高壓斷路器液壓機構內漏隱患分析及防治

【摘??要】液壓操動機構在現今高壓斷路器的應用日趨廣泛。本文以一起斷路器因液壓機構內漏閉鎖開關分合閘的事件為引子，結合相關材料介紹了分析內漏缺陷的技術方法，并通過后臺數據收集及測算介紹了挖掘液壓機構潛在內漏隱患的方法。研究結果對于提前預防類似的內漏隱患，保障電力系統的安全穩定運行具有重要意義。

【關鍵詞】液壓操動機構;工作缸內漏;液壓機構信號監測;后臺大數據分析

0?前言

高壓斷路器是電力系統中輸變電最重要的設備之一，在電力系統中起到控制和保護作用。斷路器操作機構是供斷路器使用的電氣控制設備，其中液壓機構是目前高壓斷路器配備較廣泛的操動機構之一。據統計本單位在運的GIS設備中，110kV及以上配備液壓機構的斷路器占比達30.8%，220kV及以上配備液壓機構的斷路器占比達69.5%。而液壓機構故障引發的重大及緊急缺陷中，以機構滲漏油、打壓異常為主。統計近兩年的生產管理系統液壓機構缺陷中，上述兩項占比達90%以上。

如機構存在內漏隱患并在較短時間內油壓快速降低，造成機構發出“低油壓報警”信號、“低油壓閉鎖”信號閉鎖開關分合閘時則需要緊急臨時停電處理，同時會造成擴大停電范圍或解鎖操作方能隔離。可見，針對液壓機構內漏隱患的研究是有緊迫必要性的。本文針對內漏產生的原因及隱患發掘防治進行了探討及分析。

1?事件引子

2018年9月6日，調度通知220kV某變電站#2主變變中1102開關后臺發“低油壓閉鎖”、“低油壓報警”信號。現場隔離后經檢查發現機構顯示未儲能，并伴有明顯燒焦味，機構箱內未見滲漏油現象。經測量儲能電機燒損，更換電機后打壓至1/3時無法繼續建壓，綜合判斷機構存在內漏缺陷。該機構運回基地解體后，檢查其管路間的密封部位及密封O型圈并無明顯的結構性破損，進一步檢查發現工作缸體內部有兩處裂紋，分別在碟簧與工作缸體連接處，及高壓油路節流閥處。

2?液壓機構內漏分析方法

液壓機構出現內漏，即因高低壓油路間的密封不良而導致。而高低壓油路的直接導通則會引起如上述事件的壓力短時間內快速下降而電機長時間運轉而無法建壓，開關閉鎖分合閘的情況。上述機構經解體后，發現其缸體上的兩處裂紋，裂紋深度是否貫穿導致了高低壓油路的導通，此處缺乏檢測并不能斷定。但通過對歷史的內漏缺陷的分析，并結合相關文獻，可以總結有效的分析方法及思考方式。

2.1排查設計原因

首先，需排除工作缸厚度或組件設計缺陷的干擾。因現有設備液壓機構的工作缸多為進口的集成式一體化缸體，而合資廠方配置不同的組件會導致其密封不良或局部過壓，如ABB原廠針對110kV液壓機構HMB-2系列液壓機構的碟簧配置為6片，而國產廠家的碟簧配置為7片，可合理懷疑上述碟簧與工作缸體連接處是因裂紋若管路間夾層厚度設計與碟簧配置失配，導致其缸體的無法滿足在儲滿壓狀態下碟簧連接處的應力。長期擠壓式缸體產生裂紋并逐漸加深形成內漏。

2.2檢查油路密封件

在對該型機構（ABB?HMB-2）進行拆解的過程中，發現高壓油路的密封件由聚四氟乙烯（PTFE）密封圈以及尼龍平墊構成。聚四氟乙烯密封圈因其化學穩定性、熱穩定性、抗摩擦性及自潤滑性良好而杯廣泛應用于液壓密封中。但當油質劣化或存在雜質以及操作中的局部過壓易導致其密封件損壞，從而導通高低壓油路。例如在活塞桿密封部位，其上下兩端在分閘位置時兩端分別承受高低壓力，一旦密封件損壞則內漏直接導通高低壓油路而發生壓力快速下降直接閉鎖開關的事件。因此當機構發生內漏解體檢查時，需檢查機構油路密封處的密封件是否存在結構性破損。

2.3檢測缸體鋁合金材質

機構油路管壁材質為7系鋁合金材質，7系鋁合金為鋅鋁合金，其中加入了少量的鎂和銅，有很高的硬度，常用于飛機構架及高強度配件。但如鋁合金材質不合格則會導致強度、硬度不足導致其無法長期承受油路高壓，并產生裂紋。，此時需檢測本批次產品的金屬成分，并對其進行機械、物理、化學、腐蝕、磨損試驗和無損檢測以及工藝性能試驗，而在發生內漏后，如需確定該裂紋是否貫穿并導致了內漏隱患，需對裂紋進行金相組織檢測[2-6]

