一起220 kV彈簧機構斷路器分閘故障分析及處理

苗全堂，王佳輝，秦任鵬

(國網山東省電力公司東營供電公司，山東 東營 257100)

0 引 言

高壓斷路器是電網中重要的一次設備，能夠關合、開斷電網運行中的正常電流和故障電流，是電網控制和保護的主要執行設備[1]。操動機構是斷路器分合閘操作的動力部分，直接控制斷路器的分合閘操作，其可靠運行對于斷路器正確動作至關重要。操動機構主要有彈簧機構、電磁機構、液壓機構3種型式[2]。彈簧機構斷路器由于結構緊湊、維護簡單、檢修次數少等諸多優點，被廣泛應用于220 kV及以下電壓等級電網中。但分合閘操作失靈仍是彈簧操動機構比較常見的故障，一旦發生類似故障，就會嚴重影響電力系統安全運行。因此，對發生的彈簧操動機構斷路器分合閘故障進行分析并總結經驗尤為重要。基于此，介紹了一起典型的由于合閘保持摯子質量不合格導致的220 kV彈簧機構斷路器分閘故障，在進行故障處理及原因分析的基礎上，對今后設備制造、驗收、運檢提出相應措施與建議。

1 故障概況

2019年10月19日，某220 kV變電站220 kV組合電器彈簧機構斷路器停電過程中A相分閘線圈燒毀、A相保持在合閘位置，B、C兩相動作正常、順利分閘。故障發生時斷路器A相如圖1所示，故障設備型號為ZFW20-252，出廠時間為2017年6月，投運時間為2017年12月。

圖1 故障設備機構箱Fig.1 Mechanism box of fault equipment

2 緊急分閘及本體檢查

2.1 故障后緊急分閘處理

將線路對側停電，拉開斷路器控制電源和儲能電源，按下分閘線圈銜鐵，機構無反應。隨后，將燒毀的電磁鐵卸下，使用工具將圖2中所示分閘摯子向分閘方向壓下，分閘摯子可以正常動作，但合閘保持摯子沒有反應，仍牢固地鎖住主拐臂上的合閘保持銷，如圖3所示，機構仍然不能分閘。

圖2 分閘摯子Fig.2 Switch-off trigger

使用工具助力如圖4中所示輸出連桿往合閘方向運動，輸出拐臂無移動跡象，基本排除了上次合閘不到位導致機構未過死點引起的設備故障。隨后，使用工具敲擊圖3中所示的合閘保持摯子，經過幾次敲擊后，順利分閘。

圖3 機構分閘故障處Fig.3 Switch-off fault position of mechanism

圖4 輸出連桿Fig.4 Connecting rod of output

2.2 本體分解物檢測

分閘后，對A相滅弧室進行了SF6分解產物檢測，SO2及HS等硫化物含量為0，推斷A相滅弧室無燃弧現象，驗證了上次合閘確實已經到位，同時也說明分閘線圈燒毀時A相處于完全合閘狀態，輸出拐臂還未往分閘方向動作。

3 原因分析及后續處理

3.1 彈簧機構原理介紹

彈簧操動機構是一種以彈簧作為儲能元件，通過彈簧能量的釋放實現斷路器分、合閘操作的機械式操動機構[3]。彈簧操動機構的工作原理如圖5所示，合閘彈簧由電機經減速裝置實現壓縮儲能，分閘彈簧通過合閘彈簧能量的釋放及機械聯動實現壓縮儲能，并經各自的鎖扣系統進行狀態保持。設備正常運行時，分、合閘彈簧均處于已儲能狀態[4]。

圖5 彈簧機構原理圖Fig.5 Schematic diagram of spring mechanism

合閘時，合閘電磁鐵帶電動作，頂桿沖擊合閘摯子，合閘鎖扣系統解鎖動作，合閘彈簧釋放，經機械傳動帶動斷路器觸頭合閘，同時，壓縮分閘彈簧儲能[5-6]。分閘時，分閘電磁鐵帶電動作，頂桿沖擊分閘摯子，分閘鎖扣系統解鎖動作，分閘彈簧能量釋放，經機械傳動帶動觸頭分閘。

