500 kV斷路器合閘電阻故障分析及運行建議

彭翔天，高 燃，萬禮嵩，馬 凱，丁學(xué)飛

(國網(wǎng)安徽省電力有限公司檢修分公司，安徽 合肥 230009)

在當(dāng)代社會中，人們對電力需求越來越大，對供電質(zhì)量的要求也越來越高，500 kV變電站具有輸送功率大、傳送距離遠等優(yōu)點，已成為電力主網(wǎng)的重要組成部分，500 kV斷路器是整個供電系統(tǒng)十分重要的一部分[1]，其可靠性關(guān)乎整個電網(wǎng)的穩(wěn)定性，確保500 kV斷路器的正常工作，對保證電力系統(tǒng)的可靠安全運行具有重要意義[2]。在電力系統(tǒng)中，線路空載合閘是常見的操作，尤其是在長距離超高壓輸電線路中，在斷路器上裝設(shè)合閘電阻是作為限制合空線過電壓的主要措施[3-10]。在斷路器合閘過程中，安裝合閘電阻成為控制高壓輸電線電壓、降低安全風(fēng)險的重要手段。但裝有合閘電阻的斷路器機構(gòu)復(fù)雜、價格昂貴，同時故障率高，降低了斷路器的安全性[11]，因此開展對合閘電阻故障研究具有重要意義。

1 概述

2018年12月5日，安徽某500 kV變電站進行斷路器(型號為LW10B-550帶合閘電阻)投切空載線路試驗，到第3回“C-OCO”時，主斷口第2次“O”后20 s，該斷路器C相合閘電阻損壞，故障錄波如圖1所示。

由圖1顯示，在該斷路器 C 相進行“C-OCO”操作后主斷口分閘，但有180 A的小電流持續(xù)存在， 20 s后電流消失。現(xiàn)場運維人員檢查發(fā)現(xiàn)，該斷路器C相起火，火勢熄滅后現(xiàn)場人員檢查該斷路器C相機構(gòu)為分閘位置，SF6氣體壓力為0 MPa，2個合閘電阻均已燒毀，相鄰斷路器的瓷瓶發(fā)生不同程度的損傷。

2 故障斷路器基本信息

該斷路器為河南平高電氣股份有限公司(簡稱平高電氣)產(chǎn)品，型號為LW10N-550，現(xiàn)場安裝時，發(fā)現(xiàn)其中1臺斷路器缺少合閘電阻，要求立即補發(fā)。廠家緊急組織生產(chǎn)1臺帶合閘電阻的滅弧室組件，利用工廠內(nèi)的操作機構(gòu)、支柱進行了完整出廠試驗，各項指標均合格，隨后發(fā)往現(xiàn)場，替換其中1臺斷路器原滅弧室組件，利用現(xiàn)場原有的支柱和操作機構(gòu)總裝。發(fā)生故障的斷路器正是現(xiàn)場組裝滅弧室的斷路器。

3 合閘電阻結(jié)構(gòu)與原理

合閘電阻主要用于抑制電力系統(tǒng)投切空載線路時產(chǎn)生的過電壓[12]，在斷路器主觸點接觸前，合閘電阻提前 8～11 ms投入，吸收過電壓產(chǎn)生的能量，25～50 ms內(nèi)合閘電阻退出系統(tǒng)[13-14]。 如圖2 所示，五聯(lián)箱中支柱連桿向上運動，帶動拐臂焊裝逆時針轉(zhuǎn)動，拐臂裝配帶動連板驅(qū)動右側(cè)電阻裝配中操作桿，從而帶動合閘電阻動觸頭合閘，彈簧被壓縮；同電阻接點的時序控制器，內(nèi)部的拐臂凸輪運動到半軸的一定位置時(拐臂凸輪驅(qū)動力在半軸的切線方向)，推動力消失，電阻合閘到位，在復(fù)位彈簧的返回驅(qū)動力作用下，電阻動觸頭復(fù)位[15]。主接點和電阻接點時序關(guān)系如圖 3 所示。

4 故障斷路器解體檢查及原因診斷

2019年1月15日，為找出故障原因，平高電氣組織相關(guān)人員對返廠的故障斷路器的合閘電阻進行解體檢查，為便于區(qū)分，圖4右側(cè)電阻斷口標記為 C1，左側(cè)電阻斷口標記為 C2。