表?1?液壓缸體鋁合金材質檢測方法

通過對裂紋樣塊進行金相分析，在高倍數顯微鏡下觀察其裂紋的走向以及延申的趨勢。可直觀的觀察出其是否貫穿。[3]

2.4開展機械特性試驗、檢測分合閘應力云圖

通過查閱相似情形的分析報告，可見550kV開關的液壓機構合閘狀態下，工作缸等效應力都分布集中在高壓腔內壁，平均應力為130Mpa?左右，最大應力為283Mpa左右，分閘狀態下，平均應力為130Mpa?左右，最大應力為250Mpa左右。

液壓機構高壓油路因分合閘過程中進行開關特性試驗可檢測開關在分合閘過程中的瞬間速度并計算其操作功以輔助判斷，或如上述分析報告中以檢測分合閘過程中的應力云圖的方式，如操作功過大使機構長期受應力是有可能導致產生局部過壓而使管路產生裂紋。[7]

2.5檢測活塞桿及工作缸中心長孔加工公差

高低壓油路在工作缸中心長孔的密封尤為關鍵，發生過因活塞桿應力磨損損壞密封后后產生內漏的相似事件，而工作缸中心長孔主要由長孔的加工及活塞桿的加工為主。加工管路或活塞桿時，車床刀頭產生震動或偏移以致油路前后端管徑存在形位公差，使管路產生應力不均并發展成內漏。該類公差的測量可由擺儀以及千分尺工具進行測量，測量活塞桿或工作缸中心長孔的管徑是否在公差允許范圍內，并檢查其前后端加工時是否存在偏心。

3?內漏隱患排查及防治方法

電力設備的狀態檢修和設備運行的可靠性、經濟性密不可分。電網運行中，需要依據電力設備運行大數據來分析設備可能發生故障情況，進而執行對應的狀態檢修策略，來保證電力設備穩定可靠的運行。

3.1應用大數據分析的意義

在大數據時代背景下，為科學的分析、判斷設備運行狀態，需要收集大量的設備正常運行及故障狀態下的基礎數據。結合目前生產運行數據，計劃針對斷路器設備的重要運行狀態信息進行收集。

但現有的數據樣本及能處理的數據信息仍有不完整，人工統計存在滯后性等問題。無法對于多數據進行監控以及預警。

以下是通過手工統計分析的單一站點的數據資料，重點分析了該站220kVGIS液壓機構的兩方面性能：

（1）電機打壓的效率、頻度：電機回路主要由延時繼電器SJ、熱偶RJ對電機起保護作用。此處主要統計分析電機打壓的效率（每次打壓的時間）、以及電機啟動的頻度（單位時間內打壓的頻次），以上數據的收集和監控對于電機的工況能更好的監視，并能反映機構潛在的內漏隱患。

（2）機構保壓性能：對于存在內漏隱患的液壓機構，從側面來說統計電機打壓的頻度不足以具體的展現其保壓性能的優劣，通過機夠兩次打壓間隔時間，并通過打壓啟動及復歸的壓力值或現場實測的碟簧形變量數據可以測算出漏壓速率可以更具體的反應機構的保壓性能。

3.2樣本設備信息

為了進一步分析液壓機構的運行工況，及時的發現設備隱患，并采取有針對性的策略。在此選取了220kV某站北京宏達日新的開關設備作為數據樣本進行統計。在此需要說明的時，ABB液壓機構低油壓報警壓力低于電機啟停泵壓力，而電機啟停泵信息未接入后臺，因此無法作為樣本進行數據分析，而北京宏達日新的液壓機構電機啟泵壓力與低油壓報警壓力一致，因此數據分析的樣本具有可參考性。

3.3樣本信息采集方法

3.4打壓頻度統計分析結果

統計該站2018年全年后臺該站數據統計，存在以下兩個打壓頻繁的#1主變變高2201開關及220kV1M、2母聯2012開關間隔。其中在年度總打壓次數偏高，平局日打壓次數超出了技術標準中的液壓機構部分的“24h打壓次數不超過6次”的條款[1]，因此針對這兩個開關間隔進行了進一步分析。

