方家山核電500kV GIS DS、ES連接機構(gòu)非全相動作分析及改造

承 澄

（中核核電運行管理有限公司 維修二處，浙江 嘉興 314300）

0 引言

近年來，隨著國家電網(wǎng)建設的快速發(fā)展，500kV 超高壓開關(guān)站大量增加，國內(nèi)外各電廠對500kV 開關(guān)設備的智能度及可靠性的要求也越來越高。隔離開關(guān)和接地開關(guān)作為高壓開關(guān)站的重要設備，在開關(guān)站自動化程度越來越高的進程中，對其安全運行要求也越來越高，若是發(fā)生故障，將可能影響輸電線路的正常運行，損壞重要設備甚至威脅人員的生命安全。其機構(gòu)設計結(jié)構(gòu)、裝配工藝的不到位和缺陷必須得到及時的、有針對性的根本性解決，這樣才能保證電廠運行的健康與穩(wěn)定，保證整個區(qū)域電網(wǎng)的正常輸配電，保障人員的安全。

1 系統(tǒng)機構(gòu)概述

1.1 方家山500kV超高壓系統(tǒng)

方家山500kV 超高壓開關(guān)站作為發(fā)電和輸電的連接樞紐，與華東500kV 電網(wǎng)相連接，經(jīng)主變和廠變供給電站廠用設備。開關(guān)站設有3 回出線（2 回至王店變，1 回至由拳變），2 回進線，采用西開ZF8-550 型整體GIS 設備，布置在TB 廠房內(nèi)，按“一個半斷路器”接線方式設計，由母線、斷路器、隔離開關(guān)、接地開關(guān)、電流互感器、電壓互感器、避雷器等設備組成。

1.2 方家山ES、DS電動連接機構(gòu)

方家山500GIS 開關(guān)站GIS 隔離刀和接地刀均采用CJG6 型電動機操動機構(gòu)：CJG6 電動機操動機構(gòu)的外形及內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1 所示，機構(gòu)的整個傳動部分和電氣部分都置于一方形機構(gòu)箱內(nèi)。

圖1 電動操動機構(gòu)Fig.1 Electric operating mechanism

電機通電高速轉(zhuǎn)動，通過小直齒輪驅(qū)動離合器裝置，由離合器出軸上的小齒輪帶動直齒輪相繼轉(zhuǎn)動，從而帶動機構(gòu)的主軸旋轉(zhuǎn)，使機構(gòu)主軸上的傘齒輪帶動機構(gòu)輸出軸轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)機構(gòu)的操動。在主軸旋轉(zhuǎn)的同時，通過其上的小直齒輪帶動機構(gòu)的控制齒輪轉(zhuǎn)動，在機構(gòu)操作到位時，控制齒輪上的凸臺剛好擋住主軸上大直齒輪上的凸臺，使主軸停止轉(zhuǎn)動。此時，輔助開關(guān)軸上的切換拐臂通過控制齒輪及小彈簧裝置將輔助開關(guān)切換，從而切斷電機回路，使電機斷電，而電機在斷電后的轉(zhuǎn)動慣量因主軸被控制輪上的凸臺擋住而全被離合器吸收，直到電機停止轉(zhuǎn)動。

CJG 6 操作機構(gòu)只能帶動A 相開關(guān)動作，B、C 相通過鼓形齒輪與尼龍齒輪的配合與A 相連接，接受CJG6 電動操作機構(gòu)的扭矩；內(nèi)部通過傘形齒輪帶動開關(guān)機構(gòu)分閘或合閘。其一側(cè)凸出，一側(cè)凹進，矩形管夾夾緊軸與連接軸，防止軸向連接軸內(nèi)部竄動，并在連接機構(gòu)外部通過連接套和補償器連接防護殼。連接機構(gòu)內(nèi)部有鎖桿，可在檢修時防止機構(gòu)誤動作。如圖2 所示。

圖2 連桿機構(gòu)裝配結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of the assembly structure of the linkage mechanism

1.3 連接機構(gòu)的缺陷及其隱患

開關(guān)分、合閘指示以及至NCS 的分、合閘指示均來自其裝于A 相的驅(qū)動機構(gòu)，不能反映B、C 兩相動作情況。再加上B、C 相聯(lián)動機構(gòu)未有可靠的機械指示，所以當開關(guān)進行分合閘操作時，就地和遠方的可視信號和指示實際上是A 相開關(guān)的動作反映，并不能完全反映B、C 相開關(guān)動作的實際情況，若內(nèi)部發(fā)生故障，很有可能出現(xiàn)三相動作不一致的情況，導致無法及時從外部機械指示與NCS 監(jiān)控發(fā)現(xiàn)問題和做出判斷，從而引起一系列運行事件，甚至是帶電合接地開關(guān)的惡劣事故。這對電廠的正常運行，對設備和人員的安全都存在嚴重的隱患。

