拐臂脫離后隔離開關(guān)機(jī)械性能試驗(yàn)研究*

張宏偉

(國網(wǎng)甘肅省電力公司 金昌供電公司，甘肅 金昌 737100)

0 引 言

GW□-800 型隔離開關(guān)傳動(dòng)連接部件防松脫措施不足，僅采取備帽及頂絲防松脫，在持續(xù)大風(fēng)、強(qiáng)風(fēng)等特殊天氣情況及特殊運(yùn)行方式下容易發(fā)生松動(dòng)、脫落[1]。 同時(shí)，超高壓隔離開關(guān)整體尺寸較大，高空部件距離地面超過9 m，日常運(yùn)行維護(hù)及常規(guī)巡視難以發(fā)現(xiàn)防松脫型缺陷。

正常運(yùn)行中，隔離開關(guān)操作連桿機(jī)構(gòu)的端關(guān)節(jié)軸承與拐臂連接螺母松脫，自潤滑桿端關(guān)節(jié)軸承與拐臂間用螺紋連接后，需再背一螺母鎖緊，然后在拐臂側(cè)面設(shè)計(jì)頂絲，進(jìn)一步鞏固螺紋，從而實(shí)現(xiàn)四連桿機(jī)構(gòu)對隔離開關(guān)分閘位置的鎖定。 當(dāng)桿端關(guān)節(jié)軸承與拐臂連接螺紋松脫，會(huì)使四連桿機(jī)構(gòu)無法控制導(dǎo)電閘刀，導(dǎo)電閘刀處于自由狀態(tài)，遇大風(fēng)等惡劣天氣，極易造成設(shè)備事故。

筆者通過分析三柱水平翻轉(zhuǎn)式隔離開關(guān)傳動(dòng)連接部件松動(dòng)脫落故障，結(jié)合保護(hù)和安全自動(dòng)裝置動(dòng)作情況，分析和論證類似故障產(chǎn)生的原因，提出針對性的改進(jìn)措施，對保障電網(wǎng)安全運(yùn)行具有重要意義。

1 事故概況

某750 kV 變電站750 kV 系統(tǒng)采用3/2 接線方式，2021 年6 月18 日16 時(shí)32 分，受大風(fēng)影響，該變電站處于分閘狀態(tài)的GW□-800ⅡD 三柱水平翻轉(zhuǎn)式隔離開關(guān)A 相向合閘方向發(fā)生位移，造成該相隔離開關(guān)動(dòng)觸頭對地放電。 由于放電位置處于2 號主變壓器差動(dòng)保護(hù)范圍內(nèi)，導(dǎo)致2 號主變壓器三側(cè)斷路器跳閘。 事故造成某省南部5 個(gè)市(州)220 kV 電網(wǎng)與省級主電網(wǎng)解列運(yùn)行，對南部電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行造成極大影響。

1.1 隔離開關(guān)概況

本次故障隔離開關(guān)型號為GW□-800ⅡD 型，三柱式水平旋轉(zhuǎn)，兩側(cè)均附有接地刀閘，系某高壓開關(guān)有限公司自主研發(fā)生產(chǎn)，2020 年5 月出廠，2020 年11 月投運(yùn)。 參數(shù)如表1 所列。

表1 隔離開關(guān)參數(shù)表

該型號隔離開關(guān)由主導(dǎo)電、絕緣子、底座、支座等部件組成，采用全裝配式模塊化、翻轉(zhuǎn)式刀閘設(shè)計(jì)，具有低操作力矩、高觸頭壓力、自清洗觸頭、破冰能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[2]，安裝、檢修方便。

1.2 故障概況

事故當(dāng)日天氣晴，氣溫31 ℃左右，風(fēng)力9 級。750 kV 系統(tǒng)3/2 接線第Ⅱ串7521(邊)和7520(中)斷路器停電檢修，752027 接地刀閘(7520 與7522 斷路器間)處于合閘狀態(tài)，7522(邊)斷路器運(yùn)行。 16 時(shí)32 分，受大風(fēng)影響，75202A 相隔離開關(guān)向合閘方向發(fā)生位移，由于752027 接地刀閘處于合閘狀態(tài)，造成75202A 相隔離開關(guān)動(dòng)觸頭對地放電。 因放電位置處于2 號主變壓器差動(dòng)保護(hù)范圍內(nèi)，造成主變壓器差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作跳閘，南部電網(wǎng)與省級主電網(wǎng)解列運(yùn)行。

