隔離開關減速機構脫離故障分析

劉流，王志鹍，蘇文，過羿，賈鳳鳴

（國網安徽省電力公司檢修公司，安徽合肥230061）

隔離開關減速機構脫離故障分析

劉流，王志鹍，蘇文，過羿，賈鳳鳴

（國網安徽省電力公司檢修公司，安徽合肥230061）

隔離開關作為電網的主設備，其可靠動作直接關系到電力系統穩定運行。介紹一起隔離開關運行時出現的兩級減速機構脫離故障，通過運行監測和受力分析確認了故障產生的原因，并針對性地提出了減速機構的改進方案，最后通過拉伸實驗和動作測試驗證了方案的有效性，為隔離開關減速機構的制造改進提供參考。

電力系統；隔離開關；減速機構；機構脫離

0 引言

隔離開關是發電廠和變電站電氣系統中重要的開關電器，其與斷路器配合為電力系統運行提供了更加多樣和可靠的運行方式，同時，也為緊急情況下隔離電網故障提供了必要的手段。隔離開關種類多樣，根據動作方式，可分為曲臂伸縮式、剪刀式、旋轉式等。作為電網的主設備，隔離開關需具備幾百安至幾千安的通流能力，因此，只有設計可靠的電動機構才能確保其分合閘正確到位，接觸良好，避免發熱現象。

隔離開關的電動機構主要包括驅動電機、減速機構、故障限位保護、防寒除濕裝置、手動操作部分及電氣控制回路［1］，其中，減速機構是將電機轉速通過齒輪變換輸出額定轉速的裝置。近年來，減速機構常有發熱和漏油、渦輪或軸承磨損、傳動小斜齒輪磨損等故障［2］發生，為此，通常從提高裝配質量、定期潤滑維護、正確選擇減速機構安裝位置等方面提高其運行的可靠性。

1 故障經過

2015年10月，在某變電站220 kV隔離開關倒閘操作過程中，運行人員發現隔離開關在合閘開始后不久動作停止，現場檢查發現該隔離開關電動機構內部減速機構損壞，一級減速機構與二級減速機構脫離，電機無法驅動渦桿動作。檢修人員將損壞的電動機構取下進一步檢查發現，用于連接兩級減速機構的法蘭面上的6顆螺絲從槽內脫出，蝸桿被頂出，電機整體垂下，如圖1所示。

圖1 脫落的減速機構

2 減速機構

減速機構作為隔離開關電動機構的傳動部分，位于驅動電機與隔離開關垂直連桿之間，作用為降低驅動電機的輸出轉速，增大輸出力矩，以達到穩定可靠地驅動隔離開關進行分合動作，其結構如圖2所示。

減速機構由傳動零件（齒輪或蝸桿）、軸、軸承、箱體及其附件所組成。箱體是蝸輪蝸桿減速機中所有配件的基座，是支承固定軸系部件、保證傳動配件正確相對位置并支撐作用在減速機上荷載的重要配件。蝸輪蝸桿主要作用是傳遞兩交錯軸之間的運動和動力，軸承與軸主要作用是動力傳遞、運轉并提高效率。隔離開關使用的是兩級減速機構，具備更高的傳動效率和更小的噪聲。

圖2 電機及減速機構結構

3 原因分析

圖1中隔離開關減速機構故障位置位于兩級減速機構之間的法蘭連接處，為準確分析故障原因，將從電機負載能力、機構運行監測與受損法蘭受力三方面進行分析。

3.1 電機負載試驗

本型號隔離開關分合時，所需力矩通常在1 050～1 200 N·m之間，為模擬各工況下電機帶負載能力，開展負載試驗。試驗時，測量電機回路的電流峰值并觀察熱偶啟動情況，結果如表1所示。

試驗結果顯示，在隔離開關動作所需力矩范圍內，電機帶負載能力可完全滿足，當負載超過1 279 N·m時，熱偶啟動后切斷電機電源，從而起到保護電機及負載作用。試驗排除了因電機帶負載能力不足而導致機構運行過程中產生的機械損壞。

表1 機構的負載試驗結果

3.2 機構運行檢查

對減速機構開展振動信號測量是常見的故障判斷手段［3］，在兩級減速機構外殼（圖2中的1、2處）和法蘭連接處（圖2中的6處，即受損法蘭處）安裝振動傳感器，通過振動圖像觀察設備運行狀況。振動圖像如表2所示。

表2 電機及減速機構運行振動檢測表

由表2可知，位置1與位置2均位于減速機構上，振動圖像顯示內部齒輪運行平穩，位置6則在運行開始時出現短時連續大幅振動，由結構圖可知該法蘭面內為蝸桿所套軸承與二級減速機構連接法蘭交界處。經分析，造成振動的原因為蝸桿軸承在電機啟動后，由于與外殼所連接的法蘭面間存在約5 mm間隙，運行后對法蘭面產生橫向沖擊力，連續沖擊對法蘭連接造成了損害。

