一起220 kV 彈簧機構(gòu)斷路器合閘故障分析

苗全堂，王 凱，王佳輝，王大鵬 ，于永進

（1.國網(wǎng)山東省電力公司東營供電公司，山東 東營 257100；2.山東科技大學，山東 青島 266590）

0 引言

高壓斷路器是電網(wǎng)中重要的一次設(shè)備，能夠閉合、斷開電網(wǎng)運行中的正常電流和故障電流，是電網(wǎng)控制和保護的主要執(zhí)行設(shè)備。操動機構(gòu)是決定斷路器性能的關(guān)鍵部件之一，主要有彈簧機構(gòu)、電磁機構(gòu)、液壓機構(gòu)3 種型式［1］。其中彈簧機構(gòu)由于結(jié)構(gòu)緊湊、維護簡單、檢修次數(shù)少等諸多優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于220 kV 及以下電壓等級電網(wǎng)中。但分閘、合閘操作失靈仍是彈簧操動機構(gòu)比較常見的故障，一旦發(fā)生類似故障，就會嚴重影響電力系統(tǒng)安全運行［2］。文獻［3-4］介紹了由于分閘摯子及其復位彈簧老化引起的斷路器合后即分故障，文獻［5-6］介紹了由于主軸卡澀導致的斷路器拒合故障，文獻［7-8］介紹了由于分閘脫扣器卡死導致的斷路器拒分故障，但對于凸輪和滾輪距離不合格導致的合閘故障，現(xiàn)有文獻涉及很少。

針對上述問題，就一起由凸輪和滾輪距離不合格導致的典型220 kV 彈簧斷路器合閘故障，進行分析。在進行故障處理及分析過程的基礎(chǔ)上，對今后設(shè)備施工、驗收、檢修提出相應(yīng)措施與建議。

1 故障概況

某220 kV 新建變電站投運送電過程中，第5 次沖擊變壓器時，1 號主變壓器201 斷路器合閘后立即跳開，無法合閘，檢查變壓保護裝置無差動保護動作信息，排除勵磁涌流引起保護誤動的情況。設(shè)備轉(zhuǎn)檢修后，對設(shè)備進行初步檢查，發(fā)現(xiàn)斷路器A 相無法合閘，B、C 兩相可以正常合閘，但隨后非全相保護動作跳開其他兩相，初步確定為斷路器機構(gòu)箱內(nèi)部故障，故障設(shè)備為三相電氣聯(lián)動斷路器，型號為ZF11B-252（L），其單相機構(gòu)如圖1 所示。

2 處理過程

將非全相保護停用后，現(xiàn)場操作斷路器，A 相機構(gòu)合閘不成功，B、C 兩相可以正常合閘。通過對斷路器動作過程進行錄像后發(fā)現(xiàn)，A 相機構(gòu)輸出連桿可以向合閘方向動作，但是隨后立即返回分閘位置。

圖1 故障相單相機構(gòu)

斷路器的分閘機構(gòu)如圖2 所示。將斷路器分閘線圈兩端接線全部從端子排解除后，再次試合，A 相仍然合閘不成功，排除了分閘電磁鐵誤動的可能性。對斷路器A 相分閘電磁鐵進行拆除，再次對斷路器進行試合閘，A 相仍然合不上，排除了分閘電磁鐵頂桿過長導致的合閘后立即分閘。

隨后，對合閘保持摯子及其壓緊彈簧進行了更換，如圖3 所示。更換后，機構(gòu)缺陷仍然未消除。

通過對與儲能棘輪同軸的凸輪和主拐臂上的滾輪進行檢查，發(fā)現(xiàn)主拐臂滾輪卡死（正常情況下可以靈活轉(zhuǎn)動），且滾輪與凸輪表面有凹凸不平的撞擊灼傷痕跡如圖4 所示，判定滾輪與凸輪損壞。

找出故障點后，對主拐臂及其滾輪、凸輪進行更換，隨后，對斷路器進行試合閘，可以進行正常合閘，故障消除。

圖2 分閘機構(gòu)

圖3 合閘保持機構(gòu)

圖4 損壞的凸輪和滾輪

故障處理完成后，使用KoCoS ACTAS 特性測試儀對該斷路器進行了機械特性試驗如圖5 所示，試驗數(shù)據(jù)如表1 所示，與出廠標準值對比，試驗數(shù)據(jù)合格。

圖5 機械特性試驗

表1 機械特性主要測試參數(shù)

