750 kV敞開(kāi)式接地開(kāi)關(guān)異常合閘故障分析

李 娜， 馬飛越， 牛 勃， 相中華， 倪 輝， 劉 博

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 銀川學(xué)院， 銀川 750001； 2.國(guó)網(wǎng)寧夏電力有限公司 電力科學(xué)研究院， 銀川 750002；3.國(guó)網(wǎng)寧夏電力有限公司， 銀川 750002)

1 引 言

接地開(kāi)關(guān)通常被用于釋放被檢修設(shè)備和回路的靜電以及保證停電檢修時(shí)檢修人員人身安全，是一種機(jī)械接地裝置. 它可以在異常情況下耐受一定時(shí)間的電流，但在正常情況下不通過(guò)負(fù)荷電流[1-3]. 接地開(kāi)關(guān)和隔離開(kāi)關(guān)經(jīng)常被組合成一臺(tái)裝置使用. 隔離開(kāi)關(guān)除了具有主觸頭外，還帶有接地開(kāi)關(guān)以用于在分閘后將隔離開(kāi)關(guān)的一端接地[4-6]. 主觸頭和接地開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)機(jī)械聯(lián)鎖，當(dāng)隔離開(kāi)關(guān)閉合時(shí)接地開(kāi)關(guān)不能閉合，而當(dāng)接地開(kāi)關(guān)閉合時(shí)主觸頭不能閉合[7-8]. 750 kV敞開(kāi)式接地開(kāi)關(guān)按導(dǎo)電桿結(jié)構(gòu)型式一般包括直臂式和折臂式兩種，折臂式接地開(kāi)關(guān)迎風(fēng)面積為直臂式接地開(kāi)關(guān)的一半，設(shè)備正常運(yùn)行過(guò)程中隔離開(kāi)關(guān)處于合閘位置，接地開(kāi)關(guān)處于分閘位置，此時(shí)折臂式接地開(kāi)關(guān)風(fēng)載對(duì)各傳動(dòng)部位的影響要小于直臂式接地開(kāi)關(guān)[9-11]. 本文對(duì)系統(tǒng)內(nèi)一起罕見(jiàn)的750 kV變電站敞開(kāi)式接地開(kāi)關(guān)異常合閘故障進(jìn)行分析并提出防范措施，避免在大風(fēng)天氣條件下再次發(fā)生類(lèi)似問(wèn)題.

2 故障簡(jiǎn)述

2018年12月2日，某750 kV變電站750 kV Ⅱ母C相故障，母差保護(hù)動(dòng)作跳閘，一次故障電流23.7 kA，無(wú)負(fù)荷損失，現(xiàn)場(chǎng)無(wú)操作、檢修工作. 保護(hù)動(dòng)作情況：750 kVⅡ母兩套母差保護(hù)均動(dòng)作跳開(kāi)連接于750 kVⅡ母的斷路器. 母線保護(hù)“變化量差動(dòng)”動(dòng)作，20 ms“穩(wěn)態(tài)量差動(dòng)”動(dòng)作，動(dòng)作相別C相，保護(hù)動(dòng)作正確. 現(xiàn)場(chǎng)查看發(fā)現(xiàn)隔離開(kāi)關(guān)處于合閘狀態(tài)，754227接地開(kāi)關(guān)C相異常合閘，A、B兩相保持原分閘位置. 故障設(shè)備型號(hào)為GW7B-800DW，額定電流5 000 A，操動(dòng)機(jī)構(gòu)型號(hào)為CJ6U，操作方式為三相電氣聯(lián)動(dòng)，單相獨(dú)立機(jī)構(gòu). 故障時(shí)環(huán)境溫度0 ℃，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)瞬時(shí)風(fēng)速不小于29 m/s.

