拐臂脫離后隔離開關機械性能試驗研究*

張宏偉

(國網甘肅省電力公司 金昌供電公司，甘肅 金昌 737100)

0 引 言

GW□-800 型隔離開關傳動連接部件防松脫措施不足，僅采取備帽及頂絲防松脫，在持續大風、強風等特殊天氣情況及特殊運行方式下容易發生松動、脫落[1]。 同時，超高壓隔離開關整體尺寸較大，高空部件距離地面超過9 m，日常運行維護及常規巡視難以發現防松脫型缺陷。

正常運行中，隔離開關操作連桿機構的端關節軸承與拐臂連接螺母松脫，自潤滑桿端關節軸承與拐臂間用螺紋連接后，需再背一螺母鎖緊，然后在拐臂側面設計頂絲，進一步鞏固螺紋，從而實現四連桿機構對隔離開關分閘位置的鎖定。 當桿端關節軸承與拐臂連接螺紋松脫，會使四連桿機構無法控制導電閘刀，導電閘刀處于自由狀態，遇大風等惡劣天氣，極易造成設備事故。

筆者通過分析三柱水平翻轉式隔離開關傳動連接部件松動脫落故障，結合保護和安全自動裝置動作情況，分析和論證類似故障產生的原因，提出針對性的改進措施，對保障電網安全運行具有重要意義。

1 事故概況

某750 kV 變電站750 kV 系統采用3/2 接線方式，2021 年6 月18 日16 時32 分，受大風影響，該變電站處于分閘狀態的GW□-800ⅡD 三柱水平翻轉式隔離開關A 相向合閘方向發生位移，造成該相隔離開關動觸頭對地放電。 由于放電位置處于2 號主變壓器差動保護范圍內，導致2 號主變壓器三側斷路器跳閘。 事故造成某省南部5 個市(州)220 kV 電網與省級主電網解列運行，對南部電網安全穩定運行造成極大影響。

1.1 隔離開關概況

本次故障隔離開關型號為GW□-800ⅡD 型，三柱式水平旋轉，兩側均附有接地刀閘，系某高壓開關有限公司自主研發生產，2020 年5 月出廠，2020 年11 月投運。 參數如表1 所列。

表1 隔離開關參數表

該型號隔離開關由主導電、絕緣子、底座、支座等部件組成，采用全裝配式模塊化、翻轉式刀閘設計，具有低操作力矩、高觸頭壓力、自清洗觸頭、破冰能力強等優點[2]，安裝、檢修方便。

1.2 故障概況

事故當日天氣晴，氣溫31 ℃左右，風力9 級。750 kV 系統3/2 接線第Ⅱ串7521(邊)和7520(中)斷路器停電檢修，752027 接地刀閘(7520 與7522 斷路器間)處于合閘狀態，7522(邊)斷路器運行。 16 時32 分，受大風影響，75202A 相隔離開關向合閘方向發生位移，由于752027 接地刀閘處于合閘狀態，造成75202A 相隔離開關動觸頭對地放電。 因放電位置處于2 號主變壓器差動保護范圍內，造成主變壓器差動保護動作跳閘，南部電網與省級主電網解列運行。

2 號主變壓器三相本體外觀未發現異常，三側設備外觀無異常、三側避雷器未動作。 分析繼電保護及安全自動裝置動作情況，750 kV 母線經7522 斷路器流向故障點短路電流為8.5 kA，2 號主變壓器750 kV側流向故障點短路電流為2.074 kA，故障點短路電流共計10.574 kA。

2 原因分析

現場檢查，發現75202 隔離開關(7520 斷路器靠近7522 斷路器側)三相位置不一致，B、C 兩相處于正常分閘狀態，而A 相動觸桿在風力作用下水平擺動。

進一步檢查，發現75202A 相隔離開關傳動瓷柱上端與動觸桿傳動盒之間的拐臂連接脫離，如圖1 所示。 造成A 相隔離開關動觸桿處于自由活動狀態，在風力作用下發生水平旋轉并接近靜觸頭，因752027 接地刀閘處于合閘狀態，導致75202A 相隔離開關動觸頭對地放電。

