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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。斷路器的運(yùn)行可靠性很大程度上取決于其操動機(jī)構(gòu)的可靠性，故障統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，斷路器操動機(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。

目前，國內(nèi)外針對不同類別斷路器操動機(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。

本文針對南方電網(wǎng)某換流站出現(xiàn)的3AP2—FI型斷路器FA5操動機(jī)構(gòu)殼體開裂事件，進(jìn)行機(jī)構(gòu)的機(jī)械動作原理分析，結(jié)合機(jī)構(gòu)解體檢查現(xiàn)象，確定開裂事件是由儲能電動機(jī)輸出功率偏大引起。通過對電動機(jī)參數(shù)的選型和改進(jìn)電動機(jī)工作原理來避免該類異常再次發(fā)生，試驗(yàn)及現(xiàn)場應(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)儲能原理

3AP2—FI型斷路器采用FA5彈簧儲能機(jī)構(gòu)，其儲能工作原理分析如下：儲能起始，電動機(jī)得電起動，帶動齒輪運(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，直至作用在小凸輪的卡槽處，并推動小凸輪運(yùn)動，如圖1（a）所示。

圖1 儲能過程各元件相對位置

由于小凸輪固定在儲能軸上，小凸輪的運(yùn)動將帶動主軸轉(zhuǎn)動進(jìn)行合閘彈簧壓縮，彈簧壓縮至要求值時(shí)儲能完成，同時(shí)電動機(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，使大齒輪與儲能軸分離，如圖1（b）所示。合閘彈簧在正常完成儲能過程時(shí)，儲能拉桿會過死點(diǎn)并被合閘脫扣器頂住，合閘彈簧中儲存的能量被有效保持。

完成儲能后，頂桿由于慣性將繼續(xù)轉(zhuǎn)動一段行程后停止，此時(shí)定義頂桿與三角板間角度為儲能后過沖角度，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作，使合閘彈簧釋放能量，固定在儲能軸上的大凸輪會逆時(shí)針轉(zhuǎn)動，在帶動分閘彈簧儲能的同時(shí)完成滅弧室的合閘動作，多余的能量會被合閘緩沖器吸收，但由于慣性，大凸輪會多轉(zhuǎn)動10°～20°后回?cái)[，同時(shí)也會帶動小凸輪進(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操動機(jī)構(gòu)殼體開裂事件，裂紋位置均處于操動機(jī)構(gòu)箱背面大儲能齒輪下方、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型操動機(jī)構(gòu)，已投運(yùn)7年，動作次數(shù)為385次。該換流站共有同類斷路器操動機(jī)構(gòu)162臺，為進(jìn)一步查明異常原因，本文對異常機(jī)構(gòu)開展解體檢查，以期分析異常原因。

2.1 操動機(jī)構(gòu)鑄件殼體材質(zhì)檢查

首先對出現(xiàn)裂紋的殼體鑄件進(jìn)行相應(yīng)的材質(zhì)檢測，除已經(jīng)產(chǎn)生的裂紋外，其余區(qū)域的探傷檢測未發(fā)現(xiàn)異常，殼體材質(zhì)的化學(xué)成分、硬度和伸長率均符合要求?；跈z測情況，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

對操動機(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)，即操動機(jī)構(gòu)儲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）操動機(jī)構(gòu)裂紋直接原因分析

基于前文所述機(jī)構(gòu)儲能原理，在儲能過程中，儲能拉桿尚未過死點(diǎn)時(shí)（未完全儲能狀態(tài)），儲能拉桿無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，在合閘彈簧已儲存的部分能量的驅(qū)動下，儲能拉桿反向運(yùn)動，此時(shí)合閘彈簧中儲存的能量僅有一個(gè)去向，即拉動機(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能過程中滑落的可能性。一旦小凸輪在儲能未過死點(diǎn)時(shí)滑落，大儲能齒輪在合閘彈簧的拉力下向反方向運(yùn)動，直接反打在合閘緩沖器上，合閘緩沖器儲能超過閾值，多余能量無法被有效釋放，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)完成儲能過程后，若儲能后過沖角度◆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：儲能電動機(jī)輸出功率偏大，導(dǎo)致其轉(zhuǎn)速過快，過死點(diǎn)后雖然儲能回路斷電，但電動機(jī)及一級和二級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，對儲能電動機(jī)進(jìn)行升級，采用合理降低其輸出功率的整改措施。升級后的新型儲能電動機(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)的儲能過沖角度，使得儲能后頂桿過沖角◆?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，新型儲能電動機(jī)在最大扭矩（儲能彈簧壓縮65%）及儲能彈簧壓縮90%的情況下均能成功中程起動。

3）額定電壓下儲能時(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)電動機(jī)綜合并勵(lì)式電動機(jī)和串勵(lì)式電動機(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。因此本文選用復(fù)勵(lì)電動機(jī)作為新型電動機(jī)，所選電動機(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，型號為HDZ—25850BL。

為驗(yàn)證新型電動機(jī)的儲能功能，對其開展驗(yàn)證測試，具體測試項(xiàng)目如下：1）電動機(jī)儲能過程的電流、儲能時(shí)間和儲能后過沖角度的測量；2）在低電壓、額定電壓和高電壓下分別測試儲能彈簧壓縮65%時(shí)的中程起動情況（最大轉(zhuǎn)矩）和儲能彈簧壓縮90%時(shí)的中程起動情況；3）進(jìn)行80次儲能循環(huán)操作，記錄儲能時(shí)間，并觀察儲能過程有無異常。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)場數(shù)據(jù)可知，新型復(fù)勵(lì)電動機(jī)在低電壓（AC 187V）、高電壓（AC 242V）、額定電壓（AC 220V）下完整儲能及中程起動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)電動機(jī)在額定電壓（AC 220V）的儲能時(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)要求升級后的新型復(fù)勵(lì)電動機(jī)能有效抑制電動機(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。

圖5 試驗(yàn)相關(guān)圖片

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

4 結(jié)論

本文針對某換流站500kV 3AP2—FI型斷路器的FA5操動機(jī)構(gòu)開裂事件，通過對異常斷路器機(jī)構(gòu)的解體檢查，判明斷路器操動機(jī)構(gòu)開裂主要由斷路器儲能電動機(jī)輸出功率偏大導(dǎo)致。

針對上述問題，本文提出采用一種新型復(fù)勵(lì)儲能電動機(jī)，并對電機(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臺斷路器操動機(jī)構(gòu)在更換新型電動機(jī)后均沒有再出現(xiàn)儲能機(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。

本文編自2021年第7期《電氣技術(shù)》，論文標(biāo)題為“3AP2—FI型斷路器FA5操動機(jī)構(gòu)殼體開裂原因分析及整改措施”，作者為秦秉東、張晨 等。