3 故障情況檢查

故障后現(xiàn)場(chǎng)檢查75422隔離開(kāi)關(guān)處于分閘狀態(tài)，754227接地開(kāi)關(guān)C相的接地刀桿處于豎直位置，75422隔離開(kāi)關(guān)、754227接地刀閘操作電源未投，接地刀桿上下兩端均有電燒蝕痕跡，接地刀桿上端部的動(dòng)觸頭已經(jīng)進(jìn)入接地靜觸頭，但沒(méi)有翻轉(zhuǎn)，沒(méi)有完全到達(dá)合閘位置，接地刀桿下端部的動(dòng)觸頭也沒(méi)有翻轉(zhuǎn)后與觸片形成可靠動(dòng)接觸. 754227接地刀閘三相機(jī)械位置指示均在分，對(duì)比三相接地刀閘機(jī)構(gòu)、閉鎖板、傳動(dòng)桿位置，機(jī)構(gòu)至水平傳動(dòng)拉桿位置一致，操動(dòng)機(jī)構(gòu)和機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)無(wú)機(jī)械損壞.

進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)，接地刀桿下端部與曲臂連接的四個(gè)螺栓已掉落三個(gè)，僅剩一個(gè)已完全退出螺紋孔，保留在曲臂的孔內(nèi)，螺栓端部有彎曲變形，導(dǎo)電夾螺紋孔部分受損嚴(yán)重. 正常相曲臂與導(dǎo)電夾部位結(jié)構(gòu)如圖1，C相故障相曲臂及導(dǎo)電夾檢查情況如圖2所示.

圖1 正常相接地開(kāi)關(guān)曲臂部位

(b) C相未掉落的螺栓

(c) C相導(dǎo)電夾受損情況

4 故障原因分析

4.1 動(dòng)作過(guò)程分析

1) GW7B-800DW隔離開(kāi)關(guān)配的是直桿式接地開(kāi)關(guān)，其操作是由所配的CJ6U電動(dòng)操動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng). 合閘操作時(shí)，CJ6U機(jī)構(gòu)輸出軸通過(guò)垂直操作桿帶動(dòng)水平聯(lián)桿水平運(yùn)動(dòng)，水平聯(lián)桿帶動(dòng)拐臂和搖臂在水平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)，并通過(guò)曲臂帶動(dòng)接地刀桿在豎直平面旋轉(zhuǎn)，并繞其中心翻轉(zhuǎn)，當(dāng)接地刀桿旋轉(zhuǎn)至接地靜觸頭，導(dǎo)電桿繼續(xù)繞自身軸線翻轉(zhuǎn)，其端部的動(dòng)觸頭與靜觸頭觸片可靠接觸，完成合閘操作. 分閘操作時(shí)，CJ6U機(jī)構(gòu)輸出軸通過(guò)垂直操作桿帶動(dòng)水平聯(lián)桿向相反方向水平運(yùn)動(dòng)，水平聯(lián)桿帶動(dòng)拐臂和搖臂在水平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)，并通過(guò)搖臂帶動(dòng)接地刀桿繞其中心翻轉(zhuǎn)，其端部的動(dòng)觸頭與靜觸頭觸片分開(kāi)后，接地刀桿在豎直平面旋轉(zhuǎn)至水平位置，完成分閘操作[12-13].

2)曲臂與接地刀桿之間的沒(méi)有螺栓連接后，接地刀桿不受機(jī)構(gòu)及傳動(dòng)系統(tǒng)約束，在彈簧平衡力及有外力疊加作用時(shí)，有可能使接地刀桿向合閘方向運(yùn)動(dòng).

同時(shí)曲臂處于自由狀態(tài)，可以繞其下端的軸中心旋轉(zhuǎn). 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)圖2中剩余的一個(gè)螺栓顯示，螺栓端部的變形是由于導(dǎo)電桿在向合閘運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，帶動(dòng)螺栓一起運(yùn)動(dòng)，螺栓也帶動(dòng)曲臂繞自身軸中心翻轉(zhuǎn)一定角度后，螺栓脫離接地刀桿，這時(shí)接地刀桿與曲臂之間也就完全脫開(kāi).

