高寒條件下超高壓隔離開關(guān)機械特性研究

齊 超

(大唐黑龍江發(fā)電有限公司，哈爾濱 150078)

0 引 言

隔離開關(guān)的可靠性在很大程度上取決于其機械操作系統(tǒng)的可靠性。隨著國家電網(wǎng)建設(shè)向高寒地區(qū)的全面展開，對高壓隔離開關(guān)的可靠性、壽命等方面的要求越來越高，迫切需要戶外隔離開關(guān)運維技術(shù)的快速發(fā)展。統(tǒng)計表明，高寒地區(qū)的高壓隔離開關(guān)的故障大部分是機械操作系統(tǒng)故障，且多是因低溫環(huán)境導(dǎo)致的導(dǎo)電回路和動作機構(gòu)故障。因此，亟需研究高寒條件下隔離開關(guān)的機械特性，提出可用于監(jiān)測高寒條件隔離開關(guān)運行狀態(tài)的物理量。

目前，學(xué)者關(guān)于隔離開關(guān)機械特性及在線監(jiān)測技術(shù)的研究較多。常林晶等人通過對隔離開關(guān)的傳動模型進行簡化和等效力矩計算，得到了影響隔離開關(guān)操作力矩的關(guān)鍵因素，即與觸頭觸指的接觸壓力、接觸輪廓和傳動連桿的位置有關(guān)，提出了一種基于主軸扭矩的隔離開關(guān)機械狀態(tài)故障診斷方法[1-2]；黃聿琛等人通過研究分析建立了隔離開關(guān)電機電流和轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)矩與不同缺陷情況的對應(yīng)關(guān)系，提取關(guān)鍵特征量，提出了缺陷診斷判據(jù)和方法[3-4]；雷興等人測得隔離開關(guān)處于正常狀態(tài)、軸承卡澀、三相不同期、合閘不到位等典型機械狀態(tài)的操作力矩-轉(zhuǎn)角曲線，通過對比分析提出了基于操作力矩-轉(zhuǎn)角曲線的縱向比較法與橫向比較法來判斷隔離開關(guān)機械狀態(tài)[5-6]；董洪達(dá)分析了高壓隔離開關(guān)典型機械故障(絕緣子斷裂、操作不靈活、部件銹蝕)的產(chǎn)生原因，闡述了各類機械故障的檢測方法，并通過對比研究，提出了科學(xué)合理的診斷檢修改進措施[7-8]。但上述研究只針對常溫條件，未考慮低溫對各項特性的影響。

針對上述問題，通過建立超高壓隔離開關(guān)的高寒條件試驗平臺，測試并對比分析了低溫對隔離開關(guān)電極定子電流、輸出轉(zhuǎn)軸及輸出功率的影響，為其在高寒環(huán)境下運行狀態(tài)的監(jiān)測與診斷提供數(shù)據(jù)參考。

1 試驗平臺

1.1 隔離開關(guān)試品

該試驗以550 kV防污型雙柱單臂水平伸縮式隔離開關(guān)為試驗對象，為了方便觀察分合閘動作及后期調(diào)試過程，所用試樣未安裝支柱絕緣子、旋轉(zhuǎn)絕緣子以及相應(yīng)位置的均壓環(huán)。但由于齒輪箱處的均壓環(huán)會隨著齒輪箱的運動而運動，為了模擬其對隔離開關(guān)的影響，需在齒輪箱處安裝配重塊，試樣在實驗室及高寒環(huán)境下的布置如圖1、圖2所示。

圖1 隔離開關(guān)實驗室布置圖

圖2 隔離開關(guān)高寒環(huán)境試驗布置圖

1.2 測量系統(tǒng)

為滿足對隔離開關(guān)典型機械特性參數(shù)的測量，分別搭建輸出電機定子電流(電機功率)及轉(zhuǎn)軸應(yīng)變檢測系統(tǒng)。其中，電機功率通過對卡扣式電流互感器、電壓傳感器與電壓探夾的測量而得到，并通過數(shù)據(jù)采集模塊上傳至LabVIEW軟件平臺，其原理如圖3所示。

圖3 功率測試接線原理圖

考慮到在檢修過程中，不允許拆動原有的二次回路，試驗時將卡扣式電流互感器安裝到對應(yīng)的接觸器以及A、C兩相的進線端進行測量，并通過采集模塊將數(shù)據(jù)送至軟件平臺。輸出功率則采用二表法，通過測量兩相電流以及對應(yīng)的線電壓，來計算電機的輸出功率。

同時，在測量隔離開關(guān)轉(zhuǎn)軸應(yīng)變時，為不破壞其原有軸系，采用非植入式檢測系統(tǒng)，將輸出轉(zhuǎn)軸應(yīng)變轉(zhuǎn)化為輸出轉(zhuǎn)軸力矩，勻速驅(qū)動隔離開關(guān)動作，同時測得驅(qū)動隔離開關(guān)動作需要的操作力矩和手動輸入端的轉(zhuǎn)動角度。再根據(jù)機構(gòu)箱內(nèi)減速機的減速比，將測量的操作機構(gòu)箱手動輸入端轉(zhuǎn)角折算為主軸的轉(zhuǎn)角，最終得到操作力矩-轉(zhuǎn)角曲線。

