±500kV牛寨換流站不同開關(guān)機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析和技術(shù)上的運維要點

周旭

摘要：±500kV牛寨換流站斷路器機構(gòu)類型主要分為液壓彈簧機構(gòu)和彈簧機構(gòu)，其中液壓彈簧機構(gòu)主要用于高壓領(lǐng)域，包括500kV交流場、500kV交流濾波器場以及直流場，彈簧機構(gòu)主要用于低壓領(lǐng)域，包括35kV低壓電抗器及站用變、110kV鹽換線以及35kV融冰裝置斷路器。

引言

在電力系統(tǒng)中，斷路器主要起著兩方面的作用，一是根據(jù)運行方式的需要，通過斷路器的斷開或者合上，將電力設(shè)備投入或者退出;二是在系統(tǒng)發(fā)生故障時，通過繼電保護裝置的作用，迅速切除故障設(shè)備，保證故障設(shè)備不被損壞或不造成更嚴重的影響，確保無故障部分正常運行。

斷路器按照滅弧介質(zhì)分類，可以分為油斷路器、真空斷路器、SF6斷路器，其中油斷路器又可分為多油斷路器和少油斷路器，按照結(jié)構(gòu)分類，可以分為罐式斷路器、瓷柱式斷路器、支柱式斷路器，按照操作機構(gòu)分類可以分為液壓彈簧操作機構(gòu)斷路器、彈簧操作機構(gòu)斷路器以及氣動操作機構(gòu)斷路器。

1.液壓彈簧操作機構(gòu)

1.1液壓彈簧操作機構(gòu)概述

由彈簧做為儲能部件，液壓油做為傳動載體的機構(gòu)。（彈簧儲能目的是建立油壓，液壓油作為傳動部件。）整個機構(gòu)為集成液壓系統(tǒng)，模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計、集成度高、體積小、操作功大、無外露管路、可靠性高。

主要包括充壓模塊、儲能模塊、工作模塊、控制模塊、監(jiān)測模塊。無外接管路，五個模塊通過連接管連接后，可與工作缸組成一個緊湊的整體，實現(xiàn)可靠的動作。

1.2液壓彈簧操作機構(gòu)組成

工作模塊（工作缸和活塞桿）：采用常充壓差動式結(jié)構(gòu)，高壓油恒作用于活塞桿上端。分合閘速度可通過相應(yīng)的節(jié)流閥分別調(diào)整（出廠時已調(diào)整好）。分合閘運動主要通過活塞桿下端高低壓油的轉(zhuǎn)換實現(xiàn)。

充能模塊（電機、油泵、錐齒輪）：將電能轉(zhuǎn)換成機械能再轉(zhuǎn)換為液壓能帶動儲能模塊（儲能器）壓縮碟簧儲能。

監(jiān)測模塊（彈簧行程開關(guān)）：監(jiān)測并控制碟簧的儲能情況。通過對碟簧壓縮量的監(jiān)測帶動行程開關(guān)凸輪旋轉(zhuǎn)來斷開或閉合微動開關(guān)觸點達到為主控室報警及自動閉鎖的目的。當壓力高于規(guī)定值時泄壓閥自動開啟達到保護機構(gòu)的目的。

控制模塊（電磁閥及換向閥）：控制工作缸的分、合動作。通過主控室給出的命令是相應(yīng)電磁閥打開閥口，使換向閥切換油路，從而達到分合閘目的。

1.3液壓彈簧操作機構(gòu)的動作原理

儲能：當機構(gòu)失壓時，行程開關(guān)的接點導(dǎo)通控制，電機通電，電機轉(zhuǎn)動帶動油泵將油從低壓區(qū)泵向高壓區(qū)，隨著高壓油量的增加，高壓油推動儲能活塞向上運動，儲能活塞帶動提升桿向上運動，提升桿帶動拖盤壓縮彈簧，到達預(yù)定位置時，行程開關(guān)的接點斷開，電機停轉(zhuǎn)，由于密封系統(tǒng)的作用，彈簧被保持在壓縮狀態(tài)。（低壓油箱中的油經(jīng)液壓泵打壓成高壓油，流向三個儲能活塞。當液壓泵停止時，逆止閥關(guān)閉，防止高壓油流入低壓油箱。）

