LW10B型斷路器密度繼電器校驗(yàn)組件優(yōu)化設(shè)計及測試

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(國網(wǎng)江西省電力公司檢修分公司，江西　南昌　330029)

1　引言

SF6斷路器作為新型高壓電器開關(guān)設(shè)備，以其優(yōu)越設(shè)計和穩(wěn)定性能，在電力系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。SF6斷路器氣體回路的關(guān)鍵部件SF6氣體繼電器、校驗(yàn)閥由于設(shè)計、安裝、維護(hù)等因素，導(dǎo)致環(huán)境溫度改變而造成氣體壓力變化、波紋管損壞，造成密度繼電器誤動作，嚴(yán)重威脅設(shè)備的安全運(yùn)行[1]。因此電力部門制定行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T295-2012《SF6氣體密度繼電器校驗(yàn)規(guī)程》和國家電網(wǎng)公司發(fā)布的Q/GDW168-2012《輸變電設(shè)備狀態(tài)檢修試驗(yàn)規(guī)程》規(guī)定：SF6氣體設(shè)備使用單位，按照基準(zhǔn)周期進(jìn)行校驗(yàn)[3]。目前SF6氣體密度繼電器檢驗(yàn)工作已經(jīng)在電力系統(tǒng)廣泛普及，但要求相應(yīng)電氣設(shè)備必須停運(yùn)、采樣信號線構(gòu)成閉合回路、拆卸校驗(yàn)造成漏氣等問題[3]。為了確保電力設(shè)備安全運(yùn)行，《國家電網(wǎng)公司十八項(xiàng)電網(wǎng)重大反事故措施》規(guī)定：斷路器滿足不拆卸校驗(yàn)密度繼電器及戶外安裝密度繼電器應(yīng)設(shè)置防雨罩要求；密度繼電器必須與斷路器本體處于相同運(yùn)行環(huán)境[7]。

因此對現(xiàn)場SF6氣體密度繼電器檢驗(yàn)工作的改進(jìn)，提高電力生產(chǎn)效率重要手段，具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

2　LW10B型SF6斷路器校驗(yàn)接頭現(xiàn)狀分析

2.1　LW10B型斷路器密度繼電器基本結(jié)構(gòu)

LW10B型斷路器密度繼電器，由于氣體泄漏而造成壓力下降時，儀表的指示也將隨之發(fā)生變化；直至繼電器觸點(diǎn)接通，上傳報警和閉鎖信號。斷路器SF6的密度繼電器及接頭與相應(yīng)的操作機(jī)構(gòu)箱單元處于聯(lián)通狀態(tài)，與斷路器本體運(yùn)行環(huán)境溫度不同。當(dāng)環(huán)境溫度變化時，斷路器內(nèi)SF6氣體壓力產(chǎn)生變化；由于機(jī)構(gòu)箱中加熱器及密封保溫措施，儀表內(nèi)的溫度補(bǔ)償元件對其變化量進(jìn)行補(bǔ)償，使儀表指示與實(shí)際不同。現(xiàn)場如需校驗(yàn)或更換密度繼電器，要將外罩拆除后(見圖1)，把與斷路器相連三通閥球閥關(guān)閉，然后將密度繼電器從三通連接頭上拆卸即可[8]。

圖1　LW10B型斷路器密度繼電器

2.2　LW10B型SF6斷路器密度繼電器存在問題

LW10B型斷路器SF6氣體密度繼電器組件設(shè)計復(fù)雜，且校驗(yàn)裝配接頭與斷路器的充氣口、微水測試口以及氣體關(guān)斷閥都在同一位置[9]。在日常運(yùn)行檢修及校驗(yàn)過程中，技術(shù)人員根據(jù)現(xiàn)場使用經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出存在如下隱患：

(1)密度繼電器校驗(yàn)裝配接頭校驗(yàn)過程，需要額外對氣道進(jìn)行開閉操作，存在閥門未開啟的誤操作，影響SF6密度繼電器不起作用的安全隱患[10]。

