3AP2—FI型斷路器FA5操動(dòng)機(jī)構(gòu)殼體開裂原因分析及整改措施

秦秉東 張 晨 阮彥俊 趙偉杰

3AP2—FI型斷路器FA5操動(dòng)機(jī)構(gòu)殼體開裂原因分析及整改措施

秦秉東1張 晨1阮彥俊1趙偉杰2

（1. 中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司超高壓輸電公司廣州局，廣州 510000； 2. 中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司超高壓輸電公司昆明局，昆明 650000）

斷路器是交直流輸電系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，在交直流輸電系統(tǒng)的運(yùn)行中，斷路器設(shè)備不僅故障頻次高、故障類型繁多，故障原因也尤為復(fù)雜，深究斷路器的機(jī)械原理，分析斷路器的故障原因并提出相應(yīng)的改進(jìn)措施對(duì)直流系統(tǒng)的正常穩(wěn)定運(yùn)行尤為重要。本文對(duì)某換流站500kV 3AP2—FI型斷路器FA5操動(dòng)機(jī)構(gòu)的殼體開裂進(jìn)行原因分析和整改策略研究。通過對(duì)異常斷路器機(jī)構(gòu)解體檢查，基于設(shè)備的機(jī)械原理分析和解體檢查現(xiàn)象，分析得出斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)殼體開裂是由斷路器儲(chǔ)能電動(dòng)機(jī)輸出功率偏大導(dǎo)致。針對(duì)異常原因，本文給出相應(yīng)的整改措施，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了其可行性和有效性。

斷路器；操動(dòng)機(jī)構(gòu)開裂；儲(chǔ)能電動(dòng)機(jī)

0 引言

斷路器是交直流輸電系統(tǒng)中用于接通和開斷電流的關(guān)鍵設(shè)備，500kV高壓斷路器由于所需操作功大，往往設(shè)計(jì)復(fù)雜，機(jī)械零部件繁多且結(jié)構(gòu)配合精巧，導(dǎo)致斷路器在運(yùn)維過程中故障頻次高、故障類型多且故障原因復(fù)雜[1-3]。斷路器的運(yùn)行可靠性很大程度上取決于其操動(dòng)機(jī)構(gòu)的可靠性，故障統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)故障導(dǎo)致的電網(wǎng)事故嚴(yán)重影響電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行[4-6]。

目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)不同類別斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)的常見故障均進(jìn)行了深入的探討研究，3AP2—FI型斷路器作為500kV高壓斷路器的常用選型之一，其FA5操動(dòng)機(jī)構(gòu)由于機(jī)械部件配合和力學(xué)傳遞關(guān)系精巧，易出現(xiàn)機(jī)械機(jī)構(gòu)異常情況且難以分析[7-11]。

本文針對(duì)南方電網(wǎng)某換流站出現(xiàn)的3AP2—FI型斷路器FA5操動(dòng)機(jī)構(gòu)殼體開裂事件，進(jìn)行機(jī)構(gòu)的機(jī)械動(dòng)作原理分析，結(jié)合機(jī)構(gòu)解體檢查現(xiàn)象，確定開裂事件是由儲(chǔ)能電動(dòng)機(jī)輸出功率偏大引起。通過對(duì)電動(dòng)機(jī)參數(shù)的選型和改進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作原理來(lái)避免該類異常再次發(fā)生，試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果驗(yàn)證了改進(jìn)措施的可行性和有效性。

1 機(jī)構(gòu)儲(chǔ)能原理

3AP2—FI型斷路器采用FA5彈簧儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)，其儲(chǔ)能工作原理分析如下：儲(chǔ)能起始，電動(dòng)機(jī)得電起動(dòng)，帶動(dòng)齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)，固定在大齒輪盤上的頂桿（見圖1中部件4）沿小凸輪（見圖1中部件5）外輪廓進(jìn)行逆時(shí)針運(yùn)動(dòng)，直至作用在小凸輪的卡槽處，并推動(dòng)小凸輪運(yùn)動(dòng)，如圖1（a）所示。

