敞開式隔離開關典型結構與故障分析

肖丹，彭詩怡，周濤濤

（1.云南電網有限責任公司昆明供電局，昆明650217；2.武漢大學電氣工程學院，湖北武漢430072）

0前言

高壓隔離開關是電力系統中使用量最大、應用范圍最廣的高壓電器設備，在產品設計、選材、加工、安裝調試等方面的把控均不夠嚴格，而在檢修方面，更是沒有統一標準?？傮w來看，一方面，隔離開關質量不過關，另一方面，隔離開關用量大、工作范圍廣、而且往往在環境較為惡劣的戶外，所以長期以來隔離開關故障頻繁發生得不到解決[1-3]。本文意在從隔離開關的基本結構出發，歸納常用型號隔離開關的典型故障，分析不同型號之間隔離開關常見故障的異同，探究其故障背后的原因，為隔離開關的生產與檢修提供參考。

1隔離開關典型結構與故障

隔離開關的型號雖然有所不同，但其基本構成相同，均包括開斷元件、支撐絕緣件、傳動元件、基座及操動機構五個基本部分，如圖1所示，這五個部分之間相互關聯。

其中開斷元件主要包括觸頭部分，是開斷電路的直接元件。由于接觸部分存在接觸電阻，其值與壓力、接觸面情況等因素均有關系，因此在實際運行中，常常容易由于生銹、臟污等各種原因導致接觸電阻增大，由此引發接觸部分發熱嚴重甚至在觸頭上留下灼燒痕跡等。

支撐絕緣件主要是指支柱絕緣子，其作用是使導電部分具有可靠對地絕緣。由于支柱絕緣子連接各傳動部分，在隔離開關分合閘操作過程中受到多種力的作用，所以在實際運行中常常發生傾斜或斷裂等典型故障。

傳動機構主要包括隔離開關各連桿、軸承、齒輪、拐臂等機械構件。主要作用是通過機械運動，完成力的傳遞，實現隔離開關分、合閘。因此其典型故障是各部件由于生銹等原因無法完成相對運動，或是由于力的作用發生形變和損壞。

基座一般是水泥底座、支撐鋼件和底座槽鋼等組成，其余各部分固定在基座上，由于基座主要是起支撐作用，受力較為穩定，所以發生損壞較少，但基座若安裝不水平或者存在別的問題，容易影響固定在其上面其它部分的受力，造成其他基本結構的元件發生損壞。

圖1隔離開基本結構與對應故障

圖2各類型隔離開關典型故障

操動機構主要包括驅動電機、控制回路和手動機構等。一般故障原因為二次元件不可靠或電動機故障等。

常見隔離開關的根據結構可分為雙柱水平旋轉式、單柱單臂垂直伸縮式、雙柱水平伸縮式、三柱水平旋轉式四種。各類型的隔離開關典型故障如圖2所示。其中，各類型隔離開關發生瓷瓶斷裂和操作機構故障基本相同。而觸頭故障和傳動機構故障由于各類型隔離開關的觸頭結構和傳動機構結構有所不同，表現形式也有所不同。

2共同故障分析

2.1絕緣子斷裂故障分析

在高壓隔離開關的多種典型機械故障中，支柱瓷絕緣子發生斷裂對運行和人員安全帶來的危害性最大[4]，對隔離開關來說是難以挽回的毀滅性破壞，只能進行整體更換。國家電網公司曾在2002年對高壓支柱瓷絕緣子斷裂事故進行了調查統計[5]，涉及隔離開關的事故比例高達81%。隨著國家電網對于隔離開關完善化的高度重視和努力推進，近年來，支柱絕緣子生產工藝、隔離開關設計和安裝工藝都有了顯著提高，有關絕緣子斷裂事故的報道大幅減少，但仍時有發生[6-7]。

支柱絕緣子發生斷裂主要受到質量和作用力兩方面影響，如圖3所示。絕緣子的質量主要與絕緣子的制作工藝和安裝工藝相關，質量不良主要體現在以下幾個方面：

1）瓷質的致密度差。燒制過程中溫度控制不合理、還原時間或氣氛不夠、干燥過程過快或過慢都會對絕緣子的瓷質產生巨大影響，使得瓷體內部存在大量的氣孔和微觀裂紋，機械強度極低，在應力的作用下極易斷裂[5]；