(2)對密度繼電器進(jìn)行校驗(yàn)和斷路器充氣、微水測試等，拆解接頭觸動斷路器SF6氣路密封，存在增加斷路器氣路滲漏點(diǎn)隱患。

(3)SF6斷路器密度繼電器與機(jī)構(gòu)箱處于同一密閉環(huán)境中，機(jī)構(gòu)箱中有加熱器及保溫措施。當(dāng)外界溫度變化時，密度繼電器會因?yàn)檠a(bǔ)償而誤報警和動作。

3　LW10B型SF6斷路器校驗(yàn)接頭改良設(shè)計

3.1　LW10B型SF6斷路器校驗(yàn)組件設(shè)計

針對上述問題，經(jīng)過檢修人員設(shè)計與試驗(yàn)，最終確定采用以下方法對斷路器密度繼電器連接組件進(jìn)行改良設(shè)計。首先、取消原斷路器機(jī)構(gòu)箱上密度繼電器結(jié)構(gòu)框架和箱罩，在液壓機(jī)構(gòu)箱上設(shè)計過渡板(含有4 個φ12尺寸安裝孔)。其次、需對原密度繼電器校驗(yàn)裝配接頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造。再者、在密度繼電器外增設(shè)防雨罩。上述文中校驗(yàn)組件裝置設(shè)計，主要由連接管路及校驗(yàn)接頭、密封橡膠板、防雨罩等方面組成。改造整體結(jié)構(gòu)設(shè)計如下：

(1)連接管路及校驗(yàn)接頭設(shè)計。在液壓機(jī)構(gòu)箱上將原孔由φ10 擴(kuò)鉆成φ12，用于安裝SF6氣體密度繼電器與斷路器本體連通管路(見圖2)。與此同時，在擴(kuò)孔處采用O型密封圈，避免連通管和閥體連接的氣路導(dǎo)致斷路器機(jī)構(gòu)箱進(jìn)水受潮；另外，將面板焊裝固定在機(jī)構(gòu)箱側(cè)板后；還需在面板開φ75孔用于穿密度繼電器信號電纜。

圖2　連接管路及校驗(yàn)接頭結(jié)構(gòu)圖

本文中設(shè)計的開閉式校驗(yàn)接頭[11](見圖3)，具有自動校驗(yàn)功能，可以徹底防止誤操作，無需另行對氣道進(jìn)行開閉操作，就可以實(shí)現(xiàn)對密度繼電器進(jìn)行校驗(yàn)，同時可取消開啟和關(guān)斷標(biāo)識，使得試驗(yàn)人員現(xiàn)場校驗(yàn)不需要拆卸密度繼電器；所有閥門式接頭均按照LW10B型SF6斷路器接口尺寸設(shè)計，確保閥門開關(guān)可靠和通用，還能夠在同一接口對LW10B型SF6斷路器補(bǔ)氣和氣體成分測試，減少斷路器SF6氣體系統(tǒng)連接面，保證電力設(shè)備可靠性和提高電氣作業(yè)安全性。

(2)過渡面板設(shè)計。斷路器設(shè)備在戶外運(yùn)行，在取消原密度繼電器外罩后，采用過渡面板可保證斷路器機(jī)構(gòu)箱在運(yùn)行時不受外界潮濕環(huán)境的影響和安裝固定斷路器密度繼電器校驗(yàn)接頭。因此在斷路器機(jī)構(gòu)箱與SF6氣體密度繼電器間特制過渡板并在四周涂抹密封膠的措施，在過渡板內(nèi)墊橡膠密封圈。投制過渡板(材料鋼板)尺寸如圖3所示。