合閘：當?shù)蛷椈杀粔嚎s時傳動桿的密封部位上部始終處于系統(tǒng)的高壓之下，在分閘狀態(tài)下，傳動桿密封部位下部處于低油壓狀態(tài)下，這樣傳動桿被牢牢控制在分閘狀態(tài)。當合閘閥接到合閘信號動作，切換閥切換到合閘狀態(tài)，傳動桿底部與高壓油相連，此時傳動桿的上部和下部都充以高壓油，由于活塞兩邊面積不同，產(chǎn)生壓差的作用，傳動桿向上運動，完成合閘操作。

分閘：當分閘閥接到分閘信號動作，切換閥切換到分閘狀態(tài)，傳動桿底部失壓，傳動桿上部的高壓油推動傳動桿向下運動，完成分閘操作，并帶動輔助開關(guān)切換，切斷分閘回路，為下次合閘做好準備。

控制閥工作原理：分合閘線圈得電均會驅(qū)動控制閥變位。當分閘線圈得電時，控制閥相應(yīng)動作，將傳動桿底部觸頭底面油路中油由高壓油切換至低壓油路，高壓油通過換向閥連通至低壓油箱，現(xiàn)實分閘。當合閘線圈得電時，控制閥相應(yīng)動作，將傳動桿底部觸頭油面中油由低壓油路切換至高壓油路，從而實現(xiàn)合閘。

機械閉鎖：在合閘狀態(tài)下，當系統(tǒng)壓力降低到一定程度時，閉鎖桿上的彈簧推動其向里運動，頂住傳動桿上的溝槽，使傳動桿不能運動。

電氣閉鎖：當彈簧儲能或卸壓時，行程開關(guān)的夾板隨著彈簧的運動而上下移動，到達一定的位置時，夾板上的凸起觸動開關(guān)上的小輪頂起接點或斷開。

打壓次數(shù)：機構(gòu)在1天之內(nèi)打壓10次是正常的，如果超過10次，需對機構(gòu)進行進一步的觀察，如果打壓次數(shù)在發(fā)展，說明泄露點在發(fā)展，需要檢查處理。判斷泄漏是否合格也可用以下方法：關(guān)閉電機電源，在12小時內(nèi)彈簧釋壓不超過15mm。

機構(gòu)手動操作：通過按動前級換向閥的橡膠端蓋，可進行手動操作（電器聯(lián)鎖失效）。手動操作只用于調(diào)試和維修后做性能檢查時才采用，不作為正常的運行方式。只有當SF6氣體充足且碟簧柱儲能的情況下才能操作。且連續(xù)兩次按下手動橡膠端蓋的時間必須大于50s，一次按壓時間不得超過1s。

2.液壓彈簧操作機構(gòu)常見故障

2.1故障的檢查及處理

（1）現(xiàn)場檢查有無滲漏油。檢查機構(gòu)油位是否正常、機構(gòu)外表面有無滲漏油、彈簧有無破損斷裂。

（2）僅在分閘位置打壓頻繁。開關(guān)合位時工作缸活塞兩側(cè)為高壓油，分位時一側(cè)為高壓油、另一側(cè)為低壓油。對于開關(guān)在分閘位置打壓頻繁，可將開關(guān)合閘，如果儲能完全正常，可初步判斷工作缸內(nèi)活塞兩側(cè)高低壓油路存在滲漏。

（3）排除油中含有雜質(zhì)和二次回路的問題?，F(xiàn)場分合閘、儲能操作數(shù)次，對于開關(guān)在合位出現(xiàn)頻繁打壓故障，分合操作數(shù)次后彈簧無法一次性完成儲能，斷開電機電源后如果泄壓至0，可以排除油中含有雜質(zhì)與二次回路的原因。分合閘操作同時可以檢測分合閘線圈電磁閥位置是否正常，動作是否靈活。

（4）操作機構(gòu)內(nèi)漏?？赡茉斐蓛?nèi)漏的原因，手動泄壓閥下過流閥，油泵出口逆止閥;控制閥;儲能模塊高壓密封圈;工作缸活塞密封進行檢查，更換后相應(yīng)故障模塊后，頻繁打壓、壓力無法保持等故障只是得到緩解，如打壓時間間隔明顯變長但仍無法保持正常壓力，說明工作缸內(nèi)高、低壓油路存在滲漏，需要返廠處理。