2）支柱絕緣子中有夾層夾渣。在擠制過程中，因擠刀過于光滑，使支柱絕緣子產生夾層，但在外面不容易發現，就可能在夾層處斷裂。夾渣引起斷裂是因為夾渣周圍必然有微小裂紋，這種微小裂紋在外力的作用下產生應力集中，使裂紋發展，最后斷裂。

3）澆注質量差。現場對瓷柱絕緣子解剖表明膠裝質量問題較多，例如有的未加緩沖墊，有的定位木楔用后斷在里面未拿掉，有的只膠裝了法蘭口一圈，里面沒有膠裝劑[9]；有的水泥膠裝不實，有間隙空洞缺陷，會造成應力分布不均，操作后松動、進水等不良后果。由于支柱絕緣子根部受到的應力最大，當法蘭和支柱絕緣子澆注質量較差或兩者不垂直時，都有發生斷裂的隱患。另外，絕緣子的破壞負荷與膠裝比有近正比的關系。（膠裝比為膠裝深度與瓷件直徑之比，一般為0.6）[8]。

圖3瓷瓶斷裂故障原因

但即使在出廠檢驗中合格、安裝工藝也符合標準的絕緣子也存在斷裂事故，主要原因是受到超出預期正常大小的力，主要來源包括：

a.膠裝劑和絕緣子還有金屬部件三種材料具有很大的差異性，在較大溫差下易由于膨脹系數不同導致形變，產生相互之間的擠壓和作用力[9]；

b.操作方法不當、用力過猛，使得支柱絕緣子受到過大橫向沖擊力；

c.安全系數取值偏低。絕緣子選型采用傳統理論計算未考慮風壓，但如果所處位置在較高風口處，風壓較一般地面也應增大20%～50%，給絕緣子帶來較大橫向力。

另外，在隔離開關長期的運行過程中，由于機械部件存在疲勞性，本身的機械強度易降低，連接處也可能出現松動導致受力不平衡，而且在實際中發現隔離開關投產時間與支柱絕緣子生產日期存在較大差異，甚至有的支柱絕緣子的生產日期比隔離開關實際投運時間要早兩年，這使得絕緣子的實際使用壽命比預計的使用壽命要短[10]，因此應當注意對于隔離開關絕緣子的檢查與檢測。

2.2操動機構故障分析

常見隔離開關操動機構型號主要有CJ 型、MH93型和CMM 型等。不同型號的隔離開關操動機構分合閘控制回路雖有所不同，但其分合閘控制基本原理相似[11]。

按操作實現情況分類，操動機構可分為四類：無法遠控分合閘，但可實現就地分合閘；無法就地分合閘，但可實現遠控分合閘；無法遠控及就地分合閘，按接觸器磁吸可分合閘；僅可手搖操作分合閘。具體故障表象包括：

1）隔離開關拒動；

2）在隔離開關動靜觸頭到位后，隔離開關輔助接點不能正常切換，電機不停止運行；

3）電機空轉但隔離開關不運動；

4）機械聯鎖失靈。

造成這些故障的主要原因有：

a.機構箱內微動開關、熱繼電器、接觸器等二次元件易出現接觸不良[12-13]；

b.造成原因為隔離開關的位置信號是采用操作機構箱內的輔助接點進行轉換的。由于這些輔助接點受運行環境、電機運行狀況、傳動裝置、金屬部件銹蝕影響較大，常常轉換不可靠[15]；

c.絲杠、絲母故障較多[18]。絲桿與絲母加工精度不夠。兩者裝配調整不當，以及長期工作后出現螺紋損傷(絲母為鑄銅件,承力后螺紋碎裂脫落)，絲杠、絲母螺紋間隙增大等問題，都會導致絲桿與絲母不嚙合，絲母空轉無法帶動輸出軸做功[12]；

d.不按聯鎖的操作順序、強行操作造成聯鎖板損壞變形；接地隔離開關的聯鎖板與主隔離開關的聯鎖板之間有間隙，接地隔離開關的聯鎖板固定螺釘松動使閉鎖角度變化均會導致閉鎖失靈。

3常見隔離開關結構與故障

3.1雙柱水平旋轉式

GW 4型隔離開關是典型的雙柱水平旋轉式隔離開關，三相之間通過水平拉桿連接傳動。主要用于220 kV 及以下的線路當中。

圖4水平雙柱式隔離開關示意圖

其工作機理如圖4所示，由操動機構帶動垂直連桿轉動，垂直連桿通過連桿帶動主動級轉動，主動級通過柱間交叉連桿和相間連桿帶動同相的從動級和其他相的主動級轉動，其他相的主動級再帶動從動級，實現整體的轉動，帶動上部觸頭的轉動，最終實現合閘與分閘過程。