3.2 原因分析及故障消除

正常合閘完成后，分閘系統機械結構如圖6所示，合閘保持摯子主要受到外部的4個作用力：F1為在分閘彈簧拉力作用下主拐臂上合閘保持銷的壓力；F2為合閘保持銷的摩擦力，由于合閘保持銷具有軸承，因此，為滾動摩擦力，相比滑動摩擦力較小；F3為分閘摯子的壓力；F4為合閘保持摯子壓緊彈簧的復位力。

圖6 分閘系統機械結構Fig.6 Mechanical structure of switch-off system

F1的力臂L1如圖6所示，F1的力矩M1使合閘保持摯子逆時針轉動，F2、F3、F4的力矩M2、M3、M4使合閘保持摯子順時針轉動。合閘完成后，逆時針力矩與順時針力矩平衡，合閘保持摯子靜止，機構維持在合閘狀態。當分閘摯子受分閘電磁鐵頂桿撞擊動作后，作用力F3消失，平衡狀態被打破，合閘保持摯子在力矩M1的作用下逆時針轉動，釋放合閘保持銷，主拐臂在分閘彈簧的作用力下順時針轉動，實現分閘。本次故障時，作用力F3消失后，合閘保持摯子并未動作，根據其受力狀況，分析可能的原因有：

1)作用力F1異常減小。分閘彈簧的復位力大小直接決定了F1的大小，分閘彈簧結構如圖7所示，包括分閘彈簧、活塞桿、緩沖缸等部件。在分閘過程中，活塞桿動作近似直線運動，分閘彈簧輸出力很大，在動作過程中出現卡澀的概率很小。上述處理過程中，通過敲擊合閘保持摯子順利分閘，而沒對分閘彈簧進行任何操作，從而排除了分閘彈簧活塞桿和緩沖缸研缸的故障。

圖7 分閘彈簧結構Fig.7 Construction of switch-off spring

2)作用力F4異常增大。由于F4為壓緊彈簧的復位力，彈簧復位力應隨運行時間增長而變小，不存在異常增大的可能性。

3)作用力F2異常增大。若合閘保持銷滾動軸承損壞后，滾動摩擦變為滑動摩擦，合閘保持銷摩擦力F2會異常增大。若材料硬度不夠，合閘保持銷和合閘保持摯子接觸點表面出現壓痕而不再光滑，也會使摩擦力F2異常增大。

基于以上分析，對機構零部件進行檢查，發現主拐臂上的合閘保持銷外觀良好、轉動靈活。合閘保持摯子工作面存在寬度和深度不均勻的凹痕，而且磨損程度也不均勻，確定合閘保持摯子損壞，拆下后的合閘保持摯子如圖8所示。

圖8 損壞的合閘保持摯子Fig.8 Damaged switch-on holding trigger

確定故障原因后，對合閘保持摯子進行了更換。更換完成后，對機構轉動部件涂抹了潤滑脂，對斷路器機械特性進行了測試，測試數據合格，故障消除。

對損壞的合閘保持摯子進行硬度檢測，測得其硬度為HRC47，低于HRC52±2的技術要求。在2017年進行出廠及交接機械特性試驗時，均沒有發生分閘故障，但經過近兩年的合閘運行后，再次分閘時發生故障。結合其檢測結果可知，本次故障是由于斷路器長時間處于合閘狀態時，不合格的合閘保持摯子長時間受合閘保持銷的應力而表面產生較大磨損所致。

4 結 語

介紹了一起220 kV組合電器彈簧機構斷路器因合閘保持摯子質量不合格導致的分閘故障，為了防止類似故障再次發生，提出以下幾點建議：

1)加強制造環節質量管控，選用優良零部件。彈簧操動機構由上百個零部件組成，制造廠每個零部件質量都應把控好，尤其是合、分閘過程需要承受較大應力的轉動軸銷、摯子類零件。選用質量優良的零部件是機構性能可靠的前提。

2)加強設備驗收管理。到貨驗收，應逐一檢查斷路器的生產記錄、核心零部件檢測合格證等出廠資料，交接驗收。對機械性能試驗進行現場關鍵點驗證，防止斷路器帶缺陷投運。

3)提高設備運檢質量。合理安排斷路器維護、檢修計劃。檢查各傳動組件有無異常磨損、變形，對機構傳動軸承和軸銷涂抹潤滑脂。檢修完后進行機械特性試驗，確保機械特性參數合格。