3AP2—FI型斷路器FA5操動機構殼體開裂原因分析及整改措施

秦秉東 張 晨 阮彥俊 趙偉杰

3AP2—FI型斷路器FA5操動機構殼體開裂原因分析及整改措施

秦秉東1張 晨1阮彥俊1趙偉杰2

（1. 中國南方電網有限責任公司超高壓輸電公司廣州局，廣州 510000； 2. 中國南方電網有限責任公司超高壓輸電公司昆明局，昆明 650000）

斷路器是交直流輸電系統中的關鍵設備，在交直流輸電系統的運行中，斷路器設備不僅故障頻次高、故障類型繁多，故障原因也尤為復雜，深究斷路器的機械原理，分析斷路器的故障原因并提出相應的改進措施對直流系統的正常穩定運行尤為重要。本文對某換流站500kV 3AP2—FI型斷路器FA5操動機構的殼體開裂進行原因分析和整改策略研究。通過對異常斷路器機構解體檢查，基于設備的機械原理分析和解體檢查現象，分析得出斷路器操動機構殼體開裂是由斷路器儲能電動機輸出功率偏大導致。針對異常原因，本文給出相應的整改措施，并通過試驗驗證了其可行性和有效性。

斷路器；操動機構開裂；儲能電動機

0 引言

斷路器是交直流輸電系統中用于接通和開斷電流的關鍵設備，500kV高壓斷路器由于所需操作功大，往往設計復雜，機械零部件繁多且結構配合精巧，導致斷路器在運維過程中故障頻次高、故障類型多且故障原因復雜[1-3]。斷路器的運行可靠性很大程度上取決于其操動機構的可靠性，故障統計結果表明，斷路器操動機構故障導致的電網事故嚴重影響電網的安全穩定運行[4-6]。

目前，國內外針對不同類別斷路器操動機構的常見故障均進行了深入的探討研究，3AP2—FI型斷路器作為500kV高壓斷路器的常用選型之一，其FA5操動機構由于機械部件配合和力學傳遞關系精巧，易出現機械機構異常情況且難以分析[7-11]。

本文針對南方電網某換流站出現的3AP2—FI型斷路器FA5操動機構殼體開裂事件，進行機構的機械動作原理分析，結合機構解體檢查現象，確定開裂事件是由儲能電動機輸出功率偏大引起。通過對電動機參數的選型和改進電動機工作原理來避免該類異常再次發生，試驗及現場應用結果驗證了改進措施的可行性和有效性。

1 機構儲能原理

3AP2—FI型斷路器采用FA5彈簧儲能機構，其儲能工作原理分析如下：儲能起始，電動機得電起動，帶動齒輪運轉，固定在大齒輪盤上的頂桿（見圖1中部件4）沿小凸輪（見圖1中部件5）外輪廓進行逆時針運動，直至作用在小凸輪的卡槽處，并推動小凸輪運動，如圖1（a）所示。

圖1 儲能過程各元件相對位置

由于小凸輪固定在儲能軸上，小凸輪的運動將帶動主軸轉動進行合閘彈簧壓縮，彈簧壓縮至要求值時儲能完成，同時電動機通過輔助開關切斷，而頂桿在三角板（見圖1中部件1）的作用下從小凸輪的卡槽處滑出，使大齒輪與儲能軸分離，如圖1（b）所示。合閘彈簧在正常完成儲能過程時，儲能拉桿會過死點并被合閘脫扣器頂住，合閘彈簧中儲存的能量被有效保持[12-14]。

完成儲能后，頂桿由于慣性將繼續轉動一段行程后停止，此時定義頂桿與三角板間角度為儲能后過沖角度，如圖1（c）所示。

當斷路器得到合閘指令后，通過合閘脫扣器的動作，使合閘彈簧釋放能量，固定在儲能軸上的大凸輪會逆時針轉動，在帶動分閘彈簧儲能的同時完成滅弧室的合閘動作，多余的能量會被合閘緩沖器吸收，但由于慣性，大凸輪會多轉動10°～20°后回擺，同時也會帶動小凸輪進行回擺，此時定義頂桿與小凸輪間角度為，如圖1（d）所示。

2 異常現象及原因分析

近期，某±500kV換流站發現多起3AP2—FI型斷路器FA5操動機構殼體開裂事件，裂紋位置均處于操動機構箱背面大儲能齒輪下方、分閘線圈并聯電阻右側，如圖2所示。

圖2 裂紋操動機構

圖2所示出現異常的3AP2—FI型斷路器采用FA5型操動機構，已投運7年，動作次數為385次。該換流站共有同類斷路器操動機構162臺，為進一步查明異常原因，本文對異常機構開展解體檢查，以期分析異常原因。

2.1 操動機構鑄件殼體材質檢查

首先對出現裂紋的殼體鑄件進行相應的材質檢測，除已經產生的裂紋外，其余區域的探傷檢測未發現異常，殼體材質的化學成分、硬度和伸長率均符合要求。基于檢測情況，確認殼體鑄件本身材質問題不是造成殼體裂紋的原因。