3.1.1觸頭故障

GW 4型的導電臂包括左右兩個部分，分別為觸指側觸頭與柱型觸頭側觸頭，如圖5所示，這兩側觸頭分別固定在兩個瓷柱上，做水平分合閘，通過導電臂前段的觸指與柱型觸頭在兩個瓷柱中間接觸完成導電。

圖5觸頭結構示意圖

常見的觸頭故障包括閉合時觸頭頂住觸指、柱形觸頭頂住外殼、觸頭與觸指單邊接觸等引起的分合閘不到位或兩側觸指變形相差較大。在掛母線后，未保證觸頭的插入深度、合閘時兩導電臂不呈直線，分閘時兩導電臂呈八字形，以及觸頭接觸不良，導致發熱嚴重?，F場發現很多大負荷線路的隔離開關的觸指尾部定位端子和定位槽或多或少都有燒熔的痕跡[14]。造成原因主要包括：

1）隔離開關在合閘位置時，觸指完全靠彈簧的拉緊作用來保證它與觸頭間有足夠的接觸壓力和較小的接觸電阻，彈簧長期處于受拉狀態而疲勞，導致合閘不到位[14]；

圖6觸頭分合閘不到位

2）條形觸指排列不整齊，各觸指張開角度大小不一樣，當電動閉合時，靠近觸頭中心線的條形觸指被頂住使隔離開關閉合不到位；

3）觸指進水生銹，導致觸頭無法運動至規定位置，出現分合閘不到位；

4）長期運行中接觸面表面氧化、臟污等原因導致接觸電阻過大并引起發熱等；

5）分閘困難時，觸頭部分可能產生電弧，造成發熱，嚴重時甚至燒毀觸頭。3.1.2傳動問題

由GW 4型的結構可知，傳動機構主要包括電機至某相的主動級，主動級與從動級之間交叉連桿，各相之間連桿。常見故障主要包括操作費力、轉動過程卡滯并伴有嚴重晃動的卡澀現象；傳動系統部件發生如接頭脫焊、拐臂斷裂、連桿彎曲等的不可逆的部件損壞；由于傳動機構配合不合適引起的三相分合閘不同步。造成原因可歸納為安裝工藝、設計問題、密封問題、壽命問題四類：

1）安裝工藝。主要是在安裝過程中未達到標準與規范，例如相間和同相的水平傳動拉桿與接頭未焊接在同一中心線上、三相間的聯運水平轉動軸不在同一中心線上、轉軸上的扭力彈簧擰得太緊、轉動部位沒上潤滑劑均會導致操作費力。操作絕緣子下面的法蘭與輸入拐臂角度三相不一致,操作絕緣子上面的法蘭與輸出拐臂(與連桿連接處)角度三相不一致會導致三相分合閘不一致。

2）設計問題。主要是指隔離開關在設計上存在易導致問題的缺陷，例如分合閘定位螺釘、輔助開關及限位開關的行程設置不合理導致分合閘不到位或者三相不同期故障；兩種金屬接觸的地方形成原電池，易生銹[5]；滾動軸承表面沒有設計補油孔，時間長了潤滑劑干枯會導致轉動軸承滾珠轉動不靈活，造成卡澀甚至拒動。

3）密封問題。密封不嚴導致機構箱及軸承部位進灰進水。進灰易導致藏污，傳動機構阻力增大；進水易導致生銹，造成銹死或傳動困難，且積水冬天結冰，不僅會凍住部件，無法運動，而且因為體積膨脹易引起積水部位的部件損壞，產生裂紋。

4）壽命問題。主要帶來的是部件生銹、磨損、變形與損壞。長時間運行時，彈簧長期疲勞易導致失效，操作時的沖擊作用易使傳動系統的銷子變形，軸孔因磨損而擴大、限位螺母松動、分合操作限位螺釘機械磨損。

3.2單柱單臂垂直伸縮式

單柱單臂垂直伸縮式(例如：GW 10 GW 16 GW 20 GW 22等),GW 10型隔離開關包括上下兩導電臂，其運動過程主要包括下導電管完成的折疊運動和上導電管完成的夾緊運動兩部分復合而成。