4.1 故障產(chǎn)生原因分析

首先，需要對可能導(dǎo)致合閘電阻爆炸的因素進行分析。合閘電阻爆炸的直接原因為電阻斷口接通，電流(或電弧)未切斷，氣體受高溫膨脹。導(dǎo)致電阻斷口接通的可能性有2個：一是電阻未脫開續(xù)流；二是動觸頭未復(fù)位。這2種原因的影響因素有4種：動靜端對中不良卡滯；傳動拐臂卡滯；復(fù)位彈簧性能不良(尺寸、材質(zhì)不合格)；復(fù)位彈簧裝配預(yù)壓力不合格。末端因素推導(dǎo)如圖5所示。

4.2 合閘電阻動靜兩端對中性情況排查

平高電氣針對合閘電阻裝配具有完善的工藝保障措施。在E9級高精度止口配合的結(jié)構(gòu)設(shè)計基礎(chǔ)上，采用插入模擬對中工裝保障靜端同軸度要求，同時采用定位塞塊完成靜端對中固定，進而通過止口完成動端配合裝配，保證合閘電阻動、靜端對中性，對中精度可控制在1.5 mm 以內(nèi)；200次機械磨合后，對合閘電阻進行解體點檢，拆除動端裝配，觀察動端觸頭桿及靜端均壓罩有無異常情況。經(jīng)查詢該故障斷路器裝配檢查卡，該產(chǎn)品嚴格按工藝要求執(zhí)行，裝配過程無異常。結(jié)合該斷路器解體檢查情況。如圖6所示，C1電阻動端觸指分布均勻，靜端觸指無變形，位置居中，可判斷C1電阻裝配對中情況良好。C2斷口靜端觸指無變形，位置居中，內(nèi)壁均勻，可判斷C2電阻裝配對中情況良好。動端觸指略有偏移，主要原因是該斷口爆炸時發(fā)生斷裂，動端觸指部位被甩出本體，爆炸沖擊力導(dǎo)致動觸頭從動端觸指中瞬間脫出，觸指受到側(cè)向力導(dǎo)致偏移。綜合工廠內(nèi)裝配記錄和現(xiàn)場產(chǎn)品解體情況，可確定該斷路器合閘電阻對中性良好，不是導(dǎo)致合閘電阻爆炸的原因。

4.3 驅(qū)動拐臂運動情況排查

現(xiàn)場產(chǎn)品解體檢查，五聯(lián)箱內(nèi)部傳動拐臂運動靈活，連接螺栓緊固位置無松動，手動操作傳動拐臂運轉(zhuǎn)靈活，無卡滯現(xiàn)象，如圖7所示。可確定該斷路器的合閘電阻驅(qū)動拐臂無異常。

4.4 復(fù)位彈簧性能排查

對該斷路器解體后的復(fù)位彈簧進行計量，尺寸、力值等參數(shù)均符合設(shè)計要求，具體數(shù)值見表1，復(fù)位彈簧的尺寸、力矩等參數(shù)均符合設(shè)計要求。

表1 復(fù)位彈簧壓力檢測表

4.5 復(fù)位彈簧裝配預(yù)壓力排查

由于電阻爆炸后，動、靜端裝配變形嚴重，復(fù)位彈簧預(yù)壓力無法復(fù)測，但可以通過其他手段推測。

a.裝配公差推測

復(fù)位彈簧預(yù)壓力與動端拉桿起始位置有關(guān)，動端拉桿由五聯(lián)箱內(nèi)傳動拐臂驅(qū)動。雖然每臺斷路器設(shè)計結(jié)構(gòu)相同，但零件尺寸以及裝配尺寸有較大的誤差累積，每相產(chǎn)品組裝后自然狀態(tài)下的尺寸均不相同。根據(jù)計算，支柱裝配各組部件最大累計公差可達30.1 mm。產(chǎn)品裝配初始位置可能存在偏差±15 mm。根據(jù)彈簧特性計算，彈簧壓縮力將受到6%～14%的影響。因此，滅弧室組件和支柱對接處、支柱和機構(gòu)對接處均設(shè)計為可調(diào)整結(jié)構(gòu)，每相產(chǎn)品總裝時，需進行尺寸測量和初始位置調(diào)整，消除公差累積，確保傳動系統(tǒng)初始位置正確。產(chǎn)品裝配工藝要求滅弧室組件和支柱配相調(diào)試，調(diào)試完成后對調(diào)整螺桿位置粘膠鎖死。

經(jīng)調(diào)查，該臺故障斷路器出廠試驗時采用工廠內(nèi)支柱，現(xiàn)場組裝時采用原有支柱。雖然產(chǎn)品在工廠內(nèi)按工藝文件要求進行了裝配和試驗，但是由于工廠內(nèi)支柱和現(xiàn)場原有支柱存在尺寸偏差，而現(xiàn)場又未按照工廠內(nèi)測試方法進行滅弧組件和支柱對接尺寸的調(diào)整，導(dǎo)致該斷路器沒有確認傳動系統(tǒng)初始位置即投入使用。