圖1 儲(chǔ)能過程各元件相對(duì)位置

由于小凸輪固定在儲(chǔ)能軸上，小凸輪的運(yùn)動(dòng)將帶動(dòng)主軸轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行合閘彈簧壓縮，彈簧壓縮至要求值時(shí)儲(chǔ)能完成，同時(shí)電動(dòng)機(jī)通過輔助開關(guān)切斷，而頂桿在三角板（見圖1中部件1）的作用下從小凸輪的卡槽處滑出，使大齒輪與儲(chǔ)能軸分離，如圖1（b）所示。合閘彈簧在正常完成儲(chǔ)能過程時(shí)，儲(chǔ)能拉桿會(huì)過死點(diǎn)并被合閘脫扣器頂住，合閘彈簧中儲(chǔ)存的能量被有效保持[12-14]。

完成儲(chǔ)能后，頂桿由于慣性將繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)一段行程后停止，此時(shí)定義頂桿與三角板間角度為儲(chǔ)能后過沖角度，如圖1（c）所示。

當(dāng)斷路器得到合閘指令后，通過合閘脫扣器的動(dòng)作，使合閘彈簧釋放能量，固定在儲(chǔ)能軸上的大凸輪會(huì)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，在帶動(dòng)分閘彈簧儲(chǔ)能的同時(shí)完成滅弧室的合閘動(dòng)作，多余的能量會(huì)被合閘緩沖器吸收，但由于慣性，大凸輪會(huì)多轉(zhuǎn)動(dòng)10°～20°后回?cái)[，同時(shí)也會(huì)帶動(dòng)小凸輪進(jìn)行回?cái)[，此時(shí)定義頂桿與小凸輪間角度為，如圖1（d）所示。

2 異?，F(xiàn)象及原因分析

近期，某±500kV換流站發(fā)現(xiàn)多起3AP2—FI型斷路器FA5操動(dòng)機(jī)構(gòu)殼體開裂事件，裂紋位置均處于操動(dòng)機(jī)構(gòu)箱背面大儲(chǔ)能齒輪下方、分閘線圈并聯(lián)電阻右側(cè)，如圖2所示。

圖2 裂紋操動(dòng)機(jī)構(gòu)

圖2所示出現(xiàn)異常的3AP2—FI型斷路器采用FA5型操動(dòng)機(jī)構(gòu)，已投運(yùn)7年，動(dòng)作次數(shù)為385次。該換流站共有同類斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)162臺(tái)，為進(jìn)一步查明異常原因，本文對(duì)異常機(jī)構(gòu)開展解體檢查，以期分析異常原因。

2.1 操動(dòng)機(jī)構(gòu)鑄件殼體材質(zhì)檢查

首先對(duì)出現(xiàn)裂紋的殼體鑄件進(jìn)行相應(yīng)的材質(zhì)檢測(cè)，除已經(jīng)產(chǎn)生的裂紋外，其余區(qū)域的探傷檢測(cè)未發(fā)現(xiàn)異常，殼體材質(zhì)的化學(xué)成分、硬度和伸長(zhǎng)率均符合要求?；跈z測(cè)情況，確認(rèn)殼體鑄件本身材質(zhì)問題不是造成殼體裂紋的原因。

2.2 小凸輪卡槽異常磨損

對(duì)操動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)一步解體檢查發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)殼體裂紋的異常機(jī)構(gòu)均存在類似異常點(diǎn)，即操動(dòng)機(jī)構(gòu)儲(chǔ)能齒輪小凸輪卡槽處存在異常磨損，如圖3所示，而其他操作次數(shù)接近的正常機(jī)構(gòu)，小凸輪卡槽表面均完好，依此可判定殼體出現(xiàn)裂紋與小凸輪卡槽表面的異常磨損存在重要關(guān)聯(lián)。

