HPL500B2型彈簧機構(gòu)的機構(gòu)箱內(nèi)有斷裂的螺絲帽，如圖1所示。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，斷裂的螺栓為BA支架固定螺栓，如圖2所示。

圖1 清掃發(fā)現(xiàn)的斷裂的螺絲帽

圖2 斷裂的螺栓和正常螺栓對比

彈簧機構(gòu)支架分上下箱體2部分，上下2部分箱體依靠兩端的貫穿長螺栓和上下箱體對接周圍的6顆BA螺栓固定，支架起到支撐和固定內(nèi)部齒輪、彈簧、傳動桿等部件的作用，如圖3所示。如果支架上下連接不緊密，則其內(nèi)部的齒輪就存在無法有效咬合的風險，導致相關(guān)保持摯子無法脫扣、彈簧機構(gòu)無法輸出能量，開關(guān)則不能進行正常的分閘、合閘工作［1］。

圖3 BA螺栓安裝示意

為探尋BA螺栓斷裂的原因，需要分析BA螺栓的受力情況。正常運行時，BA螺栓承受上下箱體的重力作用以及分合閘時彈簧巨大震動產(chǎn)生的水平拉力，如圖4所示。

圖4 BA螺栓受力示意

該型號開關(guān)所選用的BA螺栓為M12.9級高強度螺栓，允許的最大扭斷力矩為90 N·m。2012年之前出廠的彈簧機構(gòu)BA螺栓一直采用79 N·m的力矩，接近其扭斷力矩，使得作用在BA螺栓上的力偏高，螺栓安全系數(shù)僅為12%，安全系數(shù)較低。在彈簧機構(gòu)多次巨大分合閘作用力沖擊下，BA螺栓即有發(fā)生斷裂的可能。將BA螺栓的預緊固力矩降低至45 N·m，螺栓的安全系數(shù)提高至50%。經(jīng)檢查，螺栓斷裂位置在桿部和頭部交接處，裝配擰緊時螺栓主要受扭轉(zhuǎn)載荷，此時，主應力與軸線成45°，而切應力則與軸線垂直。從斷口看，裂紋開始區(qū)與軸線成45°角，表現(xiàn)為扭轉(zhuǎn)時的正斷斷口，是正應力作用的結(jié)果。而瞬斷區(qū)與軸線垂直，瞬斷區(qū)面積占總斷口面積的大部分，說明斷裂時應力較大或材料強度不足。

2 處理方法

若BA螺栓斷裂，其危害主要體現(xiàn)在兩方面：一方面，斷裂的螺栓很可能落入正下方的合閘彈簧內(nèi)部，造成合閘彈簧損毀，導致開關(guān)無法正常操作甚至造成機構(gòu)嚴重損壞；另一方面，即使斷裂的螺栓很幸運未落入合閘彈簧內(nèi)部，剩下的螺栓受力將變大，進一步加大螺栓斷裂的風險，造成連鎖斷裂反應。在分合閘巨大的作用力下，容易造成上下BA箱體連接不牢固，使得機構(gòu)齒輪難以有效咬合，造成機構(gòu)無法儲能、傳動機構(gòu)損毀等情況，導致開關(guān)無法正常操作［2］。

為解決BA螺栓發(fā)生斷裂的問題，需對目前所用BA螺栓進行更換。將BA螺栓緊固力矩變更為45 N·m，以降低螺栓預緊力，提高安全系數(shù)。

2.1 BA螺栓更換注意事項

BA螺栓更換應停電進行。在螺栓更換開始前，必須將彈簧機構(gòu)的能量完全釋放，并斷開其控制電源盒儲能電源，確保作業(yè)過程中彈簧機構(gòu)不會對作業(yè)人員造成人身傷害。

由于6顆BA螺栓中有4顆位于機構(gòu)內(nèi)部，無法直接拆除，需逐步拆除其外側(cè)部件。更換順序依次為：拆除后擋板，拆除手動儲能指示牌，拆除驅(qū)動，更換BA螺栓。