圖7垂直伸縮式隔離開關

3.2.1觸頭部位故障

在隔離開關合閘過程中，當接近合閘位置（快要伸直）時，滾輪沿著齒輪箱斜面運動，帶動頂桿克服復位彈簧作用力向前，并通過對稱式滑塊增力機構轉換成觸指的相對鉗夾運動，當夾住后，滾輪繼續運動，夾緊彈簧被二次壓縮，使頂桿獲得穩定推力，從而使觸指獲得穩定加緊力。分閘時滾輪反向運動，復位彈簧使頂桿帶動觸指張開[19]。

但在實際中，觸頭常出現合閘時夾不緊（例如GW 22-126達不到廠家標準中每片觸頭300N的壓縮力要求[17]）、分閘時分不開、觸指打不開等故障[16]，這會導致觸頭部位接觸電阻變大，溫度過高，在金屬部件表面留下灼傷痕跡甚至損壞。造成故障的主要原因為：

1）夾緊彈簧疲勞或生銹導致夾緊力不夠；復位彈簧生銹卡澀，導致分閘時無法推動頂桿使動觸指張開，曳拉靜觸桿[18]；

2）動觸頭座密封不嚴，內部積有較多塵土，動觸頭操作桿涂抹的潤滑劑干涸,與塵土混合后形成頑固的污漬,使操作桿運動阻力增大,大于復位彈簧提供的作用力，動觸指不能有效張開[18]；

3）導電管防雨罩不防水。由于觸頭部分會進行夾緊和張開運動，因此防水和密封較為困難，雨水滲漏會引發導電管內部傳動部件銹蝕[22]，且排水孔易被潤滑劑堵塞，冬天時，積聚的雨水結冰后，設備也無法操作；

4）由于氣溫及部件的影響，會引起各部件及緊固螺栓的熱脹冷縮，當各部件及緊固絡酸的熱脹冷縮系數不一致時，將會引起各連接螺絲松動，導致夾緊力不夠[24]。

3.2.2傳動機構故障

由于此累隔離開關為垂直運動，所以在合閘與分閘時重力有時是動力有時是阻力，因此存在一個平衡彈簧以平衡重力作用；上下導電臂的連接處主要通過齒輪、齒條與滾輪進行運動的傳遞。

這些特有的部件使得該類型隔離開關除了傳統的銹蝕、損壞、老化等引起的卡澀等故障，還存在絕緣滾輪故障、滾輪接觸不良過熱稍微齒輪盒故障、導向輪與銅軸抱死導致卡澀、分合閘不到位甚至拒動等特有故障。造成原因包括：

1）滾輪材料不好，易變形、松動，在長期運行過程中磨損甚至破裂[21]；

2）齒輪盒在出廠時有排水孔，沙塵進入齒輪盒，使赤露收到驗證磨損甚至發生打齒現象，導致分合閘中出現空行程，分合閘不到位[20]；

3）導電桿下部導向輪材質為環氧樹脂，有時會發生導向輪與轉軸抱死，造成導向輪不能轉動，機構運動受阻[20]；

4）各部件彎曲變形或者磨損導致操作桿等效長度發生變化，齒輪與齒輪相對運動距離減小，轉動角度不足，合閘不到位[19]。

3.3雙柱水平伸縮式

雙柱水平伸縮式(GW 11 GW 17 GW 21)與單柱垂直伸縮式工作原理類似，也包括兩個導電部分，主要區別在于運動方向為水平方向。

圖8雙柱水平伸縮式隔離開關示意圖

3.3.1觸頭部位故障

由于此類隔離開關觸頭也屬于夾緊類，因此也存在夾緊力不夠導致接觸電阻過大的問題，又因為運動方向為水平方向，隔離開關快要合閘時,往往發現靜觸桿于夾叉明顯不居中，或者隔離開關合閘完成后，四只夾叉中僅有對角兩只靜觸桿夾緊。其余兩只未與靜觸桿夾緊，甚至有間隙存在，以及夾緊時夾叉對靜觸桿兩側夾緊力不相同的情況；造成這些現象的主要原因為：

1）動、靜側底座安裝尺寸有較大偏差,尤其是動側底座安裝時,尺寸稍有偏差,靜觸桿于夾叉不對中偏差就明顯表現出來(偏差往往被放大10多倍)[23]；

2）動側導電體中的內置大型鋁鑄件的位置度沒有控制好[23]。使單邊兩只夾叉夾緊面不共面，或共面后與靜觸桿中心線不平行。上、下導電管配作定位螺柱孔時應特別引起注意；

