500 kV開關儲能機構異常打壓故障分析

李子由，趙銀山

（中國南方電網超高壓輸電公司大理局，云南 大理 671000）

0 前言

高壓開關可靈活投切線路、電氣設備，配合電網運行方式，快速切除隔離電網故障部分，是電力系統中最重要的控制和保護設備[1]。

液壓機構作為一種操作機構，廣泛應用于高壓斷路器中[2]。開關的動作特性直接取決于操動機構，500 kV 開關液壓彈簧機構采用差動式工作缸，彈簧儲能液壓連桿混合傳動方式，集成液壓回路無外接油管[3]，工作特性基本不受溫度變化影響。設備運行過程中，受制造、裝配、安裝、環境等多種因素影響，液壓彈簧機構可能出現閉鎖、誤動、拒動、無法儲能、頻繁打壓等故障問題[4]。

HMB-8 型儲能機構為ABB 公司高壓開關的典型操作機構，該液壓彈簧機構具有結構緊湊、可靠性高、液壓回路集成化程度高且輸出功率大、分合閘動作快及安裝方便的特點[5]。無外接管路，采用疊型彈簧作為儲能元件， 取代傳統液壓機構的氮氣儲能方式， 提高了可靠性[6]。彈簧液壓機構在有諸多優點的同時也存在結構復雜、加工精度要求高、對材料要求高以及維護工作量大等缺點[7]。長期運行中可能會出現頻繁打壓、液壓油滲漏等問題，現場檢修耗時長、處理難，嚴重影響供電可靠性，應引起足夠重視[8]。本文通過±800 kV H 換流站投運以來多起HMB-8 型液壓彈簧機構因密封引起異常打壓故障的深入分析，詳細介紹了異常打壓現象、機構動作原理及機構解體后檢查情況并提出了機構異常打壓的根本原因與防范建議。

1 開關異常打壓概況

±800 kV H 換流站地處8°基本地震烈度區，平均海拔2300 多米，2017 年投運，站內共配置了48 臺（相）罐式開關，用于交流濾波器場區域，投運至今，通過巡視和每月開關打壓次數多維度分析，累計發現了11 起該類型開關儲能機構打壓異常情況，其中有3 臺開關在斷開電機電源開展保壓試驗時，儲能機構壓力在1～7 min 之間緩慢降至零壓，其余8 臺開關每天打壓3～5 次，每次打壓2 s 左右。

2 開關儲能機構打壓原理

液壓機構由儲能部分（儲壓器、油泵和電動機等）、執行元件（工作缸）、控制元件（閥門）和輔助元件四部分組成[9]。如圖1，當機構未儲能或者是儲能不足時，液壓彈簧行程開關S1 動作，電機啟動，液壓彈簧開始儲能，當彈簧形變量達到一定值，行程開關復歸，電機回路斷開，機構打壓停止。儲能馬達啟動值為83 mm，停止為84 mm，而過壓定值為85 mm，相對行程僅有1 mm，當開關行程開關在啟動及停止的行程內反復移動或控制出點反復閉合，產生開關頻繁打壓現象。

圖1 彈簧行程限位開關S1定值示意圖

機構高低壓油路如圖2、3，密封原理采用靜密封和動密封兩種結構。分、合閘狀態下，液壓油壓力如圖所示（紅色為高壓油，藍色為低壓油）。動作時，機構通過柱塞泵（儲能模塊內）對機構內液壓油加壓，推動儲能模塊活塞運動，壓縮碟簧儲存能量。開關分合閘動作時，通過合閘電磁閥控制模塊內油路，使控制模塊內一級閥動作（動作原理與主活塞桿動作原理一致，為壓差控制）從而控制主活塞內油路變化。當二級換向閥在高壓油的作用下轉換到分閘位置時，合閘閥口關閉，轉換通道（Z 通道）與常低壓通道（T 通道）導通，工作缸活塞下部高壓油經過二級閥的分閘閥口返回到低壓油箱，工作缸活塞下部形成低壓，于是活塞桿在壓差的作用下向下運動，帶動開關完成分閘動作。當二級換向閥在壓差的作用下轉換到合閘位置時，合閘閥口導通，轉換通道與常低壓通道導通，工作缸活塞下部與上部同為常高壓狀態，由于壓強相同但受力面積不同，推動活塞向合閘方向移動，帶動開關完成合閘動作。