圖3 GW7B-800DW接地開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)圖

4.2 結(jié)構(gòu)件測(cè)量分析

依據(jù)以上現(xiàn)場(chǎng)檢查及動(dòng)作過(guò)程分析可知螺栓脫落部位為圖3中虛線框部位曲臂與導(dǎo)電夾的固定螺栓，結(jié)合圖4該部位相關(guān)零部件設(shè)計(jì)圖紙如，地刀桿下端部螺紋深24 mm，孔深27 mm，使用四個(gè)M12×75，螺紋旋入深度15 mm，按照國(guó)標(biāo)規(guī)定螺栓直徑計(jì)算螺桿旋入深度應(yīng)不小于15 mm相對(duì)應(yīng). 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)傳動(dòng)連接件厚度約60 mm，螺栓墊片厚度約6 mm，螺栓旋入深度約12 mm. 對(duì)拆解后的導(dǎo)電夾依據(jù)插入螺紋深度進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如圖5所示，測(cè)試C相接地開(kāi)關(guān)導(dǎo)電夾4個(gè)螺孔四個(gè)螺栓孔深度分別為22.65、22.58、22.75、22.67 mm，底部綠色銅綠部分為未插入深度，按螺孔螺紋損壞部分測(cè)量螺栓旋入深度分別為12.77、13.38、13.36、12.81 mm. 測(cè)試結(jié)果反應(yīng)螺栓旋入深度不符合標(biāo)準(zhǔn)及廠家設(shè)計(jì)要求，由于制造質(zhì)量未進(jìn)行檢測(cè)控制，鍍鋅鋼制螺栓聯(lián)結(jié)存在旋入深度不足，導(dǎo)致拉脫隱患.

圖4 接地開(kāi)關(guān)曲臂設(shè)計(jì)圖

圖5 螺孔插入深度測(cè)量圖

4.3 材質(zhì)分析

該750 kV變電站隔離開(kāi)關(guān)所配接地開(kāi)關(guān)導(dǎo)電夾部位材質(zhì)為鑄造銅鉻合金，配比為鑄銅鉻0.3合金(ZCuCr0.3)，純銅的特點(diǎn)是具有優(yōu)異的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能，加入鉻元素是為了得到較高的力學(xué)性能和保持高的導(dǎo)電性能，滿(mǎn)足高壓電器產(chǎn)品導(dǎo)體零件的使用性能要求. 對(duì)故障相接地開(kāi)關(guān)進(jìn)行金屬材質(zhì)檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果與廠家工藝要求進(jìn)行對(duì)比，如表1所示，可以看出該接地開(kāi)關(guān)存在鑄造缺陷，導(dǎo)電夾中元素含量不符合廠家控制標(biāo)準(zhǔn)，鉻元素含量已超出0.7%(鉻元素在銅中的最大溶解度),當(dāng)銅中加入的元素超過(guò)它的最大溶解度后，便會(huì)出現(xiàn)過(guò)剩相，數(shù)量多時(shí)會(huì)使強(qiáng)度和塑形同時(shí)大大降低.

表1 接地開(kāi)關(guān)導(dǎo)電夾材質(zhì)檢測(cè)結(jié)果

4.4 風(fēng)力仿真分析

由于該接地刀閘導(dǎo)電桿與傳動(dòng)曲臂連接異常、閉鎖失效，在大風(fēng)外力作用下，平衡彈簧釋能，接地刀閘異常合閘. 為分析接地刀閘在大風(fēng)氣象條件下受力情況，754227接地刀閘分閘狀態(tài)時(shí)導(dǎo)電桿與水平方向接近于0°，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試風(fēng)速29 m/s，風(fēng)向與導(dǎo)電桿轉(zhuǎn)動(dòng)方向平行，依據(jù)導(dǎo)電桿參數(shù)、彈簧參數(shù)進(jìn)行建模，采用ANSYS進(jìn)行有限元受力分析，將此問(wèn)題當(dāng)作穩(wěn)態(tài)問(wèn)題處理，由于風(fēng)速較高，必須考慮湍流效應(yīng)，接地開(kāi)關(guān)阻力來(lái)源于兩部分，一個(gè)是桿前后壓力不對(duì)稱(chēng)而造成的阻力，稱(chēng)為型阻，另外一個(gè)是桿受到的摩擦力，稱(chēng)為摩阻，通常情況下，型阻要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于摩阻[14]. 有限元分析時(shí)，由于阻力系數(shù)在迭代過(guò)程中上下波動(dòng)，因此將3 001至5 000步的值進(jìn)行平均，得到阻力系數(shù)32.746 8， 相應(yīng)的阻力系數(shù)如式(1)所示.