圖3 小凸輪上的明顯磨損

2.3 原因分析

1）操動(dòng)機(jī)構(gòu)裂紋直接原因分析

基于前文所述機(jī)構(gòu)儲(chǔ)能原理，在儲(chǔ)能過程中，儲(chǔ)能拉桿尚未過死點(diǎn)時(shí)（未完全儲(chǔ)能狀態(tài)），儲(chǔ)能拉桿無(wú)法被合閘脫扣器頂住，如頂桿（見圖1中部件4）與小凸輪（見圖1中部件5）間由于接觸面間存在異常磨損導(dǎo)致突發(fā)性滑脫，在合閘彈簧已儲(chǔ)存的部分能量的驅(qū)動(dòng)下，儲(chǔ)能拉桿反向運(yùn)動(dòng)，此時(shí)合閘彈簧中儲(chǔ)存的能量?jī)H有一個(gè)去向，即拉動(dòng)機(jī)構(gòu)直接反向擊打在合閘緩沖器上，并通過軸承將壓力最終作用至殼體本身。此時(shí)合閘彈簧中儲(chǔ)存的能量超出合閘緩沖器所能承受的限值，能量擴(kuò)散至機(jī)構(gòu)殼體，進(jìn)而造成機(jī)構(gòu)殼體開裂。此分析結(jié)果也從殼體裂紋區(qū)域位置為合閘緩沖器背部得到印證，如圖4所示。

圖4 殼體裂紋區(qū)域

因此可以判斷造成此類操動(dòng)機(jī)構(gòu)殼體開裂異常的直接原因?yàn)椋盒⊥馆喌漠惓Ｄp增大了離合裝置在儲(chǔ)能過程中滑落的可能性。一旦小凸輪在儲(chǔ)能未過死點(diǎn)時(shí)滑落，大儲(chǔ)能齒輪在合閘彈簧的拉力下向反方向運(yùn)動(dòng)，直接反打在合閘緩沖器上，合閘緩沖器儲(chǔ)能超過閾值，多余能量無(wú)法被有效釋放，最終造成機(jī)構(gòu)殼體開裂。

2）小凸輪尖角邊緣磨損原因分析

機(jī)構(gòu)完成儲(chǔ)能過程后，若儲(chǔ)能后過沖角度過大，即頂桿與小凸輪間角度過小，距離過近，在機(jī)構(gòu)合閘后小凸輪將存在回?cái)[，過小可能導(dǎo)致小凸輪回?cái)[時(shí)，小凸輪尖角直接撞擊頂桿，由于頂桿的硬度（30～38HRC）大于小凸輪的硬度（20～28HRC），進(jìn)而導(dǎo)致小凸輪卡槽的邊緣受損。

由于合閘后小凸輪回復(fù)至圖1（d）所示位置，因此可以認(rèn)定在儲(chǔ)能后頂桿與小凸輪角度至少應(yīng)大于60°，即頂桿與三角板間角度（儲(chǔ)能后過沖角度）小于120°為安全區(qū)域，可以防止小凸輪卡槽邊緣與頂桿碰撞。

因此，小凸輪尖角邊緣磨損原因可確定為：儲(chǔ)能電動(dòng)機(jī)輸出功率偏大，導(dǎo)致其轉(zhuǎn)速過快，過死點(diǎn)后雖然儲(chǔ)能回路斷電，但電動(dòng)機(jī)及一級(jí)和二級(jí)減速齒輪的慣性偏大，使得頂桿停止角度超過安全區(qū)域。頂桿與小凸輪間角度過小，距離過近，在小凸輪回?cái)[時(shí)，小凸輪尖角直接撞擊頂桿，從而導(dǎo)致小凸輪卡槽的邊緣受損。

3 整改措施

根據(jù)異常原因分析結(jié)果，對(duì)儲(chǔ)能電動(dòng)機(jī)進(jìn)行升級(jí)，采用合理降低其輸出功率的整改措施。升級(jí)后的新型儲(chǔ)能電動(dòng)機(jī)應(yīng)滿足如下設(shè)計(jì)要求：

