GIS斷路器彈簧操作機構(gòu)拒分閘故障的分析與處理

王 政，楊少輝，楊 洋，郎 泳

（國網(wǎng)山東省電力公司濱州供電公司，山東 濱州 256600）

0 引言

高壓開關(guān)是輸變電設(shè)備中唯一以機械運動實現(xiàn)電氣功能的電器設(shè)備，高壓組合電器中的斷路器是帶觸頭的電器，通過觸頭的分、合動作達到開斷和關(guān)合電路的目的。氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備（Gas Insulated Substation，GIS）由本體（含滅弧室）、機構(gòu)箱、彈簧機構(gòu)、傳動連桿等結(jié)構(gòu)組成。在高壓組合電器中，斷路器一般采用彈簧操作機構(gòu)（252 kV 及以下）和液壓操作機構(gòu)（252 kV 及以上），其中彈簧機構(gòu)主要分為：電機儲能系統(tǒng)、主軸系統(tǒng)，輸出軸系統(tǒng)，分合閘脫扣系統(tǒng)，合閘彈簧裝配和分閘彈簧裝配等部分。

經(jīng)調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，近年來，由于GIS 斷路器彈簧機構(gòu)拒動引發(fā)的故障頻發(fā)，當分閘命令觸發(fā)后，將導(dǎo)致斷路器失靈保護、母差保護動作，跳開相應(yīng)母線上所有支路的開關(guān)，若母線其他開關(guān)同時拒動，將會跳開線路對側(cè)開關(guān)，導(dǎo)致停電大范圍擴大，對供電區(qū)域內(nèi)的電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)造成極大沖擊，甚至發(fā)生解列。對相關(guān)文獻中故障案例進行研究發(fā)現(xiàn)，常見的GIS 斷路器機構(gòu)拒動原因主要有以下幾點：控制電源未送電或電壓不足，一級閥電磁鐵卡滯，分、合閘回路中接地電阻值較大，分、合閘回路有元器件損壞，輔助開關(guān)接線松脫，機構(gòu)或輔助開關(guān)損壞，二級閥卡澀等［1-5］。

對常見的故障原因從結(jié)構(gòu)方面進行了深入分析，總結(jié)GIS 斷路器液壓彈簧操作機構(gòu)拒分閘的原因，并結(jié)合一起機構(gòu)由于主拐臂軸銷脫扣安裝孔材質(zhì)硬度不足，脫扣軸銷裝配滾針軸承不合格，導(dǎo)致傳動卡滯，不能分閘的故障實例進行分析，對類似故障缺陷的分析和處理提供實際借鑒意義，使得檢修人員充分了解斷路器機械結(jié)構(gòu)，理解機構(gòu)分合閘動作過程，提高處理此類故障速度。

1 彈簧操作機構(gòu)結(jié)構(gòu)及動作原理

彈簧操作機構(gòu)按各結(jié)構(gòu)的功能不同可分為二次控制單元、儲能單元、合閘控制單元、分閘控制單元、能量轉(zhuǎn)換及傳動輸出單元、輔助及連鎖單元，如圖1所示。

圖1 CT26型彈簧操作機構(gòu)功能構(gòu)成

二次控制單元起到控制和檢測的功能，CT26型彈簧操作機構(gòu)的二次控制單元分包括控制回路、儲能回路、加熱回路。儲能單元結(jié)構(gòu)有棘輪棘爪式、蝸輪蝸桿式、齒輪傳動式等多種形式，CT26 型彈簧操作機構(gòu)的儲能單元為棘輪棘爪式，并且是雙列棘輪、雙棘爪結(jié)構(gòu)。分閘控制單元和合閘控制單元在結(jié)構(gòu)及原理上都類似，都由能量保持掣子、脫扣掣子等構(gòu)件組成。目前幾乎所有彈簧操作機構(gòu)的合閘能量轉(zhuǎn)換都采用凸輪推動滾輪的結(jié)構(gòu)。輔助及連鎖單元主要包括合閘連鎖、機械防跳躍裝置、分合閘緩沖裝置等。

CT26 型彈簧操作機構(gòu)的機構(gòu)架為整體鑄鋁支架式結(jié)構(gòu)，機構(gòu)的各零部件都組裝在鑄鋁支架上，儲能單元和合閘控制單元分布在鋁支架右側(cè)，其下面對應(yīng)合閘彈簧；機構(gòu)傳動單元和分閘控制單元分布在鋁支架中間；分閘彈簧和油緩沖以及行程開關(guān)、輔助開關(guān)等分布在鋁支架左側(cè)。機構(gòu)固定有上裝和后裝兩種安裝方式，機構(gòu)輸出可以從中間大拐臂輸出也可以從側(cè)面拐臂輸出。各部分結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 CT26型彈簧操作機構(gòu)各部件組成

