一起500 kV瓷柱式斷路器彈簧操作機構機械故障導致合閘失敗的原因分析

于檸源，任慶帥，和兆偉，華 濤

（國網山東省電力公司檢修公司，山東 濟南 250118）

1 BLG1002A型操作機構動作原理

斷路器是能夠關合、承載和開斷正?；芈窏l件下的電流并能關合、在規定時間內承載和開斷異?；芈窏l件下電流的開關裝置[1]。它的關合、開斷操作，由斷路器操作機構的動作實現。

BLG 1002A型彈簧操作機構為北京ABB高壓開關設備有限公司產品，結構如圖1所示[2]。

1.合閘掣子裝置；2.分閘掣子裝置；3.分閘緩沖器；4.操作拐臂；5.凸輪盤；6.環形鏈條；7.合閘彈簧；8.彈簧軛架；9.鎖鉤；10-11.鏈輪；12.合閘緩沖器；13.拉桿；14.分閘彈簧。

圖1 BLG 1002A型彈簧操作機構

當斷路器分閘時，分閘掣子裝置的掣子爪被釋放，處于壓縮狀態的分閘彈簧經拉桿拉動操作拐臂向左運動，同時操作拐臂拉動斷路器絕緣拉桿，實現分閘。操作拐臂的動作在終端位置經分閘緩沖器阻尼停止動作。當斷路器合閘時，合閘掣子裝置的掣子爪被釋放，環形鏈條釋放帶動凸輪盤順時針轉動。凸輪盤旋轉360°，并把操作拐臂向右推直至其與分閘掣子裝置嚙合。操作拐臂向右運動過程中推動斷路器絕緣拉桿實現合閘，并經拉桿壓縮分閘彈簧儲能，操作拐臂的動作在運動終端由合閘緩沖器阻尼，合閘操作完成。

2 故障現象及現場處理過程

工作人員在對某500 kV線路送電過程中，該線路開關合閘后B相立即分閘，而A、C兩相未分閘。讀取錄波數據發現，B相波形僅存在25 ms后即被切除。該時長與開關合-分時間吻合，故可判斷開關B相合閘瞬間立即分閘。

在對開關各控制回路進行全面檢測合格后，甩開所有二次回路，通過儀器直接加電給分、合閘線圈。操作幾次后仍然出現合閘后立即分閘的情況，由此可以確定故障出現在機械部分。

由斷路器操作機構的動作原理可知，操作拐臂由分閘位置到合閘位置是靠凸輪盤推動，最終被分閘掣子裝置嚙合保持完成。如果分閘掣子裝置與操作拐臂無法有效嚙合，則會導致斷路器合閘后無法保持，出現立即分閘現象。依據機構動作原理及機械設計理論，有3個方面原因可能導致分閘掣子裝置與操作拐臂無法有效嚙合：一是分閘掣子裝置機械性能不滿足要求；二是操作拐臂尺寸不滿足要求；三是凸輪盤尺寸不滿足要求。

為確定故障部位，依次對分閘掣子裝置、操作拐臂和凸輪盤更換并進行操作。發現，在未更換凸輪盤的情況下，均會出現合閘失??；而更換凸輪盤后，合閘失敗的現象消失。因此，初步判定故障元件為凸輪盤。

3 故障原因分析

為分析透徹凸輪盤故障導致合閘失敗的原因，首先需要深入了解BLG 1002A型操作機構在動作時分閘掣子裝置、操作拐臂和凸輪盤的配合過程。

3.1 合閘過程各元件的動作配合介紹

圖2為合閘狀態下操作拐臂和分閘掣子裝置的相對位置。正常合閘狀態下，分閘掣子裝置滾軸與操作拐臂鎖鉤嚙合，阻止操作拐臂在分閘彈簧作用下向左運動，使斷路器保持合閘狀態。

圖2 分閘掣子裝置和操作拐臂相對位置

進行分閘操作時，分閘線圈通電。圖3中，銜鐵1撞擊二級鎖鉤3，使其順時針轉動，二級鎖鉤3的動作使一級鎖鉤4發生順時針偏轉，進而導致滾軸2失去支撐，最終使得操作拐臂失去閉鎖向左運動，拉動絕緣拉桿完成分閘。