常溫試驗選取溫度為25～35 ℃，同時，為模擬高寒氣候條件，測試時利用低溫箱及室外實際環(huán)境將溫度降為-40～-20 ℃，分、合閘時間均設(shè)定為12 s，在額定操作電壓下，操動5次，并記錄相關(guān)數(shù)據(jù)[9]。

2 高寒環(huán)境對隔離開關(guān)電機定子電流的影響

運用上述設(shè)備測得常溫及高寒環(huán)境下分、合閘電機定子電流曲線，如圖4所示。

圖4 電機定子電流隨分、合閘時間變化曲線

分析圖4可知，由于隔離開關(guān)驅(qū)動電機采用了直接啟動方式，故啟動電流幅值比較大，但分合閘過程中電流幅值較為平穩(wěn)。

與常溫情況相比，高寒環(huán)境下分、合閘電流幅值均明顯增大，且在合閘嚙合過程中存在一個較小的波峰。但由于電機電流僅在負(fù)載較大時會隨之波動，當(dāng)負(fù)載較小時變化不明顯，故難以通過電機電流曲線評判隔離開關(guān)的機械狀態(tài)。

3 高寒環(huán)境對隔離開關(guān)輸出轉(zhuǎn)軸應(yīng)變的影響

測試得到常溫及高寒環(huán)境下狀態(tài)隔離開關(guān)分合閘輸出轉(zhuǎn)軸應(yīng)變曲線，如圖5所示?？梢钥闯?，總體上合閘過程所需力矩較大，力矩變化更為明顯。具體分析可分為4個過程：0°～8.6°，即合閘初始運動階段操作力矩幅值較小，且不隨角度的變化而變化，這是由于此階段上、下導(dǎo)電臂位置基本不發(fā)生改變；8.6°～138.4°，即導(dǎo)電臂展開階段，在該階段合閘曲線先上升后下降，并出現(xiàn)一個較大的波峰，這是由于合閘過程彈簧的形變量與重心的位移量變化速率不一致，當(dāng)彈性勢能變化較大時，主軸轉(zhuǎn)動所需力矩增大，當(dāng)重力勢能變化較大時，主軸轉(zhuǎn)動所需力矩減?。?38.4°～163.8°，觸頭與觸指嚙合階段，該階段合閘曲線存在兩次明顯下降，分別由彈簧形變及重力勢能變化導(dǎo)致；163.8°～182.8°，合閘末尾運動階段，該階段操作力矩變化特性與初始階段相同，這是由于上、下導(dǎo)電臂位置、重力勢能與彈性勢能基本不變。

圖5 輸出轉(zhuǎn)軸應(yīng)變隨分、合閘時間變化曲線

對比得出，高寒環(huán)境及常溫環(huán)境下力矩行程曲線的變化趨勢大致相同，但高寒環(huán)境下幅值平均增大2.26 N·m，分閘過程中幅值增大2.20 N·m。這是由于高寒環(huán)境下金屬受冷收縮，軸承轉(zhuǎn)動過程受到的阻力增大；同時金屬的韌性大幅下降，觸指、導(dǎo)電彎板的形變過程需要克服更大的阻力。

4 高寒環(huán)境對隔離開關(guān)輸出功率的影響

測試得到常溫及高寒環(huán)境下狀態(tài)隔離開關(guān)輸出功率曲線，如圖6所示。分析可知，合閘運動所需的時間略大于分閘運動，且由于彈性勢能與重力勢能時刻發(fā)生改變，難以平衡，故動作過程中導(dǎo)電臂展開或收縮也無法維持勻速，主軸力矩變化較大，分合閘曲線也有較多的波動。

圖6 輸出功率隨分、合閘時間變化曲線

高寒狀態(tài)下，電機的運動時間在分閘和合閘過程中分別下降為10.54 s和10.68 s，且電機功率明顯上升，合閘過程平均輸出功率為518 W，比正常狀態(tài)增加143 W；分閘過程平均輸出功率為439 W，比正常狀態(tài)增加197 W，合、分閘過程做功之比從1.57下降為1.25，試驗規(guī)律與應(yīng)變檢測結(jié)果一致。

5 結(jié) 語

為得到能夠監(jiān)控隔離開關(guān)機械特性的特征量，通過建立試驗平臺，并測試對比常溫環(huán)境及高寒條件下電機定子電流、輸出轉(zhuǎn)軸應(yīng)變及輸出功率隨時間的變化曲線，得到如下結(jié)論：

1)高寒條件下電機電流較常溫條件下增大，但由于合閘過程中電流幅值較為平穩(wěn)，對于動作過程中力矩較小的隔離開關(guān)，難以通過電機電流曲線評判隔離開關(guān)機械狀態(tài)；

2)高寒條件下力矩行程曲線與常溫環(huán)境下輸出轉(zhuǎn)軸應(yīng)變的變化趨勢大致相同，但分合閘過程的操作力矩均明顯增大，分別增加2.26 N·m及2.20 N·m；

3)高寒條件下，分合閘過程電機功率較常溫環(huán)境下明顯上升，且合、分閘做功之比減小，與轉(zhuǎn)軸應(yīng)變隨溫度變化規(guī)律一致。