1）能夠有效控制FA5機(jī)構(gòu)的儲(chǔ)能過沖角度，使得儲(chǔ)能后頂桿過沖角位于120°以內(nèi)的安全區(qū)域。

2）在低電壓、額定電壓、高電壓下，新型儲(chǔ)能電動(dòng)機(jī)在最大扭矩（儲(chǔ)能彈簧壓縮65%）及儲(chǔ)能彈簧壓縮90%的情況下均能成功中程起動(dòng)。

3）額定電壓下儲(chǔ)能時(shí)間小于等于20s。

4）在低電壓、額定電壓、高電壓下，該電動(dòng)機(jī)換向器產(chǎn)生的火花在正常范圍內(nèi)。

由于復(fù)勵(lì)電動(dòng)機(jī)綜合并勵(lì)式電動(dòng)機(jī)和串勵(lì)式電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，既能保證良好的機(jī)械特性，又能保證其安全運(yùn)行[15]。因此本文選用復(fù)勵(lì)電動(dòng)機(jī)作為新型電動(dòng)機(jī)，所選電動(dòng)機(jī)規(guī)格參數(shù)：額定電壓為AC/DC 220V，額定功率為580W，額定轉(zhuǎn)速為5 000r/min，型號(hào)為HDZ—25850BL。

為驗(yàn)證新型電動(dòng)機(jī)的儲(chǔ)能功能，對(duì)其開展驗(yàn)證測(cè)試，具體測(cè)試項(xiàng)目如下：

1）電動(dòng)機(jī)儲(chǔ)能過程的電流、儲(chǔ)能時(shí)間和儲(chǔ)能后過沖角度的測(cè)量。

2）在低電壓、額定電壓和高電壓下分別測(cè)試儲(chǔ)能彈簧壓縮65%時(shí)的中程起動(dòng)情況（最大轉(zhuǎn)矩）和儲(chǔ)能彈簧壓縮90%時(shí)的中程起動(dòng)情況。

3）進(jìn)行80次儲(chǔ)能循環(huán)操作，記錄儲(chǔ)能時(shí)間，并觀察儲(chǔ)能過程有無(wú)異常。試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

由試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)可知，新型復(fù)勵(lì)電動(dòng)機(jī)在低電壓（AC 187V）、高電壓（AC 242V）、額定電壓（AC 220V）下完整儲(chǔ)能及中程起動(dòng)后頂桿過沖角均不大于12.5°（要求小于120°），且換向器火花均正常。新型復(fù)勵(lì)電動(dòng)機(jī)在額定電壓（AC 220V）的儲(chǔ)能時(shí)間均不大于19s（要求不大于20s）。試驗(yàn)相關(guān)圖片如圖5所示。

試驗(yàn)結(jié)果表明，按照設(shè)計(jì)要求升級(jí)后的新型復(fù)勵(lì)電動(dòng)機(jī)能有效抑制電動(dòng)機(jī)的過沖角度并滿足其他所需功能，充分證明了原因分析結(jié)果的正確性和整改措施的可行性與有效性。

目前已將新型復(fù)勵(lì)電動(dòng)機(jī)用于該±500kV換流站共計(jì)162臺(tái)斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)，更換后162臺(tái)斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)儲(chǔ)能后過沖角度均小于30°，且未再出現(xiàn)儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)開裂的情況。

4 結(jié)論

本文針對(duì)某換流站500kV 3AP2—FI型斷路器的FA5操動(dòng)機(jī)構(gòu)開裂事件，通過對(duì)異常斷路器機(jī)構(gòu)的解體檢查，判明斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)開裂主要由斷路器儲(chǔ)能電動(dòng)機(jī)輸出功率偏大導(dǎo)致。針對(duì)上述問題，本文提出采用一種新型復(fù)勵(lì)儲(chǔ)能電動(dòng)機(jī)，并對(duì)電機(jī)提出了參數(shù)設(shè)計(jì)要求，通過試驗(yàn)驗(yàn)證了該新型電動(dòng)機(jī)能有效減小過沖角度，在后續(xù)的實(shí)際應(yīng)用中，162臺(tái)斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)在更換新型電動(dòng)機(jī)后均沒有再出現(xiàn)儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)開裂的情況，驗(yàn)證了整改措施的可行性和有效性，從而提高了直流輸電系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

[1] 郭賢珊. 高壓開關(guān)設(shè)備生產(chǎn)運(yùn)行實(shí)用技術(shù)[M]. 北京:中國(guó)電力出版社, 2006.