Cd=2D/ρU2L

(1)

由式(1)知，當(dāng)密度ρ=1.225 kg/m3，速度U=1 m/s，長(zhǎng)度L=1 m時(shí)，單位長(zhǎng)度的阻力為D=80.229 5 N/m. 桿全長(zhǎng)H=7.44 m，所以風(fēng)對(duì)桿的總合力矩為M=DH2/2=2 220.498 4 N·m.

接地開(kāi)關(guān)彈簧所屬的連桿機(jī)構(gòu)如下圖7所示，機(jī)構(gòu)a長(zhǎng)度0.132 m,兩個(gè)支撐點(diǎn)距離b為0.716 m，當(dāng)彈簧完全不受力時(shí)(即桿處于垂直位置)，此時(shí)角度135°，長(zhǎng)度c可由三角形的余弦公式得到，c1=0.8147 m；而當(dāng)桿處于水平位置，此時(shí)角度45°，c2=0.6296 m,彈簧最大壓縮量為0.185 1 m. 在桿抬起角度變化時(shí)，根據(jù)余弦公式得到邊長(zhǎng)c，就可以得到彈簧的壓縮量，并根據(jù)胡克定律F=kΔ計(jì)算彈簧提供的力，再根據(jù)海倫公式和面積公式可以得到彈簧力的力臂[15-17].因此通過(guò)上述步驟我們可以得到不同角度下彈簧力的力矩[18-19].運(yùn)動(dòng)過(guò)程中部件之間和內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生摩擦力矩，阻礙桿的運(yùn)動(dòng)[20-24]. 基于上述分析，我們計(jì)算出桿在抬起不同角度時(shí)各力所產(chǎn)生的力矩圖7所示，總作用力矩如圖8所示. 從風(fēng)力仿真分析可以看出，當(dāng)導(dǎo)電桿與水平方向夾角接近7°時(shí)，受風(fēng)力影響風(fēng)力力矩與彈力力矩之和大于重力力矩則導(dǎo)電桿受風(fēng)力影響抬起，在抬起角度逐漸增大時(shí)風(fēng)力力矩逐漸變大，力矩總和不斷增大，造成接地刀閘導(dǎo)電桿合閘.

圖6 彈簧連桿機(jī)構(gòu)示意圖Fig.6 Schematic diagram of spring linkage

圖7 接地開(kāi)關(guān)所有力矩隨角度變化圖

圖8 接地開(kāi)關(guān)總作用力矩隨角度變化圖Fig.8 The diagram of grounding switch total acting torque with angle change

5 驗(yàn)證試驗(yàn)及防范措施

5.1 驗(yàn)證試驗(yàn)

為了驗(yàn)證該750 kV敞開(kāi)式接地開(kāi)關(guān)螺栓脫落問(wèn)題產(chǎn)生的機(jī)理及故障原因，進(jìn)行以下模擬試驗(yàn)：接地開(kāi)關(guān)鉸接機(jī)構(gòu)的四個(gè)M12x75螺栓在未緊固狀態(tài)(彈墊未壓平)見(jiàn)圖3. 繩索或凸輪機(jī)構(gòu)模擬風(fēng)力擺動(dòng)接地刀桿前端，使M12x75螺栓受到交變應(yīng)力作用. 擺動(dòng)按照8 s/次，4千次/天進(jìn)行試驗(yàn)，連續(xù)5天試驗(yàn)，共計(jì)2萬(wàn)次，示意圖見(jiàn)圖9. 模擬試驗(yàn)用CJ6B機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)，擺動(dòng)幅度約230 mm，間隔時(shí)間4 s，CJ6B機(jī)構(gòu)由試驗(yàn)控制臺(tái)控制并計(jì)數(shù)，試驗(yàn)過(guò)程中，定期觀察螺栓是否松動(dòng)及損壞，并做記錄. 試驗(yàn)結(jié)果顯示發(fā)生松動(dòng)時(shí)，試驗(yàn)次數(shù)為7 200次，下側(cè)兩螺栓出現(xiàn)松動(dòng)，緊固標(biāo)記錯(cuò)位，螺栓頭與墊片之間出現(xiàn)間隙，上側(cè)兩螺栓未出現(xiàn)松動(dòng)，松動(dòng)螺栓如圖10所示.

