特高壓換流站800kV直流刀閘合閘不到位原因分析及應(yīng)對措施研究

嚴(yán) 康

（中國南方電網(wǎng)超高壓輸電公司昆明局,昆明 650000）

楚穗直流作為南方電網(wǎng)頭號風(fēng)險，輸送容量5000MW，在南方電網(wǎng)的地位舉足輕重，楚雄換流站是云廣特高壓直流輸電示范工程的起點和核心。許多設(shè)備都是第一次開發(fā)使用，價值昂貴，800kV直流刀閘如果燒毀，不僅會造成昂貴設(shè)備的直接經(jīng)濟損失，還會嚴(yán)重影響到楚穗直流運行，造成巨大的間接經(jīng)濟損失。本文在對刀閘合閘不到位情況進行技術(shù)分析的基礎(chǔ)上，提出合理改造的方案，為南方電網(wǎng)“頭號風(fēng)險”的可控在控作出積極貢獻。

1 刀閘結(jié)構(gòu)和動作原理

由于刀閘燒毀多為合上、拉開刀閘時，刀閘動作未到位，動靜觸頭間存在間隙，所以首先對楚雄換流站800kV直流刀閘動靜觸頭結(jié)構(gòu)和動作原理進行簡單分析說明。

1.1 刀閘動靜觸頭結(jié)構(gòu)

圖1 800kV直流刀閘動靜觸頭側(cè)視圖

1.1.1 靜觸頭

圖中接觸片（4.3)、接觸指（4.5）、固定觸點（4.7）為靜觸頭的主要部分，呈U字型，固定在三柱水平旋轉(zhuǎn)式結(jié)構(gòu)的左右兩柱柱頂。為與動觸頭緊密貼合的主要部分，也是電流通過的主要部分。在動觸頭旋轉(zhuǎn)進入U型卡口時，固定觸點（4.7）有一個判斷動作到位的作用。在動觸頭在U型卡口內(nèi)旋轉(zhuǎn)時，接觸片（4.3)、接觸指（4.5）與之貼合摩擦。

1.1.2 動觸頭

圖中導(dǎo)流管（4.2）、均壓環(huán)（4.6）、接觸帶（4.12）為動觸頭的主要部分，呈管狀，導(dǎo)流管（4.2）進入靜觸頭后，通過接觸帶（4.12）與靜觸頭接合。動靜觸頭間的接觸部分，如接觸片、接觸帶上均有特殊的銀涂層，這銀涂層作為一種干式潤滑劑用來防止污物和灰塵依附在涂層表面。

1.2 刀閘動作原理

圖2 800kV直流刀閘整體示意圖

本刀閘為三柱水平旋轉(zhuǎn)式，將刀閘從分位操作到合位時，電機（5.0）帶動連桿（5.2）轉(zhuǎn)動，力矩通過傳動軸承（5.1）、旋轉(zhuǎn)臂（5.1.1）、拉桿（6.1）、可旋轉(zhuǎn)坐（2.1），到達上端的導(dǎo)流管（4.2），于是導(dǎo)流管（4.2）開始做水平旋轉(zhuǎn)運動，當(dāng)導(dǎo)流管（4.2）兩側(cè)分別旋轉(zhuǎn)進入U型卡口時，導(dǎo)流管（4.2）與U型卡口內(nèi)的接觸片（4.3）緊密接觸，從而產(chǎn)生一定的接觸壓力。當(dāng)導(dǎo)流管（4.2）末端靠在靜觸頭U型卡口（4.4）內(nèi)部的固定塊（4.7）上時，運動停止。此時導(dǎo)流管（4.2）會緊貼U型卡口內(nèi)壁，以導(dǎo)流管軸心為中心旋轉(zhuǎn)，于是導(dǎo)流管末端會緊貼U型卡口內(nèi)壁（4.3）摩擦，將動靜觸頭間的污穢物或者凝結(jié)的冰霜層摩擦掉，使動靜觸頭的金屬部分緊密貼合，保證導(dǎo)電良好。

如果這一過程中動觸頭沒有動作到位，和靜觸頭之間存在間隙，如果不能及時發(fā)現(xiàn)處理，將會導(dǎo)致昂貴的800kV直流刀閘燒毀，嚴(yán)重影響到楚穗直流運行，造成巨大的直接和間接經(jīng)濟損失。