3.5打壓頻次統計分析結果

進一步對上述兩個開關單日的打壓次數進行統計可發現，兩個開關均有單日打壓次數超過30次的情況，并隨著時間推移并沒有逐漸增高的趨勢。但其打壓頻度的數據可進行進一步分析，由于220kV液壓機構為分相式，但后臺數據并沒有對單相機構的打壓數據進行統計。同時電機打壓的頻度與機構內部壓力有關，其用于發信過程關并非ABB型的通過碟簧型變量及絲杠擠壓行程開關，而是壓力開關易受溫度的壓力開關，同時操作及檢修等因素的對于數據統計也有一定影響。需進一步結合以上因素對數據進行補償、優化。

開關打壓次數偏高與內外部油路密封性息息相關。持續觀察并在周期性檢修維護工作中，對于此類存在隱患的開關進行保壓測試，并可結合表2中的方法進行實測數據參數計算漏壓速率

3.6保壓性能統計分析結果

兩次打壓時間間隔使對于液壓機構保壓性能的直觀體現，同時兩次打壓時間間隔的可以幫助測量漏壓速率，兩次打壓的時間間隔越短說明其漏壓速率越快。而漏壓快的機構其電機打壓也越頻繁，越容易出現儲能電機的故障并因此形成類似上述事件的設備隱患，影響電力系統的可靠運行。針對打壓次數較多的2012開關間隔進行了兩次打壓間隔時間的統計，如其間隔時間逐漸降低則說明其保壓性能存在劣化趨勢，而在2012開關的統計中并未發現該種趨勢但其間隔時間仍不容樂觀。

3.7?打壓時間統計分析結果

通過后臺數據報警信號的動作復歸時間做差，可得出各間隔儲能電機在報警動作復歸過程的打壓時間。電機是儲能模塊的重要元件，如電機故障則會導致在操作后無法順利建壓，打壓時間的長短是對電機性能的考量，打壓時間過長的電機可能因電機性能、電源參數不佳導致故障。而單間隔打壓時間的曲線也可反應電機運行過程中的老化程度，由下表可見各間隔電機打壓時常均在正常范圍。

但由于各個間隔報警動作復歸壓力區間的大小存在差異，對于在這個區間內的打壓效率也不盡相同，不足以具體的體現該間隔電機的實時工況。下面進一步對單一間隔的打壓時間進行了統計分析，可以發現油泵電機在單位壓力差內的打壓時間有逐漸增加的趨勢，但整體仍在正常范圍內。

4?結論

通過對于內漏缺陷分析方法的探討，加深了對于液壓機構集成式一體化缸體缺陷的分析深度，豐富了分析的方式方法。并為內漏缺陷的自主探索提供了渠道，使諸如此類的缺陷分析不會止步于發現結構性損壞、發現裂紋的層面。

而通過上述的數據分析，結合后臺數據針對液壓機構的統計分析，有助于挖掘出潛在的內漏隱患。

通過日打壓次數超標可挖掘打壓頻繁的設備，通過兩次打壓操作的間隔時間能反映其機構保壓性能的優劣，通過電機儲能時間的測算能檢查其電氣元件、二次回路是否存在異常或工況惡化。為挖掘潛在的液壓機構內漏隱患提供依據，并為運維人員在檢修維護的過程中提供數據參考，同時針對性的開展更詳盡的試驗以驗證其開關機構的可靠性。

以上統計介紹了相關的方法并進行的統計測算分析，測算數據存在干擾項。其中開關分合閘操作、220kV機構三相未獨立信號、ABB液壓機構無電機啟停泵信息、人工測算存在滯后性等因素均需在此種測算方式的基礎上對后臺信號、測算算法進行優化和改良，并得出更準確的監測數據。

參考文獻：

[1]GB/T?2879-2005，液壓缸活塞和活塞桿動密封?溝槽尺寸和公差[S]，北京：中國標準出版社，2005

[2]GB/T?231.1-2018，金屬材料?布氏硬度試驗?第1部分：試驗方法[S]，北京，中國標準出版社，2018

[3]GB/T?3488.2-2018，硬質合金顯微組織的金相測定?第2部分：WC晶粒尺寸的測量[S]，北京，中國標準出版社，2018

[4]GB/T?4340.1-2009，金屬材料?維氏硬度試驗?第1部分：試驗方法[S]，北京，中國標準出版社，2009

[5]GB/T?228.1-2010，金屬材料拉伸試驗?第1部分：室溫試驗方法[S]，北京，中國標準出版社，2010

[6]GB/T?17432-2012，變形鋁及鋁合金化學成分分析取樣方法[S]，北京，中國標準出版社，2012

[7]吳德新，550KV?GIS彈簧液壓機構的研究[D]，碩士學位論文，沈陽工業大學，2002

作者簡介：

傅川岳（1993-），深圳供電局有限公司助理電氣工程師，本科，從事變電設備檢修及運維工作。

（作者單位：深圳供電局有限公司）