合閘操作原理是儲能結(jié)束棘輪上的滾子扣在儲能保持掣子的弧面上，使儲能保持掣子產(chǎn)生順時針的轉(zhuǎn)動趨勢，從而使儲能保持掣子上的滾輪扣到合閘掣子上。當接到合閘指令，合閘電磁鐵推動合閘掣子逆時針轉(zhuǎn)動給儲能保持掣子讓開位置，儲能保持掣子被棘輪上的滾子推開棘輪脫扣，從而合閘彈簧能量釋放進行合閘，如圖3所示。

圖3 合閘控制單元

分閘操作原理是合閘后大拐臂上的扣接銷扣到合閘保持掣子上，并使合閘保持掣子產(chǎn)生逆時針轉(zhuǎn)動趨勢，從而使合閘保持掣子上的滾輪扣到分閘掣子上。當接到分閘指令分閘電磁鐵推動分閘掣子逆時針轉(zhuǎn)動給合閘保持掣子讓開位置，合閘保持掣子被大拐臂上的滾子推開而脫扣，分閘彈簧能量釋放進行分閘，如圖4所示。

圖4 分閘控制單元

2 彈簧操作機構(gòu)拒分閘常見原因

以CT26 型彈簧操作機構(gòu)為例，常見的拒分閘原因有：控制回路沒有接通，應(yīng)檢查何處斷路，然后進行針對處理；分閘電磁鐵鐵芯有卡滯現(xiàn)象，應(yīng)調(diào)整電磁鐵鐵芯；分閘電磁鐵頂桿與分閘摯子的間隙過大，鐵芯吸合到底時，分閘摯子仍不能解扣的，應(yīng)對間隙進行調(diào)整；分閘回路參數(shù)配合不當，分閘線圈端電壓達不到規(guī)定數(shù)值（不低于65%額定操作電壓）；分閘線圈斷線或燒毀等［6-8］。

當分閘按鈕電磁鐵不動作時，應(yīng)分別檢查電源、連接線、分閘回路各電氣元件、電磁鐵。當分閘按鈕電磁鐵動作，而分閘保持摯子不脫扣時，應(yīng)先觀察分閘摯子是否為分閘保持摯子充分讓開空間，不能讓開時說明分閘摯子有問題，如果已讓開而不能脫扣說明大拐臂的滾子與分閘保持摯子的摩擦轉(zhuǎn)角或摩擦力過大（如分閘保持摯子的滾針軸承壞），可更換分閘保持摯子或軸承。當分閘過程中停止，可能為輸出軸卡滯或傳動卡滯，可根據(jù)分閘的程度和具體情況，從軸承、油緩沖、傳動拐臂、本體內(nèi)部件等方面逐一排除。

3 案例分析

3.1 故障經(jīng)過

某220 kV 變電站事故前220 kV GIS 為雙母線接線方式，共有4 回出線；110 kV GIS 為雙母線接線方式，共有2回出線；35 kV 為單母線分段接線方式。220 kV GIS 斷路器為ZF11B-252（L）型，配彈簧操作機構(gòu)，彈簧操作機構(gòu)利用已儲能的彈簧動力，實現(xiàn)斷路器的分合閘。

2020 年9 月16 日08：30，調(diào)控中心人員下令將1 號主變壓器由運行狀態(tài)轉(zhuǎn)檢修狀態(tài)，運維人員依次操作1號主變壓器301開關(guān)、1號主變壓器101開關(guān)及1號主變壓器201開關(guān)。08：42，運維人員操作拉開1 號主變壓器201 開關(guān)，一組人員后臺機處進行操作，另外一組人員在220 kV 高壓室內(nèi)遠程觀察設(shè)備動作狀況。操作完成后，運維人員檢查電氣指示發(fā)現(xiàn)開關(guān)B 相處于合位未分開，A、C 兩相處于分位，隨即現(xiàn)場檢查1 號主變壓器201 開關(guān)的機械位置指示，實際A、C 相為分位，B 相為合位，機構(gòu)箱內(nèi)B相兩套分閘線圈都已燒毀。

3.2 故障處理

檢修人員到達現(xiàn)場，檢查發(fā)現(xiàn)1 號主變壓器201開關(guān)B相機構(gòu)兩套共用一個銜鐵的分閘線圈均已燒毀；合閘線圈有高溫烘烤的痕跡；分閘線圈、合閘線圈、儲能電機的二次線已燒毀，機構(gòu)本體傳動部分無明顯異?，F(xiàn)象。1 號主變壓器201 開關(guān)B 相機構(gòu)內(nèi)部情況，如圖5所示。

圖5 開關(guān)B相機構(gòu)內(nèi)部情況

為了順利將開關(guān)轉(zhuǎn)檢修，檢修人員對開關(guān)進行手動分閘，嘗試扳動開關(guān)B 相機構(gòu)內(nèi)的分閘鎖閂，如圖6 所示，將開關(guān)B 相分閘，多次嘗試后無果，未能完成分閘操作。