更換完畢后，按相反順序安裝好驅(qū)動、手動儲能指示牌。其中需注意以下5點［3］。

1）6顆BA螺栓更換后的緊固力矩為45 N·m；

2）4顆固定驅(qū)動的螺栓緊固力矩為40 N·m；

3）3顆固定手動儲能指示牌的螺栓緊固力矩為10 N·m；

4）上述螺栓緊固前，應涂抹螺栓防松膠；

5）若發(fā)現(xiàn)有斷裂的BA螺栓，必須找到其斷裂部分，防止落入鏈條中。

2.2 彈簧調(diào)整步驟

HPL500B2系列彈簧機構(gòu)的分閘、合閘彈簧在出廠裝配時都存在一定預壓縮量，預壓縮量越大，則提供給分閘、合閘的能量就越大，分閘、合閘速度就越快，相應時間就越少。因此，分閘、合閘彈簧的預壓縮量直接影響開關(guān)的機械特性。

按照設備生產(chǎn)廠家的要求，開關(guān)運行10年左右，其彈簧拉力下降，導致機構(gòu)分合閘時間、分合閘速度不滿足要求，需做機械特性試驗以檢查彈簧是否疲勞并通過調(diào)節(jié)分閘、合閘彈簧的預置壓力，調(diào)節(jié)分合閘速度以及分合閘時間，使各項參數(shù)符合要求。HPL500B2系列彈簧機構(gòu)機械特性的主要參數(shù)為：合閘時間≤65 ms；分閘時間 18～22 ms；合分時間 30～45 ms； 合閘速度 4.9～5.2 m／s； 分閘速度8.3～8.7 m／s。

合閘彈簧調(diào)整步驟。此型號的合閘彈簧壓縮方式為向下壓縮，先將合閘彈簧的固定螺栓松開，然后用千斤頂逐步向下壓縮合閘彈簧，壓縮完畢后，再將合閘彈簧的固定螺栓緊固［4-5］，如圖5所示。向下壓縮合閘彈簧，增大合閘彈簧的預置壓力，可提高機構(gòu)的合閘速度，由于動作行程固定不變，可減少合閘時間。注意，4顆彈簧固定螺栓的緊固力矩為300 N·m。

圖5 調(diào)整合閘彈簧

圖6 分閘彈簧安裝位置

圖7 調(diào)整分閘彈簧

分閘彈簧調(diào)整步驟。分閘彈簧位于機構(gòu)箱旁邊單獨分閘彈簧筒內(nèi)，如圖6所示。分閘彈簧的壓縮方式為向上壓縮，先將分閘彈簧的固定螺栓松開，然后對分閘彈簧進行壓縮，壓縮完畢后，再將分閘彈簧的固定螺栓緊固，如圖7所示。向上壓縮分閘彈簧，增大分閘彈簧的預置壓力，可提高機構(gòu)的分閘速度，減少分閘時間。

調(diào)整結(jié)束后，恢復所有拆下的螺栓，并重新擰緊，緊固的螺栓應做好位置標記，以后檢查時可直觀反映螺絲是否松動。主連桿應作為重點檢查緊固項，緊固力矩300 N·m。所有螺栓緊固完畢后，傳動齒輪、鏈條等部位涂抹潤滑脂并恢復擋板。

3 結(jié)語

BA螺栓在運行中始終受力，2012年之前出廠的BA螺栓由于緊固力矩過大，接近扭斷力矩極限，螺栓安全系數(shù)低。在彈簧機構(gòu)多次巨大分合閘作用力沖擊下，BA螺栓即有發(fā)生斷裂的可能。因此，建議結(jié)合停電更換所有2012年之前出廠的ABB彈簧機構(gòu)BA螺栓。列出BA螺栓更換步驟及注意事項，并詳細介紹分閘、合閘彈簧調(diào)整步驟，為螺栓更換與彈簧機構(gòu)調(diào)整提供參考。