圖1 拐臂連接脫離圖

2.1 主導電閘刀傳動原理

主導電閘刀如圖2 所示。

圖2 導電閘刀示意圖

隔離開關合閘時，由操動機構帶動中間操作絕緣子做旋轉運動，通過四連桿機構帶動固定在中間支柱絕緣子上的導電閘刀，使導電閘刀隨之同步旋轉70°，動觸頭旋入靜觸頭，中間操作絕緣子繼續旋轉，通過連桿帶動使導電閘刀翻轉45°。 如圖3 所示。

圖3 主導電閘刀傳動原理圖

傳動四連桿機構主要由操作絕緣子上方的拐臂1、支柱絕緣子上方的拐臂2、自潤滑桿端關節軸承和拉桿等部件組成，自潤滑桿端關節軸承一端固定在拐臂上，另一端與拉桿連接。 如圖4 所示。

圖4 傳動四連桿機構原理圖

2.2 抗風載荷能力計算驗證

該變電站地處亞歐大陸腹地山間盆地，四面環山，屬于典型的大陸性暖溫帶荒漠氣候，日照充足，熱量豐富但又極端干燥，大風頻繁且降雨稀少，以“風庫”著稱[3]。

基于其大風頻繁的氣候特點，必須對導電閘刀的傳動及鎖定結構的抗風載荷能力進行計算驗證[4]。抗風性能檢測需模擬風荷條件，在風荷環境下對試件施加均勻風荷載[5]，對其變形情況及連接固定等整體進行評估。

(1) 隔離開關所受風壓

風壓是指垂直于氣流方向的平面所受到的風的壓力[6]。 根據伯努利方程得出風-壓關系[7]，計算出隔離開關所受風壓如下[8]:

式中:wp表示風壓，kN/m2；ρ表示空氣密度，kg/m3；v表示風速，m/s。

由于空氣密度ρ和重度γ的關系為:γ＝ρ×g，因此，可得:

式(2)為標準風壓公式。 在標準狀態下(氣壓為101.325 kPa，溫度為20 ℃)[9]，空氣重度γ＝0.012 25 kN/m3，緯度為45°處的重力加速度g＝9.8 m/s2。

需要特殊說明的是，空氣重度和重力加速度隨著緯度和海拔高度而變化，此處取標準狀態和變電站所處緯度值[10]。 因此，可得:

該型號隔離開關的迎風面積為18 m2，其中導電桿處迎風面積約為2 m2。 9 級風屬于烈風[11]，風速為20.8 ～24.4 m/s[12]，按隔離開關所能承受的風速34 m/s計算，則隔離開關所受風壓為wp＝v2/1 600＝342/1 600＝0.722 5 kN/m2。

因此，受最大風力影響，隔離開關在分閘狀態向合閘方向運動所受的力轉換到四連桿拉桿上應為

0.722 5×2＝1.445 kN。

(2) 螺栓的慣性矩

材料抵抗彎曲的能力通常用幾何量慣性矩來表示[13]。 截面慣性矩是衡量截面抗彎能力的幾何參數[14]，是指截面各微元面積與各微元至截面上某一指定軸線距離二次方乘積的積分[15]。 圓形截面的慣性矩計算公式為:

式中:d表示截面的直徑，m。

螺栓直徑為d＝2 cm＝2×10-2m，則M20 螺栓橫截面的慣性矩為:

零件截面形狀或尺寸對零件受力、受彎矩、受扭矩等影響通常用截面系數來表示，用以計算零件、構件的抗彎強度和抗扭強度，或者用以計算在給定的彎矩或扭矩條件下截面上的最大應力[16]。 M20 螺栓截面系數為:

(3) 螺紋所受剪切應力

剪切應力是應力的一種，指單位面積上所承受的剪力，力的方向與受力面的法線方向正交[17]。 剪切應力的計算公式如下[18]:

式中:V表示計算截面上所受的剪力，kN，V＝1.445 kN；S表示計算截面面積，m2，S＝π×r2＝3.14×10-4m2。

則，M20 螺紋所受剪切應力為[19]:

