特高壓換流站800kV直流刀閘合閘不到位原因分析及應對措施研究

嚴 康

（中國南方電網超高壓輸電公司昆明局,昆明 650000）

楚穗直流作為南方電網頭號風險，輸送容量5000MW，在南方電網的地位舉足輕重，楚雄換流站是云廣特高壓直流輸電示范工程的起點和核心。許多設備都是第一次開發使用，價值昂貴，800kV直流刀閘如果燒毀，不僅會造成昂貴設備的直接經濟損失，還會嚴重影響到楚穗直流運行，造成巨大的間接經濟損失。本文在對刀閘合閘不到位情況進行技術分析的基礎上，提出合理改造的方案，為南方電網“頭號風險”的可控在控作出積極貢獻。

1 刀閘結構和動作原理

由于刀閘燒毀多為合上、拉開刀閘時，刀閘動作未到位，動靜觸頭間存在間隙，所以首先對楚雄換流站800kV直流刀閘動靜觸頭結構和動作原理進行簡單分析說明。

1.1 刀閘動靜觸頭結構

圖1 800kV直流刀閘動靜觸頭側視圖

1.1.1 靜觸頭

圖中接觸片（4.3)、接觸指（4.5）、固定觸點（4.7）為靜觸頭的主要部分，呈U字型，固定在三柱水平旋轉式結構的左右兩柱柱頂。為與動觸頭緊密貼合的主要部分，也是電流通過的主要部分。在動觸頭旋轉進入U型卡口時，固定觸點（4.7）有一個判斷動作到位的作用。在動觸頭在U型卡口內旋轉時，接觸片（4.3)、接觸指（4.5）與之貼合摩擦。

1.1.2 動觸頭

圖中導流管（4.2）、均壓環（4.6）、接觸帶（4.12）為動觸頭的主要部分，呈管狀，導流管（4.2）進入靜觸頭后，通過接觸帶（4.12）與靜觸頭接合。動靜觸頭間的接觸部分，如接觸片、接觸帶上均有特殊的銀涂層，這銀涂層作為一種干式潤滑劑用來防止污物和灰塵依附在涂層表面。

1.2 刀閘動作原理

圖2 800kV直流刀閘整體示意圖

本刀閘為三柱水平旋轉式，將刀閘從分位操作到合位時，電機（5.0）帶動連桿（5.2）轉動，力矩通過傳動軸承（5.1）、旋轉臂（5.1.1）、拉桿（6.1）、可旋轉坐（2.1），到達上端的導流管（4.2），于是導流管（4.2）開始做水平旋轉運動，當導流管（4.2）兩側分別旋轉進入U型卡口時，導流管（4.2）與U型卡口內的接觸片（4.3）緊密接觸，從而產生一定的接觸壓力。當導流管（4.2）末端靠在靜觸頭U型卡口（4.4）內部的固定塊（4.7）上時，運動停止。此時導流管（4.2）會緊貼U型卡口內壁，以導流管軸心為中心旋轉，于是導流管末端會緊貼U型卡口內壁（4.3）摩擦，將動靜觸頭間的污穢物或者凝結的冰霜層摩擦掉，使動靜觸頭的金屬部分緊密貼合，保證導電良好。

如果這一過程中動觸頭沒有動作到位，和靜觸頭之間存在間隙，如果不能及時發現處理，將會導致昂貴的800kV直流刀閘燒毀，嚴重影響到楚穗直流運行，造成巨大的直接和間接經濟損失。

2 存在問題及現行控制手段

2.1 存在問題

目前楚雄換流站自投產運行至今已三年多時間，在將極I、極II投入運行或者進行金屬大地回線方式的轉換時大多都涉及到極I母線08105隔離開關、極II母線08205隔離開關、極I轉換母線08121隔離開關、極II轉換母線08122隔離開關的分合閘操作，通過三年的運行觀察，多次發現后臺顯示刀閘已經在合位，而現場實際存在動靜觸頭有間隙的情況，嚴重威脅到設備和楚穗直流運行的安全，給設備和系統安全帶來極大隱患。

2.2 現行控制手段

目前為止，運行人員在發出刀閘合閘命令之后，都會通過現場肉眼觀察判斷的方法來確定刀閘是否合閘到位，合閘后，當現場核實狀態人員發現刀閘的動觸頭和靜觸頭間存在間隙，第一時間將異常情況通過對講機反饋至主控室值班員，方便運行人員迅速拉開故障刀閘，并及時做出處理，防止因為刀閘的虛合造成帶電后的燒毀損壞。此種方法存在人為判斷失誤的可能性。由于該刀閘卡口距離地面20米，在動靜觸頭還存在微小間隙的情況下，肉眼判斷極易誤認為刀閘已經合閘到位，特別是在夜間，人的肉眼借助手電筒極難辨識，而且現場觀察確定的時間較長，直流場面積大，人員在不同刀閘間跑動距離長，在復雜的直流場接線環境里，疲勞更加影響了核實現場狀態人員的判斷力，進而影響運行人員下一步操作的連貫性和操作效率。

3 合閘不到位原因分析

（1）直流設備較交流設備更容易吸附污穢，以楚雄站極II為例，該極設備在運行過程中一直帶負電，始終吸附空氣中帶正電的粒子，沒有排斥的時候，而交變電流帶電時正時負，即對空氣中的正負粒子均是時吸時斥，所以直流設備比交流設備更容易受風沙影響而變臟，運行一段時間后，連桿、軸套、齒輪間的摩擦增大，在分合閘過程中，機構發生強行上坡行為，易使傳動機構變形彎曲，引起隔離開關分合閘不到位。