2.2技術(shù)上的運維要點

結(jié)合常見故障分析，液壓彈簧機構(gòu)主要避免頻繁打壓或是拒動，主要技術(shù)運維要點有以下：

（1）液壓彈簧儲能是否正常保持。24小時內(nèi)彈簧行程量變化30mm是正常范圍（電機斷開），若碟簧儲能有釋放下降的趨勢，則可能由于內(nèi)漏造成壓力無法保持。

（2）在30min內(nèi)，電機旋轉(zhuǎn)的最長時間為3min，本站整定電機運行時間為2min。若電機旋轉(zhuǎn)超過上述時間，則必須對電機作有效冷卻，電機時間運行時間過長可能損壞。故需合理整定電機運行時間。

（3）機構(gòu)油位及油色。觀測機構(gòu)油位是否正常，液壓油正常時清潔而透明，如果油變色或混濁，需換油;油面低于最低刻度時，需補油。若油位過低將可能造成碟簧儲能不完全或無法儲能，閉鎖開關(guān)分合閘操作。

（4）觸發(fā)線圈（分合閘線圈按鈕）。現(xiàn)場應(yīng)明確標識，提示未經(jīng)許可嚴禁現(xiàn)場按下分合閘線圈觸點。

（5）電機電源。正常運行方式下，機構(gòu)電機電源應(yīng)保持通暢，并在有效范圍內(nèi)。若電機電源故障則將導(dǎo)致電機不運轉(zhuǎn)，機構(gòu)無法儲能。

（6）機構(gòu)外觀檢查。檢查是否有明顯的部件損壞、燒壞，漏油等現(xiàn)象。

（7）打壓次數(shù)分析（月平均值）。通過分析打壓次數(shù)，及時發(fā)現(xiàn)機構(gòu)故障，避免由于機構(gòu)故障造成頻繁打壓，磨損其余部件。

（8）檢查驅(qū)潮電阻、驅(qū)潮保險完好，查看機構(gòu)是否受潮。查看機構(gòu)加熱器是否正常運行，機構(gòu)內(nèi)是否有積水，避免由于受潮造成機構(gòu)部件銹蝕，卡澀。

（9）電機油泵、繼電器、端子排無燒焦痕跡，無冒煙、打火現(xiàn)象，連接完好。

3.彈簧操作機構(gòu)

3.1彈簧操作機構(gòu)概述

彈簧操動機構(gòu)是一種以彈簧作為儲能元件的機械式操動機構(gòu)。彈簧的儲能借助電動機通過減速裝置來完成，并經(jīng)過鎖扣系統(tǒng)保持在儲能狀態(tài)。開斷時，鎖扣借助磁力脫扣，彈簧釋放能量，經(jīng)過機械傳遞單元使觸頭運動。

彈簧操動機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，分合閘操作采用兩個螺旋壓縮彈簧實現(xiàn)。儲能電機給合閘彈簧儲能，合閘時合閘彈簧的能量一部分用來合閘，另一部分用來給分閘彈簧儲能。合閘彈簧一釋放，儲能電機立刻給其儲能，儲能時間不超過15s（儲能電機采用交直流兩用電機）。

彈簧操作機構(gòu)是由彈簧提供斷路器操作所需的能量，彈簧一旦儲能能量就會被保持住而不會有能量損失。相比之下，液壓機構(gòu)儲能后能量損失的機會較多，任意一個閥門或是接頭的泄露均有可能導(dǎo)致儲能能量的損失，造成斷路器頻繁打壓或是拒動。彈簧操作機構(gòu)是一種較為可靠的儲能方式，其操作較為簡單，只需在每次合閘時啟動一次合閘電機即可，合閘彈簧直接驅(qū)動斷路器操作桿而不經(jīng)任何的傳動部件或連接桿。

3.2彈簧操作機構(gòu)動作過程

儲能過程：斷路器處于合閘位置，合閘彈簧釋放，分閘彈簧已儲能。斷路器合閘操作后，與棘輪相連的凸輪板使限位開關(guān)閉合，磁力開關(guān)帶電，接能電動機回路，使儲能電機啟動，能過一對錐齒輪轉(zhuǎn)動至與一對棘爪相連的棘輪上，棘輪的轉(zhuǎn)動使這一對棘爪交替蹬踏棘輪，使棘輪逆時針轉(zhuǎn)動，帶動合閘彈簧儲能，合閘彈簧儲能到位后由合閘彈簧儲能保持掣子將其鎖定。同時凸輪板使限位開關(guān)切斷電動機回路。合閘彈簧儲能過程結(jié)束。