圖3 分閘掣子裝置

由機構原理圖可知，在合閘過程中，凸輪盤推動操作拐臂向右移動。由凸輪盤幾何形狀可知，它的邊緣到轉軸的直線尺寸直接影響操作拐臂的動作距離。若尺寸過小，操作拐臂動作距離過小，將導致分閘掣子裝置滾軸與操作拐臂鎖鉤無法有效嚙合。待凸輪盤與操作拐臂脫離后，操作拐臂將在分閘彈簧拉力下迅速向右動作。拉動絕緣拉桿將斷路器觸頭斷開，造成合閘失敗。若凸輪盤尺寸過大，操作拐臂向右動作距離過大，將導致其回彈幅度過大，使得操作拐臂鎖鉤與分閘掣子裝置滾軸撞擊劇烈。長此以往，磨損嚴重，可能使嚙合部位無法有效閉鎖，也將造成合閘失敗。

3.2 對更換元件的檢查

首先對分閘掣子裝置進行外觀檢查，無異常。對圖3所示的各動作部件間的縫隙進行測量，1 mm塞尺無法塞入，確定各部件間嚙合良好。使用掣子檢測儀對分閘掣子裝置機械性能進行檢測，如圖4所示，檢測合格。

圖4 分閘掣子裝置機械性能檢查

對操作拐臂進行外觀檢查，無異常。將它裝配在同類型機構中進行模擬操作，動作正常，可確定操作拐臂完好。

使用三坐標法對凸輪盤尺寸進行檢測，結果顯示凸輪尺寸最大偏差-0.825mm，超出允許公差（±0.5mm），最大超差0.325mm，確定凸輪盤尺寸不合格。凸輪盤尺寸出現超差位置，如圖5所示橢圓內部。凸輪盤尺寸過小部位直接導致操作拐臂運動距離偏小，大大增加了合閘失敗的幾率。

圖5 凸輪超差位置

4 凸輪盤制作工藝

凸輪盤的尺寸直接影響BLG 1002A型操作機構在合閘操作完成瞬間能否對操作拐臂實現可靠閉鎖，這對凸輪盤表面與操作拐臂接觸部位的硬度和耐磨性能提出了很高要求。由ABB技術人員介紹，凸輪盤的主要材料為不銹鋼。為增大零件韌性，使它在運行過程中不易發生斷裂，該類型不銹鋼的含碳量較小。但是，為了增加它表的面硬度，減小磨損，需增大表面部位的含碳量。

滲碳工藝[3-4]為金屬材料一種常見的熱處理工藝，廣泛應用于機械制造行業。具體方法為：將低碳鋼部件放于具有活性滲碳的介質內加熱，在溫度達到900～950℃的單相奧氏體區并保持足夠長時間后，使介質中分解出的活性碳原子滲入鋼件表面，再經淬火、表面回火等工藝，大幅提高鋼件表面層硬度和耐磨性，而其他部分依然保持足夠的韌性。

正常情況下，該類型凸輪盤的合格成品外表面采用2 mm滲碳工藝，正常壽命周期內不應因磨損導致零件誤差過大。

5 結論及下一步措施

5.1 結論

通過對分閘掣子裝置、操作拐臂和凸輪盤的檢查試驗，確定凸輪盤的尺寸誤差過大為該次合閘失敗故障的主要原因。技術人員已更換該開關三相機構的凸輪盤，且更換后的分、合閘操作無異常。

5.2 下一步措施

對更換下的凸輪盤進行磨損試驗和硬度測試，分析其誤差過大的原因，并列為典型案例，作為今后類似缺陷的處理依據。

對新上BLG 1002A型操作機構應加強出廠檢測，設備運維管理單位要在出廠監造過程中予以特別關注，保證出廠驗收合格。

為防止同類型在運操作機構出現相同故障，工作人員需全面排查所轄變電站的所有斷路器，梳理同型號操作機構，并綜合分析運行狀態，對服役時間較長的設備列出檢修計劃進行維保，更換凸輪盤。

BLG 1002A型操作機構為ABB公司較老產品，目前已逐步被BLK 222型彈簧操作機構（如圖6所示）所替代。由圖6可知，BLK 222型彈簧操作機構無凸輪盤結構，而是由操作拐臂牽引偏心拐臂完成合閘。在行程末端，偏心拐臂由分閘掣子裝置鎖定，保持在合閘位置。零部件的輕微磨損對該類型結構的動作影響較小，使其動作更加可靠。

圖6 BLK 222型彈簧操作機構

參考文獻：

[1] 周 爽，楊月紅，孫 進.交流高壓斷路器[M].北京：中國電力出版社，2015.

[2] 北京ABB高壓開關設備有限公司.SF6斷路器HPL 245-550B2和HPL 245-550TB2帶BLG 1002A操作機構產品手冊[Z].2004.

[3] Dukarevich I S，Gol’dshtein L Y.Chemical Heat Treatment of Carburized Helical Gear Wheels[J].Metal Science & Heat Treatment，1991，33（2）：134-136.

[4] 內藤武志.滲碳淬火實用技術[M].北京：機械工業出版社，1985.