一起20kV開關柜活門故障分析

李 毅 吳 鋒 徐近龍 吳 強

（蘇州供電公司，江蘇 蘇州 215004）

開關柜作為一種常見的變電設備在電力系統中被大量采用[1]。隨著20kV 開關柜的不斷推廣，其生產廠家也與日俱增。由于其較多廠家此電壓等級開關柜為其新推產品，其運行可靠性尚有待總結及提高[2]。本文介紹了一起蘇州供電公司發生的20kV 開關柜活門故障的分析及改進措施。

1 故障現象

2010年11月13日蘇州110kV 旺港變在操作214新澤線從“試驗”位置搖至“工作”位置時因機械故障未完成。檢查發現，開關柜內手車推動開關靜觸頭活門的支撐塑料板出現了物理性的損壞，動用備用倉更換后送電；該開關柜為廈門ABB 開關有限公司ZS1 產品，所配斷路器為VD4 產品，2009年1月份出廠，2009年11月份投運。

2011年2月22日10 時30 分，運行人員發現110kV 旺港變2K2#2 電容器斷路器從“工作”改為“試驗”位置的操作過程中因機械故障未完成該操作，檢查原因為柜內活門整體脫落，手車推進連板斷裂故障（見圖1）。

2 檢查情況

2011年3月12日對20VⅡ段母線進行停電處理，并對Ⅱ段母線所有開關柜進行檢查，檢查中發現221 若水＃1 線活門驅動器同樣損壞。后來運行人員在操作位于20kVⅠ段母線的201＃1 主變開關時，也發現有異響，檢查發現201 開關柜活門右側導向桿已斷裂，下活門有三相放電痕跡，同時檢查斷路器下導電臂三相均有明顯放電痕跡（見圖2和圖3）。

圖1

圖2

圖3

為防止其余出線開關柜均存在類似缺陷，蘇州供電公司隨即將Ⅰ段母線也進行停電，對開關柜進行系統檢查。3月29日對旺港變20kVⅠ段母線進行停電處理時又發現之前處理過手車活門驅動器的214 新澤線開關柜下活門三相均由不同程度的撞擊痕跡，2301 母聯刀閘開關柜活門整體坍塌，活門驅動器損壞，同時A 相有嚴重的放電痕跡。檢查當中發現活門驅動器損壞較多，其中絕大多數為壓接活門滾輪一端整體斷裂，僅201 左側活門驅動器為沿固定螺栓孔位置斷裂，其損壞情況見圖4。

圖4

表1 旺港變20kV 開關柜檢查情況匯總表

通過表1可以看出，目前旺港變在已檢查的16臺開關柜中已有5 臺出現不同程度的損壞，故障率高達31%，其中還發現2 起嚴重放電現象，已對設備安全運行造成了重大隱患。

3 原因分析

開關柜活門的正常工作原理為：斷路器在搖入的過程中，隨著斷路器手車的進入，活門機構在驅動下積極啟動，并保證其開啟的距離和速度均大于斷路器的行程，保證活門與斷路器運動行程的良好配合，既不過早開啟、回落，也不碰觸斷路器，保證絕緣距離。

對于該型號開關柜活門動作設計配合的關鍵點是當斷路器在工作位置時，柜體剪刀叉上輪到到導柜的距離理論設計是198mm，即斷路器的活門驅動器上運動面到手車的在導軌上運動輪子的距離為198mm。而現場檢查發現因現場安裝誤差,活門驅動器到底盤實測尺寸為195.5mm，剪刀叉同水平隔板干涉,導致對剪刀叉對斷路器的活門驅動器產生反作用力，其內部結構如圖5所示[3]。

圖5

因其開關柜內活門驅動器損壞較多，為檢驗其材質是否合格，我們對其試樣活門驅動板進行了模擬抗拉抗壓試驗。具體試驗過程如圖6和圖7所示。

圖6 活門驅動板壓力試驗

如圖6所示，將活門驅動板采用螺栓固定在一塊厚度為5mm 的不銹鋼板上，在驅動板的工作面上施加一個軸向垂直的壓力，模擬活門驅動板的工作受力情況來獲得其發生開裂時的最大力值。試驗結果見表2所示。

試樣 開裂形貌 試驗結果 新試樣脆性斷裂 斷裂時力值：4290N 備注：受壓過程中，試樣發生了明顯的扭曲變形

由于現場也出現了驅動板工作邊斷裂的情況，在工作狀態下，驅動板工作邊的內側承受向外的力，遂設計了圖7所示的方法對驅動板工作邊受拉力的情況進行試驗。

表3 活門驅動板拉力試驗結果

通過試驗可知其活門驅動板抗拉抗壓值均為大于4kN，其結果遠大約廠家出廠1kN 的標準，故可排除其活門驅動器材質原因導致其損壞。經進一步分析得知因為ABB 公司20kV ZS1 開關柜為其08年引進國內的產品，由于國內耐壓水平要求65kV高于國外，為達到國內工頻耐壓要求，ABB 公司在其開關柜活門上多噴涂了絕緣漆，導致的活門重量增加，但其相應驅動及支撐件未同步進行更換，導致其受力過大，強度不夠，從而出現大量損壞。如柜體活門導桿斷裂，檢查發現斷裂處均為導桿開孔處，其導桿上兩處開孔原設計用來加掛鎖鎖住活門，不讓活門隨意打開，如圖8所示。而活門驅動器的損壞還是因為安裝公差過大導致剪刀叉對斷路器的活門驅動器產生反作用力，在人為手動搖進時由于其反作用力過大導致其損壞。

圖8

對于110kV 旺港變201＃1 主變斷路器、2301分段隔離柜放電應為上次操作時下活門未到位，斷路器下導電臂與下活門長時間接觸運行，最終導致放電痕跡嚴重。

4 對策及建議

1）督促廠家優化開關柜剪刀叉結構的設計及工藝，將柜體剪刀叉的安裝螺母更換為防松螺母，保證該開關柜斷路器的活門驅動器到運動輪的距離為198±1mm。

2）經ABB 公司從新進行了模擬計算，對于800mm 柜寬的開關柜更換活門導桿及彈簧，（更換其活門導桿為實心桿，取消活門導桿沒有用的掛鎖孔，并更改其材料增加其抗彎強度；更換彈簧的直徑,減少剪刀叉承受彈簧的反作用力），對于1m 柜寬的開關柜更換包括活門及整套驅動機構。

3）在開關柜制作過程中，因嚴格控制其制作及安裝的精度，防止其對設備安全運行帶來隱患。

4）在開關柜驗收過程中，特別注意對手車進出情況進行檢查，防止活門開啟關閉不正常現象。

5 結論

隨著20kV 電壓等級應用范圍的不斷推廣，其變電設備生產廠家也不斷增加。通過此次開關柜活門的故障原因分析，可以得出這是一起典型的因設計及裝配工藝質量引起的故障。開關柜設備內每個零部件的設計及裝配將直接關系到其安全穩定運行，故制造廠家應特別加強對新引進和開發的產品設計及裝配工藝控制、管理，防止類似故障再次發生。

另外，檢修、運行人員也應在開關柜投運驗收時加大對其驗收力度，保證其多次進出無故障，盡可能在設備投運前發現故障并處理。

[1] 徐國政,張節容,錢家驪,等.高壓斷路器原理和應用[M].北京:清華大學出版社,2006.

[2] 肖勻.一起24kV 開關柜運行故障分析[J].高壓開關,2010(10): 27-5.

[3] ABB 公司網站.ABB公司高壓開關柜制造商的ZS1/VD4真空斷路器產品說明書.廈門ABB 開關有限公司.