2 存在問題及現(xiàn)行控制手段

2.1 存在問題

目前楚雄換流站自投產(chǎn)運行至今已三年多時間，在將極I、極II投入運行或者進行金屬大地回線方式的轉(zhuǎn)換時大多都涉及到極I母線08105隔離開關(guān)、極II母線08205隔離開關(guān)、極I轉(zhuǎn)換母線08121隔離開關(guān)、極II轉(zhuǎn)換母線08122隔離開關(guān)的分合閘操作，通過三年的運行觀察，多次發(fā)現(xiàn)后臺顯示刀閘已經(jīng)在合位，而現(xiàn)場實際存在動靜觸頭有間隙的情況，嚴(yán)重威脅到設(shè)備和楚穗直流運行的安全，給設(shè)備和系統(tǒng)安全帶來極大隱患。

2.2 現(xiàn)行控制手段

目前為止，運行人員在發(fā)出刀閘合閘命令之后，都會通過現(xiàn)場肉眼觀察判斷的方法來確定刀閘是否合閘到位，合閘后，當(dāng)現(xiàn)場核實狀態(tài)人員發(fā)現(xiàn)刀閘的動觸頭和靜觸頭間存在間隙，第一時間將異常情況通過對講機反饋至主控室值班員，方便運行人員迅速拉開故障刀閘，并及時做出處理，防止因為刀閘的虛合造成帶電后的燒毀損壞。此種方法存在人為判斷失誤的可能性。由于該刀閘卡口距離地面20米，在動靜觸頭還存在微小間隙的情況下，肉眼判斷極易誤認為刀閘已經(jīng)合閘到位，特別是在夜間，人的肉眼借助手電筒極難辨識，而且現(xiàn)場觀察確定的時間較長，直流場面積大，人員在不同刀閘間跑動距離長，在復(fù)雜的直流場接線環(huán)境里，疲勞更加影響了核實現(xiàn)場狀態(tài)人員的判斷力，進而影響運行人員下一步操作的連貫性和操作效率。

3 合閘不到位原因分析

（1）直流設(shè)備較交流設(shè)備更容易吸附污穢，以楚雄站極II為例，該極設(shè)備在運行過程中一直帶負電，始終吸附空氣中帶正電的粒子，沒有排斥的時候，而交變電流帶電時正時負，即對空氣中的正負粒子均是時吸時斥，所以直流設(shè)備比交流設(shè)備更容易受風(fēng)沙影響而變臟，運行一段時間后，連桿、軸套、齒輪間的摩擦增大，在分合閘過程中，機構(gòu)發(fā)生強行上坡行為，易使傳動機構(gòu)變形彎曲，引起隔離開關(guān)分合閘不到位。

（2）導(dǎo)流管為鋁制材質(zhì)，而從電機出來一直到導(dǎo)流管之間的傳動機構(gòu)為合金制作，不同材料的熱脹冷縮系數(shù)不一致，而800kV直流刀閘又具有本體高、傳動距離長，導(dǎo)流管質(zhì)量大，長度長的特點，楚雄換流站處于高海拔地區(qū)，晝夜溫差大，當(dāng)溫度發(fā)生變化時，導(dǎo)流管、傳動機構(gòu)的長度，直徑會發(fā)生微小的變化，從而影響分合閘。

（3）導(dǎo)流管長度14米，直徑0.3米，鋁制，所以導(dǎo)流管質(zhì)量大，從分閘狀態(tài)到合閘狀態(tài)旋轉(zhuǎn)角度62度，當(dāng)其水平旋轉(zhuǎn)時，動能大。完美合閘應(yīng)為導(dǎo)流管末端靠上U型卡口內(nèi)部固定塊（4.7）后運動戛然而止，但由于導(dǎo)流管動能大，碰撞固定塊后必然產(chǎn)生反彈力，從而導(dǎo)致導(dǎo)流管反向位移一小段距離，形成動靜觸頭間隙。

經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn)，由于導(dǎo)流管碰撞固定塊的反彈，刀閘動靜觸頭的間隙主要為固定塊（4.7）與導(dǎo)流管之間的間隙，本文將此間隙大小稱為g，4年運維經(jīng)驗統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)不同刀閘g值平均值如下：