圖2 液壓機構高、低壓油路狀態（合閘位置）

圖3 液壓機構高、低壓油路狀態（分閘位置）

3 開關異常打壓原因

對于液壓碟簧操動機構而言，其極易發生滲漏故障，這主要是由于其密封不良引起的，其泄漏會分為內漏和外漏[10]。根據該類型開關儲能機構結構及原理，推測開關儲能機構異常打壓原因主要有以下幾點：

3.1 儲能模塊及工作缸內漏

1）儲能模塊活塞以及工作缸活塞密封處采用特殊密封圈密封，當密封圈出現細微裂紋，在沒有貫穿之前，打壓次數是正常的，在長時間的壓力作用下，裂紋會慢慢的張開最后形成貫穿，從而影響打壓的次數，此情況下卸壓打壓多次后，裂紋重新彌合，打壓重新保持正常，但或在運行一段時間后此現象會反復重新出現。

2）儲能模塊活塞、工作缸、主活塞密封、或操作桿存在劃痕，導致密封下降，在高油壓的作用下使得活塞無法正常保證壓力，導致開關異常打壓。

3）儲能模塊及工作缸密封破壞：液壓機構在生產、組裝、運行過程中產生金屬碎屑，在運行過程中，隨著開關分合及開關儲能動作，金屬碎屑在機構內壁造成劃痕，破壞儲能模塊內壁及工作缸密封，使得高壓油向低壓油缸泄漏，造成異常打壓。

4）在制造過程中，由于材質或工藝原因，工作缸內部或存在強度薄弱處，在長時間高壓工況下，由于開關動作產生的振動，導致缸體內部出現裂紋，使得高壓油向低壓油缸泄漏，造成異常打壓。

3.2 開關液壓油異常

油內有雜質，雜質附著在各模塊密封圈上使得密封系統密封不嚴，導致頻繁打壓，如果操作幾次，或卸壓打壓多次后，液壓油經過自濾系統或將機構內的油重新過濾，或換新油可以消除此現象。

油內含有氣體，當氣泡進入儲能模塊活塞缸內，在機構打壓過程中氣泡逐漸被壓縮直至打壓停止，當停止打壓后被壓縮的氣體相比液壓油會更快恢復體積，行程開關會很快降低至與啟動打壓值非常接近的位置，由于液壓機構本身存在慢滲現象，機構壓力會慢慢地降低，在氣泡的作用下會更快地到達打壓啟動值，從而產生異常打壓現象。

3.3 控制模塊異常

控制模塊通過控制換向閥的導通與關閉，從而控制開關動作，當換向閥（二級閥）閥口的閥線有劃痕、變形，閥門卡澀、異物堵塞或損壞時，高壓油通過密封損壞處流入低壓油室，造成開關異常打壓。

控制模塊線圈（一級閥）靠彈簧壓迫鋼珠密封，當閥口存在貫穿劃痕、損壞，或彈簧發生錯位、彈性疲勞時，導致密封不良，高壓油向低壓區滲漏，造成異常打壓。

3.4 安全閥異常

安全閥（手動卸壓閥）閥口有劃痕、變形，現場安裝位置不正確，或泄壓閥彈簧疲勞時，也會導致高壓油流入低壓油室，造成開關異常打壓。

安全閥把手頂塊安裝不到位，由于振動的作用使得安全閥誤動作，導致壓力下降至啟動油泵壓力，引起異常打壓。

3.5 充壓模塊異常

柱塞泵內部止回閥損壞造成高壓缸內油通過柱塞泵向低壓缸滲漏，引起開關異常打壓。

柱塞泵與油缸壓接的密封圈損壞，導致高壓油通過密封圈向低壓缸滲漏，引起異常打壓。

3.6 二次回路故障

行程開關凸輪與微動開關觸點配合故障，導致儲能開始與結束的行程距離小于1 mm，使得開關異常打壓。

微動開關出現觸點變形，或者觸點彈片受潮氧化變質，失去原有彈性等狀況。當機構內壓力下降至啟動值時，受環境溫度變化或外界振動等因素影響，行程開關觸點反復開斷閉合，使得電機反復啟動，造成異常打壓。

行程開關、齒輪桿、壓力釋放閥（安全閥）配合故障，使得儲能停止行程位置與壓力釋放行程位置過于接近，當壓力釋放閥在儲能完成位置時或發生動作，使得開關短暫釋能，行程開關行程靠近打壓動作位置。