分合閘操作：采用兩個螺旋壓縮彈簧實現(xiàn)。儲能電機給合閘彈簧儲能，合閘時合閘彈簧的能量一部分用來合閘，另一部分用來給分閘彈簧儲能。合閘彈簧一釋放，儲能電機立刻給其儲能，儲能時間不超過15s（儲能電機采用交直流兩用電機）。運行時分合閘彈簧均處于壓縮狀態(tài)，而分閘彈簧的釋放有一獨立的系統(tǒng)，與合閘彈簧沒有關(guān)系。這樣設(shè)計的彈簧操動機構(gòu)具有高度的可靠性和穩(wěn)定性。合閘彈簧和分閘彈簧是獨立的，儲能機構(gòu)一般只給合閘彈簧儲能，而分閘彈簧一般是靠斷路器合閘動作儲能.在合閘回路中串聯(lián)有開關(guān)儲能接點，也就是說開關(guān)未儲能就不能進行合閘。但分閘回路中沒有串聯(lián)有開關(guān)未儲能接點。所以就算開關(guān)未儲能，也可以跳開。（注意：這里的開關(guān)未儲能指的是合閘彈簧未儲能，而分閘彈簧未儲能是沒有接點出來的）。在開關(guān)斷開時，分閘彈簧是還沒儲能的，而合閘彈簧已儲能。合閘時，合閘彈簧釋放能量，合閘同時給分閘彈簧儲能。以確保開關(guān)在合上的時候能跳開。合閘彈簧釋放完能量時（開關(guān)剛合上），電機開始給合閘彈簧儲能，這個大概需要十秒鐘，此時就算合于故障，因為分閘彈簧已儲能，所以能跳開。這也說明在手合于故障時，開關(guān)能馬上跳開，但這種跳開之后不能馬上再次重合（需要區(qū)別于重合閘），因為合閘還沒儲能，要等儲能結(jié)束后才能再次送電。而如果是開關(guān)本來是合上的，此時開關(guān)的合閘彈簧和分閘彈簧都已儲能。有故障時，分閘彈簧釋放能量分閘。再過1秒左右，（由于合閘彈簧已儲能）合閘彈簧釋放能量進行合閘。而在合閘結(jié)束的時候，分閘彈簧已儲能結(jié)束，但合閘彈簧還沒有儲能好。如果這次合閘于故障，由于分閘彈簧已儲能結(jié)束，所以開關(guān)能馬上跳開。但跳開之后就不能再次馬上合上了，需要等到合閘彈簧儲能結(jié)束以后才行（一般開關(guān)需要30秒后才行，但我們實際情況就要等事故處理完畢后，才能重新再次試合）

3.3彈簧操作機構(gòu)常見故障及原因分析

電氣方面原因：

（1）控制電源電壓異常，如：控制電源失電，控制電源電壓過低等;

（2）分、合閘指令異常，如：誤發(fā)分、合閘指令，分、合閘指令脈沖過長或過短等;

（3）控制回路的元件異常，如：熔絲熔斷，端子虛接、松動，就地/遠控轉(zhuǎn)換開關(guān)接觸不良，斷路器輔助觸點切換時序不正確或接觸不良，回路絕緣低導(dǎo)致接地或串電等;

（4）分合閘線圈異常，如：線圈燒毀、匝間短路;

（5）儲能回路異常，如：儲能電機匝間短路、限位開關(guān)不切換或接觸不良等。

機械方面原因：

（1）分閘（合閘）鐵芯卡阻。一般是因為分閘（合閘）線圈吸合后，因線圈內(nèi)銅套變形、開裂等因素的影響，鐵芯無法正常撞擊并釋放分閘（合閘）掣子，這種類型的故障較為常見，應(yīng)對分閘（合閘）線圈和鐵芯進行更換。

（2）分閘（合閘）掣子故障。主要包括三種情況：①掣子固定螺栓松動，引起掣子位置變化，無法正確咬合或釋放;②掣子咬合面因操作次數(shù)多，操作沖擊大，材質(zhì)不良等因素發(fā)生磨損，造成無法可靠咬合。