2 相關(guān)事件的排查與分析

2.1 方家山500kV GIS開關(guān)站隔離開關(guān)50136分閘事件

2012 年12 月13 日，方家山調(diào)試隊電氣組在進行方家山500kV GIS 開關(guān)站啟動試驗時，發(fā)現(xiàn)500kV GIS 開關(guān)站隔離開關(guān)50136 分閘后，其后端電壓互感器0GEW137TU的B、C 兩相仍有298kV 相電壓的異常情況。此時，5012開關(guān)及5013 開關(guān)均合閘帶電運行，隔離開關(guān)50136 NCS監(jiān)控及就地均顯示在分閘位置，正常情況下，隔離開關(guān)50136 后端的電壓互感器0GEW137TU 三相電壓應接近0V。

排查發(fā)現(xiàn)1 號主變500kV 避雷器B、C 兩相泄漏電流表計均有約2 mA 的泄漏電流；斷開電壓互感器0GEW137TU 二次側(cè)空氣開關(guān)，測得該PT 二次側(cè)B、C 相仍有約60V 電壓；隔離開關(guān)50136 的就地分、合閘指示以及至NCS 的分、合閘指示均來自其驅(qū)動機構(gòu)，此時就地及NCS 均指示其已分閘。

根據(jù)以上檢查情況，基本確定隔離開關(guān)50136 的A 相已分閘，但B、C 兩相未分閘，或者分閘未到位，初步推斷分閘未到位可能是連桿齒輪處存在問題。

檢查也發(fā)現(xiàn)證實了在B 相處A、B 兩相之間連桿鼓形齒輪從尼龍齒輪中脫落，致使A 相連桿無法聯(lián)動B、C，即CGJ6 電動操作機構(gòu)在進行分閘動作時，只帶動了A 相開關(guān)機構(gòu)分閘，其扭矩未傳遞到B 相、C 相。導致隔離開關(guān)50136 從遠方分閘時A 相動作，但B、C 兩相不動作，如圖3 所示。

圖3 尼龍齒輪松脫Fig.3 Loose nylon gear

其根本原因為：在現(xiàn)場更換分支母線水平段支撐架時，隔離開關(guān)50136 處相間距有所增大，導致鼓形齒輪從尼龍齒輪中脫開，脫開的鼓形齒輪被連接軸的防護殼及補償器所包裹，外觀檢查時無法發(fā)現(xiàn)該缺陷，且隔離開關(guān)50136的就地分、合閘指示以及至NCS 的分、合閘指示均來自其裝于A 相的驅(qū)動機構(gòu)，在以上事件連接機構(gòu)松脫的情況下不能反映B、C 兩相動作情況。再加上B、C 相聯(lián)動機構(gòu)未有可靠的機械指示，因而就地及遠方操作時也無法發(fā)現(xiàn)該缺陷。

2.2 三峽電廠事件

三峽電廠左岸、右岸和地下電站500kV GIS 設備也采用了ZF8-550 型整體開關(guān)設備，其類似結(jié)構(gòu)隔離開關(guān)出現(xiàn)了刀閘不同期的情況。81061 刀閘出現(xiàn)過C 相在進行合閘操作后，仍處于分閘狀態(tài)，而A、B 兩相均已合閘的情況。主要是由于聯(lián)動桿B 相至C 相段靠C 相一側(cè)的固定螺栓松動，導致C 相操作機構(gòu)與聯(lián)動桿滑脫，從而造成C 相未合閘。