表1 改造前g值平均值統(tǒng)計表

4 合閘不到位后果

正常情況下，刀閘作為導(dǎo)流部分，其電阻可視為零，當(dāng)出現(xiàn)合閘不到位，動靜觸頭間形成間隙后，刀閘的接觸電阻增大，楚穗直流設(shè)計滿負荷運行5000MW，正常運行最大電流3125A，根據(jù)公式 知，接觸電阻每增加1Ω，刀閘的發(fā)熱功率970萬瓦，即每秒多產(chǎn)生熱量970萬焦，如此大的熱量會使觸頭的接觸部位迅速發(fā)熱。導(dǎo)致鋁制導(dǎo)流管燒紅、退火，引起強度下降，甚至燒毀。

刀閘動靜觸頭間接觸電阻大小與發(fā)熱量的關(guān)系如圖3（分別以楚穗直流5000MW運行和2500MW運行為例）

當(dāng)?shù)堕l發(fā)熱融化到一定程度時，鋁制導(dǎo)流管開始融化變形，間隙繼續(xù)增大，接觸電阻進一步增大，從而加劇了熱量的產(chǎn)生，由于直流電流不存在過零點，電弧不易熄滅，此時IdCH等保護量發(fā)生變化，引起相關(guān)直流保護動作跳閘。

5 改進措施比較選取

方案一：進行技術(shù)改造，將U型卡口內(nèi)部固定塊（4.7）更換為具有更好緩沖作用的彈簧片，能夠更好的接受導(dǎo)流管，消耗導(dǎo)流管旋轉(zhuǎn)的動能，避免反彈。同時減小電機輸出功率，讓導(dǎo)流管旋轉(zhuǎn)速度減慢，從而減小導(dǎo)流管的旋轉(zhuǎn)動能，以較緩慢的速率進入U型卡口，從而減小了反彈造成的間隙。

方案二：位置指示法，在動觸頭的合適位置加裝具有反光特性的膜片，具有易觀察、耐高電壓、耐大電流等特性，該反光膜能指示刀閘到位情況，便于運行人員夜間利用電筒觀察。

方案三:隨著對運行操作準(zhǔn)確、高效、可靠等的現(xiàn)實需求，現(xiàn)有的人為判斷的“土方法”顯然不能滿足高標(biāo)準(zhǔn)的要求，如條件允許，可建設(shè)一套切實有效，設(shè)備先進、信息化程度高的現(xiàn)代化刀閘狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)能實時收集刀閘數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)進行分析判斷后形成的是否到位結(jié)果傳送至主控室電腦，便于運行人員“足不出戶”即能準(zhǔn)確高效的判斷刀閘狀態(tài)。

方案一和方案二均具有經(jīng)濟實用，且施工周期短，方便靈活的特點，適合楚穗直流目前的運行特點，但最終仍不能省去人工判斷的程序，實時性較差。方案三能夠?qū)崟r傳送刀閘狀態(tài)信息給主控室，判斷準(zhǔn)確，極大的縮短了運行倒閘操作時間，但投資很大，且收集刀閘狀態(tài)信號的探頭技術(shù)難度高，需要在高電壓、大電流、強磁場的環(huán)境下運行且不影響數(shù)據(jù)的采集和傳輸，現(xiàn)有的許多成熟的在線監(jiān)測手段，如紅外對射等均不能滿足環(huán)境要求，無相關(guān)經(jīng)驗參考，需在方案設(shè)計、委托制造、調(diào)試方案編制、等過程查閱大量文獻資料，反復(fù)試驗論證來確保裝置可靠性和實用性。

綜上所述：結(jié)合楚雄換流站實際運行特點，決定采取方案一和方案二并行，同時加強刀閘的日常維護、潤滑，縮短除污、緊固周期，清理刀閘本體、齒輪盒、觸頭內(nèi)的沙塵，打磨齒輪、軸、桿間的摩擦部位，轉(zhuǎn)動摩擦部位涂抹低溫潤滑脂。

圖3 發(fā)熱量隨接觸電阻變化示意圖

6 改造效果

在對楚雄換流站10把800kV直流刀閘進行技術(shù)改造后，各進行5次合閘操作，不同刀閘g值的平均值統(tǒng)計如下：

表2 改造后g值平均值統(tǒng)計表

測試數(shù)據(jù)表明改造后楚雄換流站直流刀閘動靜觸頭間隙得到了明顯改善。實際運行中測溫結(jié)果顯示間隙處溫度，在額定最大電流下維持在30～50℃以內(nèi)，滿足運行要求。

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