（2）導流管為鋁制材質，而從電機出來一直到導流管之間的傳動機構為合金制作，不同材料的熱脹冷縮系數不一致，而800kV直流刀閘又具有本體高、傳動距離長，導流管質量大，長度長的特點，楚雄換流站處于高海拔地區，晝夜溫差大，當溫度發生變化時，導流管、傳動機構的長度，直徑會發生微小的變化，從而影響分合閘。

（3）導流管長度14米，直徑0.3米，鋁制，所以導流管質量大，從分閘狀態到合閘狀態旋轉角度62度，當其水平旋轉時，動能大。完美合閘應為導流管末端靠上U型卡口內部固定塊（4.7）后運動戛然而止，但由于導流管動能大，碰撞固定塊后必然產生反彈力，從而導致導流管反向位移一小段距離，形成動靜觸頭間隙。

經觀察發現，由于導流管碰撞固定塊的反彈，刀閘動靜觸頭的間隙主要為固定塊（4.7）與導流管之間的間隙，本文將此間隙大小稱為g，4年運維經驗統計發現不同刀閘g值平均值如下：

表1 改造前g值平均值統計表

4 合閘不到位后果

正常情況下，刀閘作為導流部分，其電阻可視為零，當出現合閘不到位，動靜觸頭間形成間隙后，刀閘的接觸電阻增大，楚穗直流設計滿負荷運行5000MW，正常運行最大電流3125A，根據公式 知，接觸電阻每增加1Ω，刀閘的發熱功率970萬瓦，即每秒多產生熱量970萬焦，如此大的熱量會使觸頭的接觸部位迅速發熱。導致鋁制導流管燒紅、退火，引起強度下降，甚至燒毀。

刀閘動靜觸頭間接觸電阻大小與發熱量的關系如圖3（分別以楚穗直流5000MW運行和2500MW運行為例）

當刀閘發熱融化到一定程度時，鋁制導流管開始融化變形，間隙繼續增大，接觸電阻進一步增大，從而加劇了熱量的產生，由于直流電流不存在過零點，電弧不易熄滅，此時IdCH等保護量發生變化，引起相關直流保護動作跳閘。

5 改進措施比較選取

方案一：進行技術改造，將U型卡口內部固定塊（4.7）更換為具有更好緩沖作用的彈簧片，能夠更好的接受導流管，消耗導流管旋轉的動能，避免反彈。同時減小電機輸出功率，讓導流管旋轉速度減慢，從而減小導流管的旋轉動能，以較緩慢的速率進入U型卡口，從而減小了反彈造成的間隙。

方案二：位置指示法，在動觸頭的合適位置加裝具有反光特性的膜片，具有易觀察、耐高電壓、耐大電流等特性，該反光膜能指示刀閘到位情況，便于運行人員夜間利用電筒觀察。

方案三:隨著對運行操作準確、高效、可靠等的現實需求，現有的人為判斷的“土方法”顯然不能滿足高標準的要求，如條件允許，可建設一套切實有效，設備先進、信息化程度高的現代化刀閘狀態在線監測系統，該系統能實時收集刀閘數據，將數據進行分析判斷后形成的是否到位結果傳送至主控室電腦，便于運行人員“足不出戶”即能準確高效的判斷刀閘狀態。

方案一和方案二均具有經濟實用，且施工周期短，方便靈活的特點，適合楚穗直流目前的運行特點，但最終仍不能省去人工判斷的程序，實時性較差。方案三能夠實時傳送刀閘狀態信息給主控室，判斷準確，極大的縮短了運行倒閘操作時間，但投資很大，且收集刀閘狀態信號的探頭技術難度高，需要在高電壓、大電流、強磁場的環境下運行且不影響數據的采集和傳輸，現有的許多成熟的在線監測手段，如紅外對射等均不能滿足環境要求，無相關經驗參考，需在方案設計、委托制造、調試方案編制、等過程查閱大量文獻資料，反復試驗論證來確保裝置可靠性和實用性。

綜上所述：結合楚雄換流站實際運行特點，決定采取方案一和方案二并行，同時加強刀閘的日常維護、潤滑，縮短除污、緊固周期，清理刀閘本體、齒輪盒、觸頭內的沙塵，打磨齒輪、軸、桿間的摩擦部位，轉動摩擦部位涂抹低溫潤滑脂。

圖3 發熱量隨接觸電阻變化示意圖

6 改造效果

在對楚雄換流站10把800kV直流刀閘進行技術改造后，各進行5次合閘操作，不同刀閘g值的平均值統計如下：

表2 改造后g值平均值統計表

測試數據表明改造后楚雄換流站直流刀閘動靜觸頭間隙得到了明顯改善。實際運行中測溫結果顯示間隙處溫度，在額定最大電流下維持在30～50℃以內，滿足運行要求。

[1]糯扎渡電站送電廣東±800kV直流輸電工程直流場設備維護手冊[Z].德國:西門子公司, 2007.

[2]陳化剛．電力設備異常運行及事故處理[M]．中國水利電力出版社，1999.

[3]周武仲．電力設備維修診斷與預防性試驗沖國電力出版社[M]，2002.

[4]梁波．直流泄漏及耐壓試驗方法的探討[J]．重慶:電工技術，2006(04):68-70.

[5]侯長來．直流電機雙向轉動數控器的設計[J]．重慶:電工技術，2005(02):60—61.

[6]香澤．變電檢修[M]．北京：中國電力出版社，2005．