通過設(shè)計4個φ11的螺栓固定孔將過渡面板安裝在機(jī)構(gòu)箱上； 為了將密度繼電器校驗(yàn)接頭裝配固定在過渡面板上，另行設(shè)計4 個φ10的接頭連接孔。根據(jù)表計電纜尺寸，電纜波紋管接線端子安裝在過渡面板上，在面板連接處按“開孔位置及尺寸” 設(shè)計、安裝O型密封圈。改造后的結(jié)構(gòu)使得密度繼電器外露，能夠有效的防止密度繼電器處于原結(jié)構(gòu)的箱罩形成的小環(huán)境，能夠消除晝夜溫差較大，造成密度繼電器誤報警現(xiàn)象[13]。

圖3　過渡面板尺寸設(shè)計圖

(3)防雨罩設(shè)計。由于上述改造，使得密度繼電器在戶外環(huán)境中安裝運(yùn)行。因此設(shè)置防雨罩將表計、控制電纜接線端子放入，防止指示表、控制電纜接線盒和充氣接頭進(jìn)水受潮。本文中結(jié)合LW10B型斷路器密度繼電器測量外觀尺寸設(shè)計出包裹住密度繼電器表的外罩；防雨罩后部設(shè)由安裝底座并配有安裝螺絲(見圖4)。通過安裝螺絲將防雨罩、控制電纜固定于過渡面板，以防止運(yùn)行中設(shè)備松動。另外防雨罩鏤空設(shè)計，確保設(shè)備不受潮，還能在自然風(fēng)對流下及時將繼電器外表干燥；能很好解決戶外SF6密度繼電器及二次接線盒進(jìn)水受潮的問題，提高設(shè)備運(yùn)行的可靠性。

圖4　防雨罩結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)高壓設(shè)備場地運(yùn)行工況為邊界條件，利用Solidworks軟件建立防雨罩裝配體有限元分析模型(見圖5)，在基體法蘭集成開發(fā)環(huán)境下對防雨罩裝配體結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，并分析了設(shè)計參數(shù)對防雨罩所受靜態(tài)位移、剪切應(yīng)力變形的影響[15]。結(jié)合現(xiàn)場結(jié)構(gòu)及環(huán)境要求，對鈑金特征參數(shù)目標(biāo)優(yōu)化后，防雨罩裝配體最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)為厚度2mm，折彎半徑15.24mm，釋放槽比例0.5。

圖5　防雨罩模型約束受力分析

本文改造設(shè)計效果(見圖6)，取消原斷路器機(jī)構(gòu)箱密封框罩，將密度繼電器置于與斷路器本體溫度相同的環(huán)境中，可解決機(jī)構(gòu)箱內(nèi)外溫差過大發(fā)生密度繼電器誤報警的故障。通過將面板焊裝固定在機(jī)構(gòu)箱側(cè)板上，接線端和氣體管路安裝在彎板上，箱體開孔處防止進(jìn)水。由于密度繼電器固定于機(jī)構(gòu)箱外壁，防止感溫包被日光直射，另行增加設(shè)計防雨罩，證了斷路器的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

圖6　斷路器密度繼電器改造后效果圖

3.2　密度繼電器校驗(yàn)組件主要技術(shù)指標(biāo)和性能

本文中所設(shè)計的方案中，SF6密度繼電器自動校驗(yàn)裝配接頭不用拆卸就能對自動對SF6氣體密度繼電器進(jìn)行方便校驗(yàn)或更換，微水和充氣口設(shè)計人性化，可以方便的對SF6斷路器進(jìn)行微水測量和補(bǔ)氣，為檢修人員的操作帶來方便。本設(shè)計方案中關(guān)鍵問題是裝配接頭必須采用多重密封[15]和密度繼電器采用防雨罩，確保運(yùn)行安全。同時，對斷路器機(jī)構(gòu)箱連接處采用保護(hù)密封面和密封圈的設(shè)計方式，不影響斷路器機(jī)構(gòu)箱二次元器件的環(huán)境性能要求，能確保SF6斷路器的安全運(yùn)行。其主要性能指標(biāo)為：

