寶泉電站SFC啟動母線隔離開關合閘故障分析及改造處理

康曉義，武 磊，郭玉春

（河南國網寶泉抽水蓄能有限公司，河南省新鄉市 453636）

寶泉電站SFC啟動母線隔離開關合閘故障分析及改造處理

康曉義，武 磊，郭玉春

（河南國網寶泉抽水蓄能有限公司，河南省新鄉市 453636）

寶泉電站SFC啟動母線隔離開關在運行過程中出現了操作電機與機軸傳動齒輪打滑故障。本文詳細分析了傳動齒輪與機軸打滑的原因，并對機軸與傳動齒輪間的固定配合方式進行了研究，在此基礎上研制了新型結構的傳動齒輪，經過實際應用，新的齒輪結構在可靠性、耐用性、經濟性以及維護便利性等方面取得了顯著效果。

抽蓄電站；啟動母線分段隔離開關；傳動齒輪；固定配合

0 引言

寶泉抽水蓄能電站工程位于河南省新鄉市輝縣境內，為國家重點建設項目，總裝機容量4×30萬kW。寶泉電站位于電網負荷中心，地處華中電網、華北電網、西北電網的交叉點和支撐點上，承擔電網調峰、填谷、調頻、調相以及事故備用等任務。與常規機組相比，啟動母線隔離開關是抽蓄電站特有設備，在機組抽水方向啟動過程中起到電氣軸建立的關鍵作用，隨著抽蓄電站在電網調節中作用的日益重要，啟動母線分段隔離開關伴著機組抽水啟動頻次的增加而頻繁分合，其操作可靠性直接關系到機組抽水工況啟動的成功率及隔離開關設備的安全健康運行水平。

1 SFC技術與啟動母線隔離開關設備功能簡述

靜止變頻啟動裝置（SFC）是大型抽水蓄能電站的關鍵電氣設備，變頻啟動是抽水蓄能電站的關鍵技術之一。SFC帶動可逆式機組作為同步電動機運行啟動平穩、迅速可靠、不存在失步問題，具有優異的調速性能，且成功率高、維護量小、自診斷能力強。大型抽水蓄能電站采用SFC啟動為主、背靠背啟動備用的混合啟動方式能獲得較高的可靠性和經濟性。

寶泉電站配備1套SFC拖動設備由1～4號機組公用，一次接線見圖1。SFC通過啟動母線分別同各機組建立電氣連接，構成一次拖動回路。其中1、2號機共用一單元啟動母線，3、4號機組共用二單元啟動母線。SFC至1、2號機組與3、4號機組間對稱各設置一套啟動母線分段隔離開關60GEV001JS、60GEV002JS。

SFC一次只能拖動一臺機組，在SFC拖動機組過程中，啟動母線隔離開關設備同SFC輸入輸出開關、SFC輸出隔離開關、機組被拖動隔離開關一樣，參與機組拖動流程，是SFC與被拖動機組一次拖動回路即電氣軸建立的必要環節之一。此外，啟動母線隔離開關還能起到電氣隔離作用，當1、2號機組側或3、4號機組側任一側啟動母線或相關設備故障時，相應分段隔離開關可將故障點隔離，避免另一側機組抽水方向啟動受到影響。

圖1 寶泉電站一次接線圖Fig.1 Baoquan power station electrical wiring diagram

2 故障經過

11月11日4號機組抽水調相啟動過程中監控報警：

03∶40∶19 60GEV_002JS_DT_C 002JS CLOSG ORD OVERTIME；

03∶40∶29 04GTA_001XV_DI_TRP UNIT MASTER TRIP GTA-001XV TRIPPED；

即啟動母線3/4機側隔離開關合閘超時，電氣軸建立失敗，機組轉緊急停機。

現地檢查發現啟動母線3/4號機側分段隔離開關60GEV_002JS控制柜面板上合閘與分閘指示燈均不亮，機械位置指示顯示隔離開關本體既不在“分”位也不在“合”位，通過分段隔離開關觀察窗發現隔離開關動觸頭在形成中間位置，隔離開關確未合上，母線內連桿機構未現異常，走近控制柜聽到有電機轉動的聲音，打開盤柜后門透過間隙發現皮帶處于松弛狀態，電機機軸上傳動齒輪脫落。由此判斷，操作電機機軸傳動齒輪脫落是造成本次隔離開關合閘失敗的直接原因。

3 故障分析

SFC啟動母線隔離開關操作聯動機構包括控制盤柜、操作電機、傳動齒輪、傳動皮帶、操作連桿、動靜觸頭組成，見圖2。隔離開關分合是由操作電機電動機軸傳動齒輪旋轉經皮帶將動力傳送至尺寸較大的中間傳動齒輪，中間傳動齒輪帶動操作連桿機構帶動隔離開關動觸頭動作實現隔離開關分合。