2 號主變壓器三相本體外觀未發(fā)現(xiàn)異常，三側(cè)設(shè)備外觀無異常、三側(cè)避雷器未動(dòng)作。 分析繼電保護(hù)及安全自動(dòng)裝置動(dòng)作情況，750 kV 母線經(jīng)7522 斷路器流向故障點(diǎn)短路電流為8.5 kA，2 號主變壓器750 kV側(cè)流向故障點(diǎn)短路電流為2.074 kA，故障點(diǎn)短路電流共計(jì)10.574 kA。

2 原因分析

現(xiàn)場檢查，發(fā)現(xiàn)75202 隔離開關(guān)(7520 斷路器靠近7522 斷路器側(cè))三相位置不一致，B、C 兩相處于正常分閘狀態(tài)，而A 相動(dòng)觸桿在風(fēng)力作用下水平擺動(dòng)。

進(jìn)一步檢查，發(fā)現(xiàn)75202A 相隔離開關(guān)傳動(dòng)瓷柱上端與動(dòng)觸桿傳動(dòng)盒之間的拐臂連接脫離，如圖1 所示。 造成A 相隔離開關(guān)動(dòng)觸桿處于自由活動(dòng)狀態(tài)，在風(fēng)力作用下發(fā)生水平旋轉(zhuǎn)并接近靜觸頭，因752027 接地刀閘處于合閘狀態(tài)，導(dǎo)致75202A 相隔離開關(guān)動(dòng)觸頭對地放電。

圖1 拐臂連接脫離圖

2.1 主導(dǎo)電閘刀傳動(dòng)原理

主導(dǎo)電閘刀如圖2 所示。

圖2 導(dǎo)電閘刀示意圖

隔離開關(guān)合閘時(shí)，由操動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)中間操作絕緣子做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，通過四連桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)固定在中間支柱絕緣子上的導(dǎo)電閘刀，使導(dǎo)電閘刀隨之同步旋轉(zhuǎn)70°，動(dòng)觸頭旋入靜觸頭，中間操作絕緣子繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，通過連桿帶動(dòng)使導(dǎo)電閘刀翻轉(zhuǎn)45°。 如圖3 所示。

圖3 主導(dǎo)電閘刀傳動(dòng)原理圖

傳動(dòng)四連桿機(jī)構(gòu)主要由操作絕緣子上方的拐臂1、支柱絕緣子上方的拐臂2、自潤滑桿端關(guān)節(jié)軸承和拉桿等部件組成，自潤滑桿端關(guān)節(jié)軸承一端固定在拐臂上，另一端與拉桿連接。 如圖4 所示。

圖4 傳動(dòng)四連桿機(jī)構(gòu)原理圖

2.2 抗風(fēng)載荷能力計(jì)算驗(yàn)證

該變電站地處亞歐大陸腹地山間盆地，四面環(huán)山，屬于典型的大陸性暖溫帶荒漠氣候，日照充足，熱量豐富但又極端干燥，大風(fēng)頻繁且降雨稀少，以“風(fēng)庫”著稱[3]。

基于其大風(fēng)頻繁的氣候特點(diǎn)，必須對導(dǎo)電閘刀的傳動(dòng)及鎖定結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)載荷能力進(jìn)行計(jì)算驗(yàn)證[4]?？癸L(fēng)性能檢測需模擬風(fēng)荷條件，在風(fēng)荷環(huán)境下對試件施加均勻風(fēng)荷載[5]，對其變形情況及連接固定等整體進(jìn)行評估。

(1) 隔離開關(guān)所受風(fēng)壓

風(fēng)壓是指垂直于氣流方向的平面所受到的風(fēng)的壓力[6]。 根據(jù)伯努利方程得出風(fēng)-壓關(guān)系[7]，計(jì)算出隔離開關(guān)所受風(fēng)壓如下[8]:

式中:wp表示風(fēng)壓，kN/m2；ρ表示空氣密度，kg/m3；v表示風(fēng)速，m/s。

由于空氣密度ρ和重度γ的關(guān)系為:γ＝ρ×g，因此，可得:

式(2)為標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)壓公式。 在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下(氣壓為101.325 kPa，溫度為20 ℃)[9]，空氣重度γ＝0.012 25 kN/m3，緯度為45°處的重力加速度g＝9.8 m/s2。

需要特殊說明的是，空氣重度和重力加速度隨著緯度和海拔高度而變化，此處取標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)和變電站所處緯度值[10]。 因此，可得:

該型號隔離開關(guān)的迎風(fēng)面積為18 m2，其中導(dǎo)電桿處迎風(fēng)面積約為2 m2。 9 級風(fēng)屬于烈風(fēng)[11]，風(fēng)速為20.8 ～24.4 m/s[12]，按隔離開關(guān)所能承受的風(fēng)速34 m/s計(jì)算，則隔離開關(guān)所受風(fēng)壓為wp＝v2/1 600＝342/1 600＝0.722 5 kN/m2。

因此，受最大風(fēng)力影響，隔離開關(guān)在分閘狀態(tài)向合閘方向運(yùn)動(dòng)所受的力轉(zhuǎn)換到四連桿拉桿上應(yīng)為

0.722 5×2＝1.445 kN。

(2) 螺栓的慣性矩

材料抵抗彎曲的能力通常用幾何量慣性矩來表示[13]。 截面慣性矩是衡量截面抗彎能力的幾何參數(shù)[14]，是指截面各微元面積與各微元至截面上某一指定軸線距離二次方乘積的積分[15]。 圓形截面的慣性矩計(jì)算公式為:

式中:d表示截面的直徑，m。

螺栓直徑為d＝2 cm＝2×10-2m，則M20 螺栓橫截面的慣性矩為:

零件截面形狀或尺寸對零件受力、受彎矩、受扭矩等影響通常用截面系數(shù)來表示，用以計(jì)算零件、構(gòu)件的抗彎強(qiáng)度和抗扭強(qiáng)度，或者用以計(jì)算在給定的彎矩或扭矩條件下截面上的最大應(yīng)力[16]。 M20 螺栓截面系數(shù)為:

(3) 螺紋所受剪切應(yīng)力

剪切應(yīng)力是應(yīng)力的一種，指單位面積上所承受的剪力，力的方向與受力面的法線方向正交[17]。 剪切應(yīng)力的計(jì)算公式如下[18]:

式中:V表示計(jì)算截面上所受的剪力，kN，V＝1.445 kN；S表示計(jì)算截面面積，m2，S＝π×r2＝3.14×10-4m2。

則，M20 螺紋所受剪切應(yīng)力為[19]:

即:τ＝46 020 kN/m2≈46 MPa

M20 螺紋材料為Q235A 碳素結(jié)構(gòu)鋼[20]，該材料的抗拉強(qiáng)度Rm＝375 MPa，其許用剪切應(yīng)力[τ]＝150 MPa＞46 MPa[21]。

因此，根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，可以驗(yàn)證風(fēng)力在9 級及以下時(shí)，不會(huì)影響GW□-800 型隔離開關(guān)的機(jī)械性能。

2.3 原因分析及結(jié)果確定

為防止螺紋松脫，自潤滑桿端關(guān)節(jié)軸承與拐臂間用螺紋連接后，需再背一螺母鎖緊，鎖緊后在拐臂側(cè)面設(shè)計(jì)有頂絲，用來進(jìn)一步固定螺紋。

(1) 裝配或調(diào)整過程中，鎖緊螺母漏裝或未完全緊固，多次操作后或長期風(fēng)載的細(xì)微振動(dòng)，最終導(dǎo)致螺紋間隙增大及螺母脫落，造成螺紋松脫。