(1)環(huán)境溫度影響。當(dāng)環(huán)境溫度在-15℃～55℃范圍內(nèi)變化時，校驗(yàn)組件應(yīng)能工作正常。

(2)機(jī)械振動。當(dāng)振動頻率在10～60Hz，振幅為0.15mm和60～500Hz、加速度為20m/s2情況下，校驗(yàn)組件在三個相互垂直的平面上各承受1h的振動，裝配接頭密封性能良好。

(3)沖擊。當(dāng)沖擊的加速度為500mm/s2、持續(xù)11ms，校驗(yàn)組件在三個相互垂直的平面上各承受三次沖擊情況下，校驗(yàn)組件無漏氣。

(4)密封性能。裝配接頭在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力下年泄漏量不大于0.02g。

(5)運(yùn)輸環(huán)境溫度。裝配接頭在運(yùn)輸包裝條件下，經(jīng)受高溫為60℃和低溫為-25℃的運(yùn)輸環(huán)境試驗(yàn)。試驗(yàn)后，裝配接頭的性能良好。

(6)外觀。裝配接頭的表面光潔平整，顏色均勻，不應(yīng)有明顯傷痕缺損；裝配接頭的標(biāo)志應(yīng)鮮明、清晰；裝配接頭的緊固件不得松動、脫落。

(7)材質(zhì)。采用材料具備抗氧化、防腐蝕能力；不應(yīng)有虛焊﹑折裂和機(jī)械損傷等問題。

4　現(xiàn)場性能測試

筆者對文中改造方案結(jié)合現(xiàn)場多次研討，根據(jù)現(xiàn)場多次運(yùn)用和改進(jìn)，最終對斷路器密度繼電器校驗(yàn)組件各部分設(shè)計生產(chǎn)成品(見圖7)，充分解決LW10B型斷路器密度繼電器組件現(xiàn)在運(yùn)行及校驗(yàn)存在問題。

圖7　斷路器密度繼電器改造后現(xiàn)場運(yùn)行圖

現(xiàn)場校驗(yàn)運(yùn)行設(shè)備時，將SF6氣體密度繼電器校驗(yàn)儀通電預(yù)熱并靜置30分鐘，以使SF6氣體密度繼電器校驗(yàn)儀與被檢SF6氣體密度繼電器的溫度相一致。為了對比運(yùn)行環(huán)境溫度與密度繼電器指示準(zhǔn)確度等級，對壓力指示值進(jìn)行校驗(yàn)[15]，測量密度繼電器主要技術(shù)指標(biāo)，結(jié)果如表1所示。

溫度補(bǔ)償誤差由式(1)計算得出：

Δ1=±(δ+K1Δt)

式中,Δ1為環(huán)境溫度偏離20℃的溫度補(bǔ)償誤差值；K1為溫度補(bǔ)償系數(shù)為0.0002℃；Δt=|t1-t2|；δ為指示準(zhǔn)確度等級為1時，其允許誤差±1%。

表1　不同環(huán)境溫度下的氣室校驗(yàn)結(jié)果

由現(xiàn)場測試結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)隨外界溫度變化時，由于斷路器氣室與密度繼電器同一運(yùn)行環(huán)境，不會因?yàn)檠a(bǔ)償性能造成壓力指示值偏差過大。現(xiàn)場校驗(yàn)操作簡單、便利，同時也解決LW10B型斷路器密度繼電器原設(shè)計需要停電拆卸校驗(yàn)的局限性及連接面氣體泄漏[15]問題。

5　結(jié)論

通過分析LW10B型斷路器密度繼電器校驗(yàn)組件結(jié)構(gòu)，江西省電力公司檢修分公司修試設(shè)計出了一種新型斷路器密度繼電器校驗(yàn)組件組件，對現(xiàn)存運(yùn)行進(jìn)行改良設(shè)計及完善化處理。一方面可以消除現(xiàn)場檢驗(yàn)工作時拆卸SF6氣體管道和接頭工作量，即減少SF6氣體泄漏的機(jī)率；另外從根本上解決密度繼電器與斷路器本體處于非同一運(yùn)行環(huán)境，溫度補(bǔ)償造成誤報警和動作的問題。

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