對脫落的機軸齒輪檢查發現其尺寸較小（內徑14mm），齒輪與機軸的固定連接主要依靠齒輪軸套與機軸在尺寸上的過盈配合實現固定傳動，由于齒輪尺寸小，齒輪軸套較薄，而在機軸上開出的鍵槽（見圖3左）對應軸套位置并沒有固定鍵與之對應（見圖3右），如此使得齒輪與機軸在鍵銷固定方面存在設計及工藝上的缺陷，該工藝和設計缺陷是本次故障的最根本原因。

圖2 分段隔離開關操作聯動機構圖Fig.2 Section disconnector operating linkage diagram

圖3 機軸與傳動齒輪拆分圖Fig.3 Shaft and transmission gear split figure

4 處理方法探討

傳動齒輪常見的固定方式有采用過盈配合的熱套工藝固定或者用鍵銷固定也有用齒輪膠固定。其中過盈配合的熱套固定方式工藝復雜，需要有專用的熱套設備，在使用中一旦滑脫，用戶因為缺少專業設備和專業技術人員，很難自行修復，只能通過更換備件來消除缺陷，并且需要將電機及齒輪一并更換，極大增加了消缺成本。同時，該種固定方式故障發生前期隱秘性較強，不易通過日常巡視檢查提前發現故障隱患。使用鍵銷固定方式，對于小型部件來說加工難度大，并且抗扭強度小，可靠性差。使用齒輪膠固定方式，最為便利，但在傳動強度及耐用性上存在不足。由此得出，在現有的處理手段和條件下均不能達到設備運行高可靠的要求。必須通過改造來徹底消除現有的設計與工藝缺陷。

5 改造方案

鑒于以上三種工藝弊端和生產實際要求，該公司自行設計了新型的齒輪樣式。新型的防滑脫傳動齒輪裝置，充分利用現有電機機軸存在鍵槽的現有結構，在原有齒輪結構基礎上增加用于螺栓固定的齒輪臺階，如圖4（左為設計圖、右為實體圖）結構所示，其中齒輪內側的螺釘與機軸上的鍵槽配合可實現齒輪與機軸在軸切向的把固，同時在機軸軸端增加螺釘與墊片，實現齒輪的軸向固定。機軸傳動齒輪改造前后裝配對比如圖5所示。

圖4 新型機軸傳動齒輪設計及實體圖Fig.4 New machine shaft drive gear design and solid modeling

圖5 機軸傳動齒輪改造前后裝配對比圖Fig.5 Front and rear shaft drive gear assembly transformation comparison chart

6 新型齒輪優點

（1）克服了機軸與齒輪常規的鍵槽與銷釘配合方式無法在小尺寸設備上有效應用所帶來的設計與工藝難題。

（2）加工工藝簡單，安裝與維護便利，對人員技能及安裝維護工具要求低，能夠實現通過定期檢查維護提前發現并消除齒輪打滑的潛在隱患。

（3）實現了機軸與齒輪在機軸軸向和切向的雙向把固，極大提高了傳動的可靠性和耐用性水平。

（4）當電機故障或齒輪故障時只需更換其一，極大節約了消缺成本。

7 結論

改造后的新型機軸傳動齒輪裝置優點突出，在運行一年多的時間里，沒有發生過齒輪松動的現象，印證了其高可靠性。SFC啟動母線分段隔離開關具有機械操作連桿機構器件多、操作頻繁、對機械耐用性要求較高等特點，抽蓄行業曾出現過分段隔離開關運行中因軸套磨損，傳動軸與固定件打滑、聯動桿變形等動作故障。作為運維人員，唯有通過定期的檢查維護以及必要的改造方能減少乃至避免故障的發生。

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康曉義（1988—），男，大學本科，助理工程師，主要研究方向：抽水蓄能電站機電設備運行、維護、檢修。E-mail：xiaoyi_kang1988@163.com

武 磊（1980—），男，大學本科，工程師，主要研究方向：抽水蓄能電站機電設備運行、維護、檢修。E-mail：bqwul@126.com

郭玉春（1985—），男，大學本科，助理工程師，主要研究方向：抽水蓄能電站機電設備運行、維護、檢修。E-mail：yuchun_guo@163.com

Baoquan Power Station SFC Start Closing Busbar Disconnector Failure Analysis and Transformation Process

KANG Xiaoyi, WU Lei, GUO Yuchun
(State Grid Henan Baoquan Pumped Storage CO.LTD, Xinxiang 453636, China)

Baoquan Power Station SFC start operation of the motor busbar disconnector appeared and transmission gear shaft slip fault during operation.This paper analyzes the transmission gear and shaft slip reasons fixed manner and with the shaft and transmission gears were studied, on this basis, developed a new type of gear structure, through the practical application of the new structure in gear reliability, durability, economy and ease of maintenance and achieved remarkable results.

pumped storage power station; start bus sectioning disconnector; gear; fixed

TV734.2+1

A 學科代碼：570.2510

10.3969/j.issn.2096-093X.2016.05.013