2.2 小凸輪卡槽異常磨損

對操動機構進一步解體檢查發現，出現殼體裂紋的異常機構均存在類似異常點，即操動機構儲能齒輪小凸輪卡槽處存在異常磨損，如圖3所示，而其他操作次數接近的正常機構，小凸輪卡槽表面均完好，依此可判定殼體出現裂紋與小凸輪卡槽表面的異常磨損存在重要關聯。

圖3 小凸輪上的明顯磨損

2.3 原因分析

1）操動機構裂紋直接原因分析

基于前文所述機構儲能原理，在儲能過程中，儲能拉桿尚未過死點時（未完全儲能狀態），儲能拉桿無法被合閘脫扣器頂住，如頂桿（見圖1中部件4）與小凸輪（見圖1中部件5）間由于接觸面間存在異常磨損導致突發性滑脫，在合閘彈簧已儲存的部分能量的驅動下，儲能拉桿反向運動，此時合閘彈簧中儲存的能量僅有一個去向，即拉動機構直接反向擊打在合閘緩沖器上，并通過軸承將壓力最終作用至殼體本身。此時合閘彈簧中儲存的能量超出合閘緩沖器所能承受的限值，能量擴散至機構殼體，進而造成機構殼體開裂。此分析結果也從殼體裂紋區域位置為合閘緩沖器背部得到印證，如圖4所示。

圖4 殼體裂紋區域

因此可以判斷造成此類操動機構殼體開裂異常的直接原因為：小凸輪的異常磨損增大了離合裝置在儲能過程中滑落的可能性。一旦小凸輪在儲能未過死點時滑落，大儲能齒輪在合閘彈簧的拉力下向反方向運動，直接反打在合閘緩沖器上，合閘緩沖器儲能超過閾值，多余能量無法被有效釋放，最終造成機構殼體開裂。

2）小凸輪尖角邊緣磨損原因分析

機構完成儲能過程后，若儲能后過沖角度過大，即頂桿與小凸輪間角度過小，距離過近，在機構合閘后小凸輪將存在回擺，過小可能導致小凸輪回擺時，小凸輪尖角直接撞擊頂桿，由于頂桿的硬度（30～38HRC）大于小凸輪的硬度（20～28HRC），進而導致小凸輪卡槽的邊緣受損。

由于合閘后小凸輪回復至圖1（d）所示位置，因此可以認定在儲能后頂桿與小凸輪角度至少應大于60°，即頂桿與三角板間角度（儲能后過沖角度）小于120°為安全區域，可以防止小凸輪卡槽邊緣與頂桿碰撞。

因此，小凸輪尖角邊緣磨損原因可確定為：儲能電動機輸出功率偏大，導致其轉速過快，過死點后雖然儲能回路斷電，但電動機及一級和二級減速齒輪的慣性偏大，使得頂桿停止角度超過安全區域。頂桿與小凸輪間角度過小，距離過近，在小凸輪回擺時，小凸輪尖角直接撞擊頂桿，從而導致小凸輪卡槽的邊緣受損。

3 整改措施

根據異常原因分析結果，對儲能電動機進行升級，采用合理降低其輸出功率的整改措施。升級后的新型儲能電動機應滿足如下設計要求：

1）能夠有效控制FA5機構的儲能過沖角度，使得儲能后頂桿過沖角位于120°以內的安全區域。

2）在低電壓、額定電壓、高電壓下，新型儲能電動機在最大扭矩（儲能彈簧壓縮65%）及儲能彈簧壓縮90%的情況下均能成功中程起動。

3）額定電壓下儲能時間小于等于20s。

4）在低電壓、額定電壓、高電壓下，該電動機換向器產生的火花在正常范圍內。

由于復勵電動機綜合并勵式電動機和串勵式電動機的優點，既能保證良好的機械特性，又能保證其安全運行[15]。因此本文選用復勵電動機作為新型電動機，所選電動機規格參數：額定電壓為AC/DC 220V，額定功率為580W，額定轉速為5 000r/min，型號為HDZ—25850BL。

為驗證新型電動機的儲能功能，對其開展驗證測試，具體測試項目如下：

1）電動機儲能過程的電流、儲能時間和儲能后過沖角度的測量。

2）在低電壓、額定電壓和高電壓下分別測試儲能彈簧壓縮65%時的中程起動情況（最大轉矩）和儲能彈簧壓縮90%時的中程起動情況。

3）進行80次儲能循環操作，記錄儲能時間，并觀察儲能過程有無異常。試驗數據見表1。

表1 試驗數據

由試驗現場數據可知，新型復勵電動機在低電壓（AC 187V）、高電壓（AC 242V）、額定電壓（AC 220V）下完整儲能及中程起動后頂桿過沖角均不大于12.5°（要求小于120°），且換向器火花均正常。新型復勵電動機在額定電壓（AC 220V）的儲能時間均不大于19s（要求不大于20s）。試驗相關圖片如圖5所示。