3）觸頭部位臟污生銹、靜觸頭插入深度不合適；

4）由于做水平運動，當風垂直運動方向時，會對隔離開關產生較大作用力。因此此類隔離開關運行環境對風速也有一定要求，小于34 m/s的環境中。

3.3.2傳動機構故障

此類隔離開關除了卡澀故障外，連軸節（即導電臼節）處易發生故障，值得重點關注。例如滾輪觸點因發熱而燒損，導致連軸節在運動時發生卡滯，致使分合閘不到位，同時連軸節防護罩不嚴密，造成內部銹蝕使導電閘刀在時發生卡滯，致使分合閘不到位。

3.4三柱水平旋轉式

三柱水平旋轉式(GW 7)的特點在于其合閘方式，如圖9所示，先由導電桿繞著垂直連桿在水平面內旋轉，插入到到指定位置后，觸頭彈出觸刀接觸靜觸頭或觸頭繞導電桿自身旋轉與靜觸頭接觸，完成合閘[29]。

圖9三柱水平旋轉式隔離開關示意圖

觸頭部分常出現的故障包括動觸頭偏離，還未插入觸刀就彈出或提前翻轉，以及分合閘不到位和接觸不良引起發熱，甚至出現刀頭斷裂[28]等。造成原因為：

1）隔離開關導電桿自重大，750 kV 達10 m左右[30]，易于受風力溫差、接線端子拉力等因素影響產生變化造成動觸頭偏離；

2）主閘刀系統剛性不夠。原本觸頭翻轉是因為受到限位件阻力左右，若剛性不夠，則可能因為受到除上限位件阻力以外的異常阻力造成提前翻轉[31]；

3）觸頭部分上下壓縮量相差較大，單邊觸指壓縮量過小，接觸不良；

4）主拐臂與半月板緊固螺絲緊固不到位，垂直連桿拐臂板受力打滑，導致主刀合閘不到位；

5）觸頭內部積污使刀頭轉動困難，長期運行使刀頭鑄鋁軸和軸上的扭力彈簧上承受的操作力過大而損壞[28]。由于水平旋轉式是由一根主導電桿連接了三個絕緣子柱，此導電桿通常較長，需要的力較大，而且要求三點一線，才能夠滿足合閘要求，因此除了傳統的生銹和潤滑不夠導致的卡澀故障，還易出現：

a.三絕緣子中心不成一直線，偏差＞10 mm，導致分合閘不到位；

b.以相間水平連桿彎曲斷裂為典型的部件損壞[25-27]。造成原因主要是部件強度不夠和調試不當，使得機構輸出軸與主刀操作拐臂軸不同心，軸內部受力不均勻而變形甚至斷裂，而且需要更大的力才能夠進行正常轉動，有可能因為手動操作力大，電動操作啟動過載保護。

4 結束語

本文從結構出發，歸納了常見型號隔離開關的典型結構及其對應的故障和產生原因：

1）各類型隔離開關的操作機構故障與絕緣子斷裂故障原因類似；

2）對于觸頭部分，鉗夾式的隔離開關觸頭容易在觸指張開與夾緊環節出現問題，水平雙柱旋轉式的配合較為重要，觸指需要注意配合，否則容易出現觸頭抵住觸指導致的分合閘失敗現象；而三柱水平旋轉式在導電桿先旋轉觸頭再繞導電桿自身翻轉的過程中容易受到干擾提前翻轉而導致失?。?/p>

3）對于操動機構，除了典型的密封和生銹問題，伸縮式隔離開關存在連軸節將上下導電臂連接，此連接部位的齒輪、滾輪等小部件易出現磨損，連接處的防水與防銹蝕也更為困難，對于垂直運動的隔離開關，存在平衡彈簧以平衡重力作用，對于水平運動的隔離開關，裝配上的小誤差容易被放大造成夾叉不居中，無法準確合閘。

在之后隔離開關的檢修與設計中，對于不同結構的隔離開關，需要重點注意的部分也不同，例如對于伸縮式隔離開關的連接處需要注重密封與防水，連接處滾輪與齒輪強度也需要重點考慮；對于三柱水平旋轉式隔離開關，水平連桿強度更為重要；而對于鉗夾式隔離開關，需要重點監測是否夾緊，即使目測已經合閘成功，也應注意是否達到預期夾緊力，以免出現發熱事故。