81031 在合閘過程中出現(xiàn)過異常聲音，解開傳動桿發(fā)現(xiàn)B、C 兩相的合閘位置與A 相不一致，這也是由于傳動齒輪松脫打滑引起的。

2.3 事件分析結(jié)論

通過上述事件不難看出，裝配工藝的不到位會給傳動機構(gòu)的正常扭矩傳遞帶來極大影響，而B、C 相未有可靠的機械電氣分合信號更是在傳動機構(gòu)發(fā)生故障時嚴重影響了故障判斷與處理的效率。雖然以上事件為設備故障未對主設備造成損壞，對系統(tǒng)未產(chǎn)生影響，未引起嚴重后果，但都是依靠專業(yè)人員及時測量、分析與拆解排查，才能及時發(fā)現(xiàn)這些故障，才避免了事件的進一步擴大。這種情況與開關(guān)站高度自動運行的宗旨與需求是大相徑庭的，大大浪費了人力、物力。如若相因缺陷故障未得到及時的發(fā)現(xiàn)和控制，很可能發(fā)生隔離開關(guān)未分而帶電合地刀的嚴重后果，帶來的不僅是設備的損壞與財產(chǎn)的損失，更有可能危及人員的生命安全。

所以，必須對此套連接機構(gòu)進行可靠的、可行的優(yōu)化改造，解決裝配工藝的不足以獲得B、C 相可靠的機械電氣分合指示。只有消除這一安全隱患，才能確保500kV GIS設備以及整個電廠的可靠安全運行。

3 機構(gòu)的可行性改造

3.1 機構(gòu)間隙優(yōu)化

調(diào)整連接軸左右間隙，使連接處的鼓形齒輪和尼龍齒輪能夠緊密貼合，并且保證有左右伸縮的余量。首先，需使整改間隔停電，使此間隔兩端可靠接地。將開關(guān)設備各相操作至分閘“O”位置；其次，拆卸連接機構(gòu)的防護殼、補償器和連接套等，后將鎖桿插到鎖盤中，使之不能隨意轉(zhuǎn)動。

松開矩形管夾的螺釘?shù)灰∠拢钡捷S能夠在連接軸中竄動，最后取出整個連桿裝配。從取下的連桿裝配中取下防護殼、保護罩、連接套等零部件，然后重新將鼓形齒輪、軸和連接軸安裝在連接機構(gòu)上，并調(diào)整軸和連接軸的連接長度，標記下裝配位置。調(diào)整連接機構(gòu)一端的鼓形齒輪端面貼緊尼龍齒套底部，緊貼齒套外端面在齒輪的外圓上畫紅色標記線如圖4 所示。

圖4 連接軸裝配1Fig.4 Connecting shaft assembly 1

對于另一端，先將鼓形齒輪端面貼緊尼龍齒套底部，貼緊齒套外端面在齒輪的外圓上劃藍色標記線，然后將軸及鼓形齒輪往外拉，當藍色標記線與尼龍齒套端面距離為3mm～5mm 時，在鼓形齒輪外圓端面畫紅色標記線如圖5所示。

圖5 連接軸裝配2Fig.5 Connecting shaft assembly 2

確保兩端紅色標記線位置不動，調(diào)節(jié)連接軸，連接機構(gòu)兩側(cè)的軸和連接軸端面間隙S 應相等，確保左右對稱受力均勻。在軸上劃線做好標記以確定鉆孔位置時定位。將鼓形齒輪和矩形管拆下，按照所做的標記連接軸上確定鉆孔位置，并鉆通孔，如圖6 所示。

圖6 連接軸裝配3Fig.6 Connecting shaft assembly 3

重新裝入連桿裝配，調(diào)整鼓形齒輪和連接軸的相對位置，直至兩者端面緊貼（否則由于間距原因裝不進），將防護殼、補償器以及連接套裝配后，套入連桿裝配，移動防護殼和補償器的位置，露出所鉆的孔，裝入開口銷，最后調(diào)整補償器和防護殼位置，露出矩形管夾的位置，旋緊螺栓，調(diào)整補償器與防護殼的相對位置，檢查確認裝配合格后，移除鎖桿，補償器與防護殼之間以及連接套與補償器之間使用喉箍扎緊。

此方案調(diào)整了兩側(cè)鼓形齒輪和尼龍齒輪間隙，使其能夠緊密貼合傳遞扭矩，并且采用開孔插銷的方式，這樣即使當矩形管夾松動無法固定軸時，軸也不會在連接軸內(nèi)竄動從而再次引起鼓形齒輪和尼龍齒輪間的松脫。