圖9 人工擺動(dòng)驗(yàn)證試驗(yàn)受力圖

圖10 螺栓松動(dòng)模擬分析

5.2 防范措施

該750 kV敞開(kāi)式接地開(kāi)關(guān)異常合閘造成母線跳閘故障雖屬個(gè)例，但暴露出設(shè)備生產(chǎn)廠家在設(shè)計(jì)制造、安裝工藝等方面存在缺陷，并且運(yùn)行維護(hù)單位對(duì)設(shè)備巡視檢查存在盲點(diǎn).為防范接地開(kāi)關(guān)異常合閘故障再次發(fā)生，采取措施主要有：(1)完善變電站巡視制度，結(jié)合全面巡視，使用望遠(yuǎn)鏡、照相機(jī)對(duì)站內(nèi)構(gòu)支架上高處部分、設(shè)備受力部件、緊固件處螺栓進(jìn)行巡視，提早發(fā)現(xiàn)螺栓松動(dòng)等問(wèn)題. (2)按照工藝標(biāo)準(zhǔn)細(xì)化檢修作業(yè)指導(dǎo)卡，增加刀閘螺栓防松措施檢查、力矩檢查等要求，并進(jìn)行鉸接機(jī)構(gòu)連接螺栓涂防松厭氧膠加固. 在螺栓緊固時(shí)按要求涂抹緊固膠，緊固后標(biāo)識(shí). (3)改進(jìn)接地開(kāi)關(guān)分閘托架結(jié)構(gòu)，由單點(diǎn)支撐改進(jìn)為多點(diǎn)接觸，在刀閘底座設(shè)計(jì)安裝導(dǎo)電桿夾緊裝置，將直臂式接地開(kāi)關(guān)改進(jìn)為折臂式，提升該型號(hào)接地刀閘防風(fēng)、抗風(fēng)水平. (4)生產(chǎn)廠家嚴(yán)格鑄銅鉻合金材料鑄造工藝，并按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)及廠家控制要求按照螺栓螺孔深度標(biāo)準(zhǔn)工藝整改. (5)加強(qiáng)巡檢，主要檢查機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)部件無(wú)銹蝕，轉(zhuǎn)動(dòng)正常；隔離開(kāi)關(guān)的雙臂是否升起，曲折位置是否放平；位于隔離開(kāi)關(guān)和地刀之間的五防閉鎖是否工作正常；電機(jī)行程是否到位；手動(dòng)分閘是否存在卡澀；三相分閘同期是否在合格范圍內(nèi)；傳動(dòng)桿是否變位變形[25-27].

6 結(jié) 論

(1)通過(guò)該變電站750 kV敞開(kāi)式接地開(kāi)關(guān)現(xiàn)場(chǎng)故障檢查及動(dòng)作過(guò)程分析，接地開(kāi)關(guān)部位底部在長(zhǎng)期振動(dòng)過(guò)程中松動(dòng)脫落是運(yùn)行狀態(tài)下異常合閘的直接原因.

(2)對(duì)接地開(kāi)關(guān)曲臂部位材質(zhì)檢測(cè)，并開(kāi)展導(dǎo)電桿風(fēng)力仿真，確定了大風(fēng)天氣下異常合閘故障本因是設(shè)備傳動(dòng)部位設(shè)計(jì)不合理，材質(zhì)工藝把控不嚴(yán)引起.

(3)開(kāi)展同型式接地開(kāi)關(guān)驗(yàn)證試驗(yàn)，模擬風(fēng)力擺動(dòng)接地刀桿曲臂部位螺栓狀態(tài)，與分析結(jié)論一致，并進(jìn)一步提出防范措施，防止同類(lèi)型設(shè)備再次發(fā)生故障.