(2) 頂絲緊固力矩不足，不能有效破壞桿端關(guān)節(jié)軸承螺紋部分牙形，沒有起到其應(yīng)有的緊固作用。 如圖5 所示。

圖5 頂絲緊固力矩不足圖

(3) 對隔離開關(guān)解體檢查，發(fā)現(xiàn)四連桿機(jī)構(gòu)中，桿端關(guān)節(jié)軸承與拐臂1 連接螺紋松脫，導(dǎo)致四連桿機(jī)構(gòu)無法控制導(dǎo)電閘刀，在支柱瓷瓶上的導(dǎo)電閘刀處于自由狀態(tài)，受大風(fēng)影響，隔離開關(guān)由分閘位置向合閘方向移動(dòng)。 因此，此處螺紋脫落是造成此次故障的主要原因。

3 處理及改進(jìn)措施

3.1 改進(jìn)措施

經(jīng)過分析討論，確定解決GW□-800 型隔離開關(guān)操作四連桿機(jī)構(gòu)的桿端關(guān)節(jié)軸承與拐臂連接螺母松脫的問題主要從更換自潤滑桿端關(guān)節(jié)軸承螺母下部不銹鋼開口銷著手。

對自潤滑桿端關(guān)節(jié)軸承進(jìn)行改進(jìn)，在螺桿上增加孔，以便于螺母背緊后，在螺母下部用不銹鋼開口銷進(jìn)行固定，再增加一道防松措施，可以有效避免螺母脫落。 如圖6 所示。

圖6 自潤滑桿端關(guān)節(jié)軸承增加孔圖

3.2 預(yù)防措施

(1) 對發(fā)生故障的75202 隔離開關(guān)的B、C 相及其它同型號、同廠家的隔離開關(guān)進(jìn)行全面檢查，鎖緊螺母緊固、導(dǎo)體未發(fā)現(xiàn)異常情況。

(2) 在螺紋連接體中，當(dāng)螺栓中產(chǎn)生拉伸軸向力時(shí)，螺牙斜面上半徑方面分力，螺母會(huì)產(chǎn)生彈性徑向擴(kuò)張；由于泊松比的關(guān)系，螺栓會(huì)產(chǎn)生彈性徑向收縮[22]。 在交變載荷作用下，由于螺紋升角的影響產(chǎn)生沿螺紋牙斜面松弛滑移的趨勢，從而使螺紋接觸面摩擦系數(shù)逐漸減小，摩擦系數(shù)降到滑移條件[23]。

為防止因類似問題導(dǎo)致的故障，須增加防松處理，對于一些可拆卸的部位，用到的摩擦防松較多，它是靠增加摩擦角起到防松作用，其中螺紋處涂厭氧膠，固化后粘接在配合螺紋，達(dá)到防松目的。 對已經(jīng)投運(yùn)、在用的同型號隔離開關(guān)，在螺紋接觸處涂厭氧防松膠[24]，如圖7 所示。

圖7 螺紋接觸處涂厭氧防松膠圖

(3) 在停電狀態(tài)或保證安全的前提下，逐一檢查鎖緊螺母的緊固性。

(4) 加強(qiáng)設(shè)備巡查和監(jiān)視，發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)處理。運(yùn)行中，應(yīng)保證拐臂連桿無彎曲、連接無松動(dòng)、無銹蝕，開口銷齊全，軸銷無變位脫落[25]。

(5) 隔離開關(guān)操作時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格按規(guī)范進(jìn)行，如遇動(dòng)觸頭不能插入靜觸頭、卡滯或合閘不到位等問題，應(yīng)停止操作，待專業(yè)檢修人員處理。 動(dòng)觸頭插入靜觸頭后應(yīng)檢查插入深度是否滿足要求、觸指握手是否緊固、觸頭接觸是否良好。

4 結(jié) 語

針對處于分閘位置的GW□-800 型高壓隔離開關(guān)動(dòng)觸頭向合閘方向偏移，導(dǎo)致動(dòng)觸頭對地放電的故障，通過故障原因綜合分析，結(jié)合隔離開關(guān)操動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)作原理，采用增加隔離開關(guān)自潤滑桿端關(guān)節(jié)軸承螺母下部開口銷的方法，改進(jìn)了GW□-800 型隔離開關(guān)傳動(dòng)連接部件防松脫措施，徹底解決了GW□-800型隔離開關(guān)防松脫型缺陷，具有典型借鑒和推廣意義，為超高壓翻轉(zhuǎn)式高壓隔離開關(guān)的安全運(yùn)行提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。