（3）驅(qū)動拐臂斷裂，造成合閘摯子不能有效動作。

（4）傳動部分存在摩擦、碰撞現(xiàn)象。主要有：①套裝在主軸上的驅(qū)動拐臂、偏心拐臂因為變形、松動的影響，相互間發(fā)生摩擦，導(dǎo)致分閘（合閘）動作失敗或速度異常低;②因松動、移位、表面銹蝕等原因造成分閘（合閘）摯子與偏心拐臂（驅(qū)動拐臂）之間的咬合過緊導(dǎo)致?lián)醋硬荒茚尫?③當合閘操作力較大時，水平傳動拉桿與合閘拐臂下沿劇烈碰撞后發(fā)生反彈，使合閘保持掣子來不及復(fù)位，導(dǎo)致機構(gòu)合閘保持不住;④主拐臂和輔助開關(guān)間的連接板彎曲、位移與輔助開關(guān)產(chǎn)生摩擦乃至碰撞，造成輔助開關(guān)不能正常切換。

（5）分閘、合閘彈簧故障，儲能不完全，如變形、斷裂等，造成機構(gòu)輸出功不足，引起分、合閘失敗，或分、合閘速度不符合要求，開關(guān)處于半分半合狀態(tài)。產(chǎn)生此類故障的原因主要是彈簧的材質(zhì)問題。另外，如果分閘緩沖器存在漏油等缺陷，造成分閘末端的剩余能量得不到阻尼，久而久之，會導(dǎo)致分閘彈簧故障;如果合閘卷簧層間的襯墊因安裝工藝不良，運行中逐漸發(fā)生位移，會造成卷簧慢慢喪失變形量最終損壞。

（6）過儲能。手動儲能，由于機構(gòu)無機械限位，導(dǎo)致過儲能;儲能電機控制回路觸點粘連，導(dǎo)致機構(gòu)過儲能，嚴重時將可能造成彈簧斷裂。

3.4彈簧操作機構(gòu)運維要點

結(jié)合常見故障分析，彈簧操作機構(gòu)主要技術(shù)運維要點有以下：

（1）檢查分閘彈簧、合閘彈簧儲能、釋能指示與實際相符，儲能彈簧有無形變;

（2）機構(gòu)各管道、壓力表與管道之間連接處、卸壓閥應(yīng)無滲、漏氣痕跡;

（3）重視操動機構(gòu)電氣回路。電氣回路故障占彈簧操動機構(gòu)故障總數(shù)的三分之二以上。且電氣回路的安全運行受外部影響較大，運行環(huán)境惡劣、外部回路故障、誤操作、檢修人員工作失誤等都會引發(fā)電氣回路故障。定期檢查儲能電動機、熱繼電器、分閘脫扣器、合閘脫扣器、端子排端子應(yīng)無燒焦痕跡，無冒煙、打火現(xiàn)象，因連接完好;

（4）加強數(shù)據(jù)的分析和比對。定期抄錄打壓動作次數(shù)，并進行分析;

（5）開展機構(gòu)的防潮、防松、防銹、和潤滑，杜絕元件受潮、松動、銹蝕和缺乏潤滑帶來的不利影響。如：完善操作機構(gòu)箱防水封堵，保證加熱器正常工作，定期檢查驅(qū)動裝置油位，傳動元件涂抹潤滑脂等。

4.結(jié)論

±500kV牛寨換流站斷路器按照操作機構(gòu)分類主要分為液壓彈簧機構(gòu)和彈簧機構(gòu)，其中液壓彈簧機構(gòu)主要用于高壓領(lǐng)域，而彈簧機構(gòu)主要用于中壓領(lǐng)域，在運維過程中，操作機構(gòu)的主要故障體現(xiàn)在頻繁打壓的問題上，其中液壓彈簧機構(gòu)在處理該問題時不僅要注意機構(gòu)油的外漏還要注意機構(gòu)中是否有高低壓油相互泄漏的問題。

參考文獻：

[1]昭通換流站設(shè)備運行及檢修維護手冊GIS維護手冊（0KB.412.398）

[2]新東北GIS ABB液壓彈簧操作機構(gòu)（HMB-4/-8型）

[3]ZF15-550kV GIS設(shè)備運行維護要求

[4]LW15A-550檢修作業(yè)指導(dǎo)書（用戶版）

[5]斷路器用戶手冊