圖6 分閘鎖閂及機構(gòu)模擬圖

現(xiàn)場比對了B 相機構(gòu)銜鐵位置及分閘鎖閂位置，發(fā)現(xiàn)線圈內(nèi)銜鐵已動作，機構(gòu)內(nèi)分閘鎖閂已動作，說明一級分閘系統(tǒng)動作無問題，懷疑二級分閘系統(tǒng)故障導(dǎo)致。初步懷疑拒分原因為開關(guān)機構(gòu)設(shè)備的自身質(zhì)量和軸承設(shè)計缺陷所致。

由于1號主變壓器201開關(guān)B相不能通過手動扳動分閘鎖閂來完成分閘操作，檢修人員用工具以分閘止位銷為支點，撬動分閘保持掣子，完成分閘操作。機構(gòu)分閘并泄壓之后，檢修人員首先在保證分閘行程不變的情況下對燒毀的分合閘線圈、儲能電機二次線進行了更換，用無水酒精清洗了線圈支架。檢修人員將脫扣軸銷從主拐臂中拆出后，如圖7所示。檢查發(fā)現(xiàn)B相機構(gòu)主拐臂脫扣軸銷的安裝孔內(nèi)有三道明顯凹痕，如圖8 所示，用手摸凹感明顯，其余兩相沒有明顯壓痕，判斷是B 相軸承滾動摩擦力增大，導(dǎo)致機構(gòu)的卡澀，未能分閘。

圖7 主拐臂脫扣軸銷安裝位置及脫扣軸銷軸承

圖8 主拐臂脫扣軸銷安裝位置三道凹痕

判斷主拐臂脫扣銷軸配套軸承存在問題后，對三相的軸承進行了更換，由不帶軸承外圈的K202820 滾針軸承更換為帶軸承外圈的NK20∕20滾針軸承，如圖9—圖10所示。

圖9 新舊脫扣軸銷對比（左側(cè)：舊202820滾針軸承右側(cè)：新NK20/20滾針軸承）

圖10 新脫扣軸銷分解

更換完成后，對其余傳動部件的傳動及安裝尺寸進行了系統(tǒng)檢查，首先對開關(guān)進行了10 次分合閘操作，無異常，并對1號主變壓器201開關(guān)進行機械特性試驗，分合閘時間及三相同期數(shù)據(jù)均滿足技術(shù)標準文件的要求，試驗數(shù)據(jù)合格。

3.3 原因分析

分閘操作時分閘銜鐵撞擊分閘鎖閂，分閘鎖閂向下壓縮彈簧，釋放分閘保持掣子，根據(jù)圖中標注的各元件受力方向，分閘保持掣子和主拐臂之間通過脫扣軸銷的轉(zhuǎn)動來產(chǎn)生位移，釋放主拐臂進行分閘操作［9-11］，如圖11所示。

圖11 分閘過程機構(gòu)各部件運動情況（斷路器合閘位置）

該GIS 斷路器主拐臂為雙層結(jié)構(gòu)，脫扣軸銷兩端軸承部位安裝于主拐臂的兩個孔內(nèi)，掣子則與脫扣軸銷的軸接觸，分閘操作時，脫扣軸銷的軸承與軸之間進行轉(zhuǎn)動，使產(chǎn)生位移。如圖12所示。

圖12 脫扣軸銷部位接觸方式

因此判定此次開關(guān)B相拒分閘的原因為：主拐臂軸銷脫扣安裝孔材質(zhì)硬度不足，脫扣軸銷裝配滾針軸承不合格。斷路器處于合位時，分閘保持掣子與脫扣軸銷接觸，脫扣軸銷的軸承在主拐臂內(nèi)有受力現(xiàn)象。開關(guān)長時間處于合位，軸銷的軸承不帶外圈，導(dǎo)致脫扣軸銷在主拐臂內(nèi)的受力點處形成了壓痕。變形后主拐臂銷軸無法轉(zhuǎn)動，導(dǎo)致分閘保持掣子不能產(chǎn)生位移（向右移動），導(dǎo)致傳動卡滯，不能分閘。分閘操作未完成，分閘回路持續(xù)通電，導(dǎo)致分閘線圈燒毀［11-15］。

4 結(jié)語

GIS斷路器彈簧操作機構(gòu)故障的主要原因有：1）主拐臂軸銷脫扣安裝孔材質(zhì)硬度不足，機構(gòu)多次動作后安裝孔處磨損變形；2）脫扣軸銷裝配滾針軸承不合格，導(dǎo)致分閘脫扣系統(tǒng)主拐臂銷軸與軸承間的摩擦系數(shù)增大超出正常值導(dǎo)致傳動卡滯，不能分閘。

為防止此類故障發(fā)生，應(yīng)做好以下幾項工作：針對現(xiàn)存的ZF11B-252（L）斷路器列入停電計劃，申請輪停進行治理。對在建工程所有ZF11B-252（L）型斷路器的操作機構(gòu)進行排查，如有不帶外圈的分閘拐臂軸承，一律進行軸承、軸銷更換。針對新投運220 kV GIS 開關(guān)，開展投運后1 年期傳動試驗工作，驗證開關(guān)可靠動作性。之后嚴格執(zhí)行反措要求，每三年開展一次傳動試驗。