4 現場檢查情況

4.1 返廠機構解體情況

現場對在斷開電機電源后，儲能機構壓力在1～7 min 之間緩慢降至零壓的3 臺開關儲能機構返廠解體，開關儲能機構解體檢查結果一致：儲能機構外觀均無異常；儲能機構的碟簧正常；儲能機構的工作缸和工作缸活塞均無異常；儲能模塊中儲能缸無異常，儲能活塞的密封環存在不同程度損壞。

4.2 抽取的開關現場檢查情況

現場抽取每天打壓3～5 次，每次打壓2 s 左右的8 臺開關（累計開關動作次數在1262～1623次）進行液壓機構儲能模塊拆解檢查及維修，此外再抽取4 臺打壓正常的開關進行檢查對比，結果顯示：該8 臺開關儲能活塞的密封環均存在不同程度損壞，抽取的正常打壓的4 臺開關（累計開關動作次數在1332～1426 次），其儲能活塞的密封環也存在較輕微的磨損，且隨著操作次數的增加，開關儲能活塞的密封圈損壞越嚴重。

5 檢查結果分析

通過解體檢查發現，儲能活塞的密封環損壞導致機構內漏是造成此次500 kV 開關HMB-8型儲能機構打壓異常的原因。

無論是分閘還是合閘，儲能機構碟簧均通過儲能模塊活塞將能量釋放至液壓系統中，儲能模塊內部結構如圖4 所示，動作時活塞在儲能模塊缸內快速運動，其中，導向環用著動作潤滑及導向，保護密封圈的作用，密封圈作為動密封，保持液壓系統壓力。如圖5 所示，當儲能缸內存在雜質或其他異常時，容易損壞儲能模塊活塞密封環，引起密封失效，導致機構打壓異常出現。

圖4 儲能模塊內部結構

圖5 儲能模塊儲能前后對比

造成儲能活塞的密封環損壞的原因主要有以下幾個：

1）裝配工藝缺陷：活塞環在裝配過程中首先將活塞環放在100℃液壓中利用熱脹冷縮的原理使其膨脹，然后安裝在儲能模塊的活塞上，隨著溫度的變化使活塞環收縮在密封槽中（為了加速其縮變和定位可以使用工裝）。活塞環若沒有準確地安裝在密封槽中，隨著操作次數的增加，密封環損壞嚴重，引起儲能模塊中的活塞處高低壓油泄露導致機構異常打壓。

2）受力不均：如圖6 所示，現場解體檢查發現儲能缸內活塞桿上部的密封環磨損較為嚴重，下部的密封環磨損比較輕微。儲能模塊活塞桿在儲滿能狀態下與碟簧法蘭盤連接，受碟簧和法蘭盤的重力影響下，活塞桿密封環承受的上部壓力大于下部壓力，儲能模塊在來回分合儲能過程中，密封環受力不均易導致密封不嚴。

圖6 儲能模塊原理

3）材質缺陷：該類型開關機構儲能模塊活塞桿的密封環材質為丁晴橡膠，根據本次開關儲能機構解體檢查，其密封環均受到不同程度的磨損，情況嚴重時影響活塞桿儲能過程中的主密封。其次隨著開關動作次數的增加，磨損程度也會進一步加劇，因此判斷密封圈的材質問題也是影響開關異常打壓的因素。

6 結束語

機構頻繁打壓大多數是由于材料和制造工藝的問題[11]。為了提高該類型開關運行質量，一是要把控好活塞環的裝配工藝質量，確保開關液壓機構儲能模塊的活塞環要準確安裝在密封槽中。二是要保障儲能模塊活塞環的材質質量，改善活塞環的材質，提高活塞環的使用質量和壽命。三是調整該類型開關的維護周期，對開關動作次數超過1500 次的儲能模塊活塞環進行檢查和更換。四是做好開關的打壓次數多維度分析工作，通過多維度分析，及時發現開關打壓異常并及時處理，防止故障范圍擴大。本文基于高海拔地區±800 kV H 換流站500 kV開關儲能機構異常打壓事件，經現場檢修、機構解體及原因分析，認定機構儲能活塞的密封環損壞是儲能機構異常打壓的原因，并在安裝工藝、材質、運行維護等方面提出了防范建議，為今后類似典型故障的判斷及檢查處理提供可靠依據。