3.2 機構(gòu)分合閘指示優(yōu)化

3.2.1 機械部分優(yōu)化

為了獲得B、C 相各自分合狀態(tài)，必須獲得其開關(guān)獨立的分合的可靠信號，此信號應為開關(guān)分合自身機械動作所帶發(fā)的信號。又考慮到連接機構(gòu)盒的空間結(jié)構(gòu)與連接傳動為機械轉(zhuǎn)動這一特點，可以將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為直線運動，然后觸發(fā)行程開關(guān)獲得分合信號，而此信號點必須可靠，可將選擇機構(gòu)盒支座內(nèi)遠離傘形嚙合齒輪的一側(cè)作為這一信號觸發(fā)點，此信號點信號不會受鼓形齒輪和尼龍齒輪松脫或者電動操作機構(gòu)故障的影響產(chǎn)生偏差。行程開關(guān)可以選擇觸點式微動開關(guān)，可設置兩個，通過固定板固定在支座內(nèi)壁上，分別觸發(fā)分合信號。其觸發(fā)方式可以通過軸帶動絲杠，絲杠帶動帶有上部驅(qū)動桿的圓柱滑塊，驅(qū)動桿可通過微動開關(guān)所在的固定板所開直線導向槽左右平移，從而觸動左右兩側(cè)微動開關(guān)，進而產(chǎn)生分合信號如圖7 所示。考慮到500kV GIS 設備為室內(nèi)設計，不會有雨水問題，可在不透明防塵外殼上按照適當尺寸開孔安裝透明有機玻璃蓋板，并分別在兩微動開關(guān)上方噴涂O、I，這樣能夠在就地看到可靠機械指示以及分合狀態(tài)及內(nèi)部動作狀態(tài)，也便于日常的巡檢維護如圖8 所示。

圖7 微動結(jié)構(gòu)Fig.7 Micro-motion structure

圖8 就地分合機械指示Fig.8 Local opening and closing mechanical instructions

3.2.2 信號部分優(yōu)化

考慮到A 相機構(gòu)開關(guān)動作由電機正反轉(zhuǎn)帶動，其本身的輔助開關(guān)就具備分合轉(zhuǎn)換這一特點，可以將其也視為具備分合兩開關(guān)，將A、B、C 三相的分合信號分別都設置成“與”的邏輯，所以可分別將三相的合開關(guān)串聯(lián)、分開關(guān)串聯(lián)。這樣只有三相開關(guān)觸點都到位閉合才會輸出信號，如圖9 所示。設A1a、A2a、B1a、B2a、C1a、C2a 分別為A、B、C 三相常開端子號，為DS/ES 分位；A1b、A2b、B1b、B2b、C1b、C2b 分別為A、B、C 三相常閉端子號，為DS/ES 合位。

圖9 信號邏輯Fig.9 Signal logic

在接線上，由于增加了4 個微動開關(guān)，考慮使用軟電線引出信號，在原電動操作機構(gòu)箱內(nèi)把端子排加長，增加4 片端子，再利用原有A 相輔助開關(guān)端子，A1a、A1b 不動，C2a、C2b 接入原A2a、A2b 位置，重新按照新的邏輯分別串聯(lián)相接。B、C 相8 根出線可由電纜橋架從A 相機構(gòu)箱原有呼吸器位置接入。這樣一來，滿足了新的信號邏輯，并且三相位置信號串接后引出的信號，從原A 相位置信號所接的接點上引出，不會對現(xiàn)有機構(gòu)的外部連接電纜產(chǎn)生任何變動。

3.2.3 注意事項

絲杠與滑塊必須保證充分潤滑，可考慮低溫潤滑脂。對于微動開關(guān)的位置應精確調(diào)校，確保在開關(guān)分合時觸點能充分被接觸，但又要留有空隙，確保微動開關(guān)不受沖擊從而產(chǎn)生位移，重新接線后，復查端子接線與圖紙一致。

在回裝防護罩前，需進行機構(gòu)分、合操作若干次，每次操作完后檢查確保顯示屏上分合狀態(tài)均與機構(gòu)實際狀態(tài)一致，然后再回裝防護罩。

4 結(jié)語

方家山500kV GIS 開關(guān)站GIS 隔離機構(gòu)的故障是由于裝配工藝引起的，而其設計上的分、合閘指示信號均來自其裝于A 相的驅(qū)動機構(gòu)，無B、C 相就地機械指示等因素均給故障的判斷和處理帶來了極大的不便。以上對其連接機構(gòu)的機械電氣改造，不僅解決了連接齒輪間隙過大導致松脫的問題，而且使三相均輸出可靠分合信號，從就地機械位置也有直觀準確的指示，消除了運行的安全隱患，保障了人員和設備安全，也大大提高了日常維護的便捷性，使電廠生產(chǎn)更加穩(wěn)定健康。