即:τ＝46 020 kN/m2≈46 MPa

M20 螺紋材料為Q235A 碳素結構鋼[20]，該材料的抗拉強度Rm＝375 MPa，其許用剪切應力[τ]＝150 MPa＞46 MPa[21]。

因此，根據上述計算結果，可以驗證風力在9 級及以下時，不會影響GW□-800 型隔離開關的機械性能。

2.3 原因分析及結果確定

為防止螺紋松脫，自潤滑桿端關節軸承與拐臂間用螺紋連接后，需再背一螺母鎖緊，鎖緊后在拐臂側面設計有頂絲，用來進一步固定螺紋。

(1) 裝配或調整過程中，鎖緊螺母漏裝或未完全緊固，多次操作后或長期風載的細微振動，最終導致螺紋間隙增大及螺母脫落，造成螺紋松脫。

(2) 頂絲緊固力矩不足，不能有效破壞桿端關節軸承螺紋部分牙形，沒有起到其應有的緊固作用。 如圖5 所示。

圖5 頂絲緊固力矩不足圖

(3) 對隔離開關解體檢查，發現四連桿機構中，桿端關節軸承與拐臂1 連接螺紋松脫，導致四連桿機構無法控制導電閘刀，在支柱瓷瓶上的導電閘刀處于自由狀態，受大風影響，隔離開關由分閘位置向合閘方向移動。 因此，此處螺紋脫落是造成此次故障的主要原因。

3 處理及改進措施

3.1 改進措施

經過分析討論，確定解決GW□-800 型隔離開關操作四連桿機構的桿端關節軸承與拐臂連接螺母松脫的問題主要從更換自潤滑桿端關節軸承螺母下部不銹鋼開口銷著手。

對自潤滑桿端關節軸承進行改進，在螺桿上增加孔，以便于螺母背緊后，在螺母下部用不銹鋼開口銷進行固定，再增加一道防松措施，可以有效避免螺母脫落。 如圖6 所示。

圖6 自潤滑桿端關節軸承增加孔圖

3.2 預防措施

(1) 對發生故障的75202 隔離開關的B、C 相及其它同型號、同廠家的隔離開關進行全面檢查，鎖緊螺母緊固、導體未發現異常情況。

(2) 在螺紋連接體中，當螺栓中產生拉伸軸向力時，螺牙斜面上半徑方面分力，螺母會產生彈性徑向擴張；由于泊松比的關系，螺栓會產生彈性徑向收縮[22]。 在交變載荷作用下，由于螺紋升角的影響產生沿螺紋牙斜面松弛滑移的趨勢，從而使螺紋接觸面摩擦系數逐漸減小，摩擦系數降到滑移條件[23]。

為防止因類似問題導致的故障，須增加防松處理，對于一些可拆卸的部位，用到的摩擦防松較多，它是靠增加摩擦角起到防松作用，其中螺紋處涂厭氧膠，固化后粘接在配合螺紋，達到防松目的。 對已經投運、在用的同型號隔離開關，在螺紋接觸處涂厭氧防松膠[24]，如圖7 所示。

圖7 螺紋接觸處涂厭氧防松膠圖

(3) 在停電狀態或保證安全的前提下，逐一檢查鎖緊螺母的緊固性。

(4) 加強設備巡查和監視，發現異常及時處理。運行中，應保證拐臂連桿無彎曲、連接無松動、無銹蝕，開口銷齊全，軸銷無變位脫落[25]。

(5) 隔離開關操作時，應嚴格按規范進行，如遇動觸頭不能插入靜觸頭、卡滯或合閘不到位等問題，應停止操作，待專業檢修人員處理。 動觸頭插入靜觸頭后應檢查插入深度是否滿足要求、觸指握手是否緊固、觸頭接觸是否良好。

4 結 語

針對處于分閘位置的GW□-800 型高壓隔離開關動觸頭向合閘方向偏移，導致動觸頭對地放電的故障，通過故障原因綜合分析，結合隔離開關操動機構動作原理，采用增加隔離開關自潤滑桿端關節軸承螺母下部開口銷的方法，改進了GW□-800 型隔離開關傳動連接部件防松脫措施，徹底解決了GW□-800型隔離開關防松脫型缺陷，具有典型借鑒和推廣意義，為超高壓翻轉式高壓隔離開關的安全運行提供了寶貴經驗。