[2] 林莘. 現(xiàn)代高壓電器技術(shù)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2002.

[3] 林偉茂, 李佳曼. 一起斷路器反復(fù)合閘事件分析及其解決方案[J]. 電氣技術(shù), 2019, 20(6): 95-98.

[4] 徐國(guó)政. 高壓斷路器原理和應(yīng)用[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社, 2000.

[5] 王坤, 劉榮海, 楊迎春, 等. 彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真及應(yīng)力分析[J]. 云南電力技術(shù), 2017, 45(3): 100- 105, 116.

[6] 黃翔. 高壓斷路器壽命及可靠性評(píng)估方法研究[D]. 昆明: 昆明理工大學(xué), 2018.

[7] 郭良超, 韓國(guó)輝, 劉宇, 等. 高壓斷路器彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)合閘凸輪優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 高壓電器, 2019, 55(10): 13-18.

[8] 劉偉, 徐兵, 楊華勇, 等. 高壓斷路器液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)特性分析[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2010, 46(10): 148-155.

[9] 邵洪平. 220kV高壓真空斷路器操作機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)研究[J]. 電力設(shè)備管理, 2019(5): 34-35, 50.

[10] 楊雪飛, 童鈺. 3AP1-FG型斷路器自動(dòng)分閘原因分析及防范措施[J]. 廣西電力, 2014, 37(5): 84-85.

[11] 吳貽志, 李靖翔, 洪樂洲, 等. 220kV GIS開關(guān)氣動(dòng)操動(dòng)機(jī)構(gòu)原理分析與氣路改進(jìn)措施研究[J]. 電器工業(yè), 2011(12): 66-69.

[12] 劉唯. 彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)的合閘效率[J]. 高壓電器, 2019, 55(4): 245-249.

[13] 郭良超, 宋超, 劉宇, 等. 分合閘彈簧參數(shù)對(duì)高壓斷路器機(jī)械特性影響研究[J]. 電氣時(shí)代, 2018(8): 61-63.

[14] 任效龍, 高宏力, 田懷文, 等. 斷路器彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)參數(shù)化建模與優(yōu)化[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造, 2018(2): 142-145.

[15] 支成勇, 朱德忠, 劉韜. 三菱復(fù)勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)4象限調(diào)速改造[J]. 電氣傳動(dòng), 2014, 44(6): 68-71.

Cracking reason analysis and rectification measures of FA5 operating mechanism in 3AP2—FI breaker

QIN Bingdong1ZHANG Chen1RUAN Yanjun1ZHAO Weijie2

(1. Guangzhou Bureau of CSG EHV Power Transmission Company, Guangzhou 510000; 2. Kunming Bureau of CSG EHV Power Transmission Company, Kunming 650000)

Circuit breaker is the key equipment of power transmission system. In the operation of power transmission system, circuit breaker has not only a high frequency and various types of faults, but also particularly complex faults causes. Analysis and corresponding improvement measures of circuit breaker faults are particularly important to the operation of DC system. The failure cause analysis and rectification strategy research on the shell cracking of the FA5 operating mechanism of a 500kV 3AP2—FI circuit breaker in a converter station are carried out. Based on the mechanical principle and disassembly inspection phenomenon analysis, it is concluded that the operating mechanism cracking is caused by excessive power of the energy storage motor. Aiming at the cause of failure, this paper proposes corresponding improvement measures, and the feasibility and effectiveness of the improvement measures is verified by tests.

circuit breaker; cracking of operating mechanism; energy storage motor

2020-11-27

2020-12-31

秦秉東（1991—），男，碩士，工程師，主要從事高壓設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)評(píng)價(jià)及維護(hù)、修理工作。