試驗結果表明，按照設計要求升級后的新型復勵電動機能有效抑制電動機的過沖角度并滿足其他所需功能，充分證明了原因分析結果的正確性和整改措施的可行性與有效性。

目前已將新型復勵電動機用于該±500kV換流站共計162臺斷路器操動機構，更換后162臺斷路器操動機構儲能后過沖角度均小于30°，且未再出現儲能機構開裂的情況。

4 結論

本文針對某換流站500kV 3AP2—FI型斷路器的FA5操動機構開裂事件，通過對異常斷路器機構的解體檢查，判明斷路器操動機構開裂主要由斷路器儲能電動機輸出功率偏大導致。針對上述問題，本文提出采用一種新型復勵儲能電動機，并對電機提出了參數設計要求，通過試驗驗證了該新型電動機能有效減小過沖角度，在后續的實際應用中，162臺斷路器操動機構在更換新型電動機后均沒有再出現儲能機構開裂的情況，驗證了整改措施的可行性和有效性，從而提高了直流輸電系統運行的可靠性。

[1] 郭賢珊. 高壓開關設備生產運行實用技術[M]. 北京:中國電力出版社, 2006.

[2] 林莘. 現代高壓電器技術[M]. 北京: 機械工業出版社, 2002.

[3] 林偉茂, 李佳曼. 一起斷路器反復合閘事件分析及其解決方案[J]. 電氣技術, 2019, 20(6): 95-98.

[4] 徐國政. 高壓斷路器原理和應用[M]. 北京: 清華大學出版社, 2000.

[5] 王坤, 劉榮海, 楊迎春, 等. 彈簧操動機構動力學仿真及應力分析[J]. 云南電力技術, 2017, 45(3): 100- 105, 116.

[6] 黃翔. 高壓斷路器壽命及可靠性評估方法研究[D]. 昆明: 昆明理工大學, 2018.

[7] 郭良超, 韓國輝, 劉宇, 等. 高壓斷路器彈簧操動機構合閘凸輪優化設計[J]. 高壓電器, 2019, 55(10): 13-18.

[8] 劉偉, 徐兵, 楊華勇, 等. 高壓斷路器液壓操動機構特性分析[J]. 機械工程學報, 2010, 46(10): 148-155.

[9] 邵洪平. 220kV高壓真空斷路器操作機構的設計研究[J]. 電力設備管理, 2019(5): 34-35, 50.

[10] 楊雪飛, 童鈺. 3AP1-FG型斷路器自動分閘原因分析及防范措施[J]. 廣西電力, 2014, 37(5): 84-85.

[11] 吳貽志, 李靖翔, 洪樂洲, 等. 220kV GIS開關氣動操動機構原理分析與氣路改進措施研究[J]. 電器工業, 2011(12): 66-69.

[12] 劉唯. 彈簧操動機構的合閘效率[J]. 高壓電器, 2019, 55(4): 245-249.

[13] 郭良超, 宋超, 劉宇, 等. 分合閘彈簧參數對高壓斷路器機械特性影響研究[J]. 電氣時代, 2018(8): 61-63.

[14] 任效龍, 高宏力, 田懷文, 等. 斷路器彈簧操動機構參數化建模與優化[J]. 機械設計與制造, 2018(2): 142-145.

[15] 支成勇, 朱德忠, 劉韜. 三菱復勵直流電動機4象限調速改造[J]. 電氣傳動, 2014, 44(6): 68-71.

Cracking reason analysis and rectification measures of FA5 operating mechanism in 3AP2—FI breaker

QIN Bingdong1ZHANG Chen1RUAN Yanjun1ZHAO Weijie2

(1. Guangzhou Bureau of CSG EHV Power Transmission Company, Guangzhou 510000; 2. Kunming Bureau of CSG EHV Power Transmission Company, Kunming 650000)

Circuit breaker is the key equipment of power transmission system. In the operation of power transmission system, circuit breaker has not only a high frequency and various types of faults, but also particularly complex faults causes. Analysis and corresponding improvement measures of circuit breaker faults are particularly important to the operation of DC system. The failure cause analysis and rectification strategy research on the shell cracking of the FA5 operating mechanism of a 500kV 3AP2—FI circuit breaker in a converter station are carried out. Based on the mechanical principle and disassembly inspection phenomenon analysis, it is concluded that the operating mechanism cracking is caused by excessive power of the energy storage motor. Aiming at the cause of failure, this paper proposes corresponding improvement measures, and the feasibility and effectiveness of the improvement measures is verified by tests.

circuit breaker; cracking of operating mechanism; energy storage motor

2020-11-27

2020-12-31

秦秉東（1991—），男，碩士，工程師，主要從事高壓設備現場狀態評價及維護、修理工作。