從電阻動端未完全復(fù)位的現(xiàn)象可判斷，現(xiàn)場安裝后五聯(lián)箱拉桿起始位置偏下，即電阻斷口分閘起始位置偏向五聯(lián)箱一側(cè)，導(dǎo)致復(fù)位彈簧預(yù)壓力不足，進而導(dǎo)致壓縮后復(fù)位驅(qū)動力不足，而觸頭摩擦力和機械傳動損失存在一定范圍內(nèi)的分散性，最終導(dǎo)致某次合閘后動觸頭不能完全復(fù)位。

b.電阻動觸頭分閘位置的推測

現(xiàn)場故障錄波顯示，主接點分開前后，持續(xù)保持180 A電流，進行分合分操作過程中，可推斷主接點分開后，合閘電阻接點仍然接通。

合閘電阻 C1斷口動觸頭端部存在明顯燒蝕痕跡，如圖8所示，端部球形表面已成尖端，局部附著黑色氧化金屬斑塊，靜端均壓罩表面大量的灼燒斑點。如果動觸頭插入電阻靜端未脫開，金屬材料不會發(fā)生形態(tài)變化和灼燒斑點，從動觸頭和均壓罩典型的放電痕跡可以判斷，C1斷口動觸頭分閘過程出現(xiàn)異常，分閘時形成電弧并不斷灼燒動觸頭與靜端均壓罩。

合閘電阻C2斷口動觸頭桿丟失，但靜端均壓罩表面同樣存在大量灼燒斑點，可判斷 C2斷口與 C1斷口情況一致。 由于電阻復(fù)位彈簧預(yù)壓力不足，導(dǎo)致合閘過程中，電阻動端返回速度緩慢，未在規(guī)定時間內(nèi)完成復(fù)位動作。主接點分閘過程中，電阻動觸頭開始脫離靜端，導(dǎo)致電阻斷口分閘過程出現(xiàn)電弧通道，隨著彈簧驅(qū)動力的消失，動觸頭停留在中間某一位置，電弧持續(xù)，直至合閘電阻爆炸。

5 結(jié)論

結(jié)合工廠內(nèi)記錄和解體點檢情況，排除了電阻裝配動靜端對中不良、驅(qū)動拐臂卡滯、復(fù)位彈簧材質(zhì)不合格因素，確定本次斷路器電阻爆炸的原因是滅弧組件和支柱未配相進行裝配和發(fā)運，現(xiàn)場安裝時也未對支柱上端連接螺桿進行調(diào)整，導(dǎo)致傳動系統(tǒng)初始位置偏移，電阻復(fù)位彈簧預(yù)壓力降低，復(fù)位彈簧返回驅(qū)動力不足。在電阻動觸頭完成合閘動作后，由于驅(qū)動力不足，返回速度緩慢，未先于主接點分開。在主接點分閘后(或分閘的同時)，電阻動觸頭開始脫離靜端并產(chǎn)生電弧，電流持續(xù)保持。由于復(fù)位彈簧返回力不足，在電弧持續(xù)過程中，推測動觸頭停止在某個位置。持續(xù)20 s 后，電弧產(chǎn)生的能量聚集導(dǎo)致電阻片外裹的絕緣筒燃燒，氣體壓力驟升，最終導(dǎo)致瓷套爆炸。根據(jù)分析，建議從以下幾個方面優(yōu)化合閘電阻的生產(chǎn)與裝配工藝，以提高合閘電阻在運行中的可靠性。

a.強化工廠裝配工藝標準執(zhí)行力度。工廠內(nèi)應(yīng)嚴格執(zhí)行裝配工藝規(guī)定的配相完整試驗和發(fā)運要求，未經(jīng)技術(shù)部門確認不允許任何形式的變更；現(xiàn)場安裝作業(yè)指導(dǎo)書中增加產(chǎn)品編碼標簽(配相配臺)點檢，避免產(chǎn)品誤裝。

b.現(xiàn)場安裝和交接試驗增加合閘電阻檢測內(nèi)容?，F(xiàn)場交接試驗中增加電阻拐臂動作情況觀察，具體方法為產(chǎn)品裝配完成后操作機構(gòu)慢分慢合動作，觀察五聯(lián)箱內(nèi)電阻拐臂投入后是否返回；現(xiàn)場交接試驗中在合閘電阻阻值測量和提前投入時間測量之外，追加合閘電阻退出時間檢測。