3 原因分析

3.1 彈簧機構(gòu)原理

合閘過程。斷路器機構(gòu)分閘已儲能的狀態(tài)如圖6 所示，斷路器接收到合閘信號后，合閘電磁鐵帶電動作，頂桿沖擊合閘摯子，合閘摯子順時針旋轉(zhuǎn)，釋放儲能保持摯子，儲能保持摯子逆時針旋轉(zhuǎn)釋放儲能保持銷，棘輪在合閘彈簧的作用下逆時針旋轉(zhuǎn)，帶動同軸的凸輪逆時針旋轉(zhuǎn)，凸輪撞擊主拐臂上的滾輪，推動主拐臂順時針方向旋轉(zhuǎn)，動觸頭拉桿向上運動完成合閘［9］，同時，壓縮分閘彈簧儲能。合閘到位后，斷路器通過合閘保持摯子卡住主拐臂上的合閘保持銷使斷路器保持在合閘位置。

圖6 機構(gòu)分閘已儲能狀態(tài)

分閘過程。斷路器機構(gòu)合閘狀態(tài)如圖7 所示，斷路器接收到分閘信號以后，分閘電磁鐵帶電動作，頂桿沖擊分閘摯子，分閘摯子順時針轉(zhuǎn)動釋放合閘保持摯子，合閘保持摯子順時針轉(zhuǎn)動釋放合閘保持銷，主拐臂在分閘彈簧力的作用下逆時針轉(zhuǎn)動，動觸頭拉桿向下運動完成分閘［10］。

3.2 故障原因分析

本次故障原因分析如圖8 所示，正常情況下，斷路器合閘時，棘輪在合閘彈簧的作用下開始轉(zhuǎn)動，帶動凸輪轉(zhuǎn)動，凸輪轉(zhuǎn)到一定位置時撞擊主拐臂上的滾輪，滾輪由于內(nèi)部軸承作用，將滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦［11-12］，減小了表面摩擦分力，其軸向分力推動主拐臂向合閘方向運動。主拐臂滾輪內(nèi)的軸承損壞卡死后，凸輪撞擊滾輪時，滾輪受力全部集中在很小的區(qū)域，凸輪與滾輪之間摩擦分力消耗的功增大，導致凸輪傳遞給主拐臂的合閘功減少，主拐臂運動速度減慢、行程減小，還未過合閘死點時（合閘保持摯子卡住主拐臂上合閘保持銷的位置）即在分閘彈簧作用力下開始返回，從而合閘保持不住。

圖7 機構(gòu)合閘狀態(tài)

圖8 故障原因分析

造成上述問題的根本原因是廠家裝配工藝控制不合格。儲能狀態(tài)時，滾輪與凸輪之間的間隙有嚴格的要求，ZF11B-252（L）型GIS 斷路器機構(gòu)滾輪與凸輪間隙出廠值合格范圍為（1.5±0.2）mm，本次故障發(fā)生時測得滾輪與凸輪間隙為0.5 mm，不符合出廠值要求。凸輪為偏心輪，間隙的改變導致凸輪與滾輪接觸時間和接觸點改變，從而改變了滾輪受力大小和方向，隨著分合次數(shù)增加，滾輪內(nèi)部軸承由于受力不均而損壞。

4 結(jié)語

介紹了一起220 kV 組合電器彈簧斷路器因機構(gòu)滾輪與凸輪間隙距離不合格導致的合閘故障，為了防止類似故障再次發(fā)生，總結(jié)了以下幾點建議。

加強設(shè)備驗收管理。到貨驗收，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，仔細檢查斷路器的機構(gòu)，對于滾輪轉(zhuǎn)動不靈活或卡澀的彈簧斷路器給予返廠處理。交接驗收時，用塞尺檢查機構(gòu)的滾輪與凸輪之間的間隙距離應(yīng)合格，要求施工方提供設(shè)備交接機械特性試驗報告，并對調(diào)試過程中的機械特性試驗進行現(xiàn)場關(guān)鍵點見證，防止斷路器帶缺陷投運。

合理安排斷路器維護、檢修計劃，對同批次的斷路器進行排查，檢查是否有類似問題并進行機械特性試驗。

提高設(shè)備運檢質(zhì)量。結(jié)合設(shè)備停電檢修，查看各傳動組件有無異常磨損、變形，檢查彈簧機構(gòu)凸輪與滾輪間隙是否正常，對機構(gòu)傳動軸承涂抹潤滑脂，檢修完后進行機械特性試驗，確保機構(gòu)特性參數(shù)合格。

做好設(shè)備檢修數(shù)據(jù)記錄。每次檢修后的各項測試參數(shù)應(yīng)建檔留存，注意比較機械特性參數(shù)與往年測試數(shù)據(jù)。有的測試參數(shù)雖然在合格范圍內(nèi)，但與歷史數(shù)據(jù)相比發(fā)生了趨勢性、較大的變化，應(yīng)分析其原因，以便對出現(xiàn)劣化傾向的設(shè)備做出針對性處理。