3.3 法蘭面受力分析

檢查機構內各部件安裝位置可知，運行中脫落的一級減速機構2及電機本體5未與機構箱連接固定，固定僅靠法蘭面6顆M8×10螺絲。進一步檢查發現，該6顆不銹鋼螺絲在鋁材質減速機外殼上擰入深度僅為9 mm，抽檢產品時發現部分螺絲安裝存在滑絲現象，而機械設計手冊中規定該類型螺絲擰入深度不應小于12 mm［4］，有效旋合螺牙無法滿足標準要求，嚴重影響到法蘭面的連接強度。

通過電機負載實驗、機構工況檢查和受力分析，可明確造成電機減速機構脫落的原因為蝸桿在電機啟動后對減速機構連接法蘭面間隙處形成橫向沖擊，同時，原法蘭面連接強度亦無法滿足要求，故造成啟動后螺絲脫離，減速機構脫落。

4 改進方案與試驗驗證

4.1 改進方案

在蝸桿與法蘭面之間的空隙處增加膠墊擋圈（圖3中位置8）。緩沖蝸桿轉動時對法蘭面的沖擊。

連接螺絲更換為M8×20，增加法蘭面連接螺絲（圖3中位置6）的攻絲深度和擰入深度。

增加電機與機構箱體之間的連接片（圖3中位置9），消除機構及電機自重對法蘭面的作用力。

圖3 改進后的電機及減速機構

4.2 抗拉強度試驗

為驗證改進前后連接法蘭面抗沖擊能力，選擇改進前樣品1和改進后樣品2進行拉伸試驗，結果如表3所示。

表3 改進前后機構拉伸試驗

三相合閘力矩最大值Tmax和渦輪承受的軸向力F分別為

式中：t為單相合閘力矩最大值；η為傳動效率；d為渦輪分度圓直徑。

隔離開關相間采用軸銷傳動，單相合閘力矩最大值t取400 N·m，η為約95%，d取0.121 8 m，則Tmax=1 263 N·m，F=20 738 N。

由于減速機工作瞬間有沖擊，沖擊系數k為1.6～2.1，因此取最大載荷時，軸向沖擊力Fmax為

軸向最大沖擊約為43.5 kN，將其作為法蘭面許用應力，安全系數n為［5］

式中：σ0為極限應力，即表3中抗拉力，［σ］為許用應力。根據測試結果可計算出，改進前試品1安全系數為1.22，改進后試品2安全系數為1.94。由此可見，改進后的減速機構安全系數提升，抗拉強度獲得顯著增強。

4.3 分合試驗

經3 000次分合閘實驗后，開關均分合到位，電機溫升正常，減速機構及電機無異響，連接法蘭固定良好。解體機構內部各元件無磨損或變形，如圖4所示。可見改進后的減速機構運行穩定，實現了開關可靠運行的目標。

圖4 分合實驗后機構解體照片

5 結語

針對隔離開關兩級減速機構脫離故障，通過電機負載實驗、減速機構運行監測、法蘭面受力分析三方面確認了故障原因，并提出減速機構的改進方案，通過拉伸試驗和分合試驗對改進后的機構進行驗證，結果顯示改進方案有效緩解了蝸桿運行時產生的軸向沖擊，同時一、二級減速機構間連接強度亦獲得增強，顯著提高了隔離開關的運行可靠性。

同時，為避免類似問題重復出現，首先應加強隔離開關減速機構設計與制造過程中的間隙控制和標準控制，確保隔離開關可靠運行。其次應提高新投設備的驗收全面性，驗收時即觀察運行是否存在異常，同時抽檢其安裝是否滿足標準，便于及早發現隱患，確保投運后長久可靠運行。

［1］張琛，楊少選.高壓負荷及隔離開關的電動操動機構研制［J］.鐵道學報，1996，18（1）：123-126.

［2］陳磊.蝸輪蝸桿減速機常見故障及解決方法［J］.城市建設理論研究，2011（33）：22-23.

［3］閆冰一，李培軍，張瑞娟.基于LabVIEW的挖掘機行走機構中減速機的振動檢測系統設計［J］.液壓與氣動，2010（7）：70-72.

［4］聞邦椿.機械設計手冊［M］.北京：機械工業出版社，2010.

［5］許本安，李秀治.材料力學［M］.上海：上海交通大學出版社，1988.

Fault Analysis on Reducing Mechanism Break-off of the Disconnector

LIU Liu，WANG Zhikun，SU Wen，GUO Yi，JIA Fengming
（State Grid Anhui Electric Power Maintenance Company，Hefei 230061，China）

As the main equipment of the power grid，the reliable operation of the disconnector is directly related to the stable operation of the power system.A two-stage reducing mechanism break-off fault of the disconnector is introduced.Causes of the failure are analyzed by working monitoring and force analysis.Improvement programs of the reducing mechanism are proposed，and the effectiveness of the scheme is verified by the tensile&action test，which provides references for the improvement of reducing mechanism manufacturing.

power system；disconnector；reducing mechanism；mechanism break-off

TM564

B

1007－9904（2017）05－0051－03

2016-12-08

劉流（1988），男，工程師，從事超特高壓變電設備檢修維護工作。