500 kV斷路器操動機構打壓超時故障分析

李叔麟，焦東圍，鐘 濤

（中國長江電力股份有限公司三峽水力發電廠，湖北 宜昌 443000）

1 引言

隨著社會的高速發展，人類用電需求不斷增大。維持電力系統的安全運行是當前的研究熱點。斷路器在電力系統中起著關鍵作用，其在長時間運行中，會出現各種原因導致的操動機構打壓超時故障。而現場檢修時間長，工作量大，嚴重影響電力系統供電的可靠性，為了能夠縮短檢修時間和檢修過程，熟悉了解操動機構打壓超時的情況，對設備檢查和分析將起到關鍵作用。

2 500 kV斷路器操動機構結構及原理

本節主要對HMB型液壓操動機構的結構進行介紹，該500 kV液壓操作機構采用的是無外接管路的高度模塊化機構，在對頻繁打壓故障分析及處理上比傳統的氮氣儲能液壓機構上具有一定的特殊性。

整個機構為集成液壓系統, 模塊化設計, 主要包括充壓模塊、儲能模塊、工作模塊、控制模塊、監測模塊。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[1]。機構基本結構如圖1所示。工作模塊（工作缸）采用常充壓差動式結構, 高壓油恒作用于有桿側。分、合閘速度可通過相應的節流閥分別調整（出廠時已調整好）。充能模塊(電機和油泵)將電能轉換成機械能再轉換成液壓能帶動儲能模塊(儲壓器)壓縮疊簧儲能。監測模塊(彈簧行程開關等) 監測并控制疊簧的儲能情況。控制模塊(電磁閥及換向閥等) 控制工作缸的分、合動作[2]。

圖1 HMB型液壓彈簧操動機構基本結構

3 液壓操動機構油泵啟動原理

不同狀態下的液壓機構行程表如表1所示，泵啟動監視回路如圖2所示。其中F1為彈簧控制啟泵行程開關接點, 當機構壓力降低時, 彈簧行程位置減小至8 115 mm 以下接點閉合, 接通油泵電機回路, 油泵輸出的高壓油同時進入3個儲能活塞上端, 推動儲能活塞向下運動壓縮疊簧進行儲能。儲能到位后F1接點打開，彈簧行程開關切斷油泵電機，油泵停運，打壓過程結束。

表1 液壓操作機構行程

圖2 泵啟動監視回路示意圖（僅疊簧行程開關部分）

4 液壓操動機構油泵頻繁啟動原因

液壓操動機構油泵頻繁啟動的原因一般有以下幾點：

（1）液壓油外漏造成油壓下降。如模塊連接處或密封面有滲油、放油閥密封不嚴等問題引起，主要有以下幾個部位[3]：①手動泄壓閥下過流閥；②油泵出口逆止閥；③控制閥；④儲能模塊高壓密封圈；⑤工作缸活塞密封；⑥換向閥濾芯密封圈。

（2）機構內部高、低壓油路間內漏使得機構壓力無法正常保持。根據液壓操動機構的結構特點與檢修經驗, 通常有以下幾處密封薄弱環節：①漏點手動卸壓閥下過流閥; ②油泵出口逆止閥; ③控制閥(二級閥); ④儲能模塊高壓密封圈；⑤分位限位座注油孔[4]。

（3）油中雜質。油中雜質卡澀活塞或密封圈位置,使密封不嚴, 高壓油路向低壓油路滲漏。

（4）二次回路故障。如圖2中控制油泵啟停的F1接點故障也可能導致油泵頻繁啟動。

（5）油中氣體含量過高，高壓油路中存在氣泡，影響工作性能，造成打壓超時。

5 打壓超時案例分析及處理

經過某廠歷年分析數據及診斷處理發現，液壓斷路器操動機構打壓電機齒輪破損導致的電機打壓超時情況最多，經常或者過度頻繁的打壓可能造成齒輪磨損和開裂。一些串內斷路器不經常動作，油腔內可能存有氣泡，導致壓力加不上。打壓電機很少出現大問題，平時檢修時注意碳刷的長度以及打壓電機連接線是否完整。某廠打壓超時原因統計表如表2所示。

表2 某廠打壓超時原因統計表

5.1 外觀檢查判斷

外觀檢查即在工作現場能夠用肉眼就能夠觀察到的設備故障或者缺陷，以下為4種工作中常見的能夠通過外觀檢查判斷故障原因。

（1）油壓測量閥泄漏

某電站GIS第二串斷路器A相油泵動作次數頻繁，其斷路器油泵動作次數統計表如表3所示。

表3 斷路器油泵動作次數統計表

監控報“34R：某開關油泵電機長時間運行,第十四設備故障”信號。

工作人員現場對A相操動機構開蓋檢查發現機構漏油較嚴重。工作人員打開液壓操作機構的蓋板，檢查機構油位是否正常、機構外表面有無滲漏油、彈簧及齒輪有無破損斷裂。經肉眼觀察可發現滲漏點為油壓測量閥，對其螺栓進行了緊固，并對操動機構進行抽真空和補油，操動機構補油操作步驟如下。油泵打壓測試合格，保持壓力未見滲漏點[5]。

1）通過濾油器接到排油閥。

2）連接真空泵到注油孔。

3）松開壓力釋放開關，關閉排油閥。

4）抽真空達到≤10 kPa。

5）保持真空泵運轉，打開排油閥，將油抽入。

6）關閉排油閥,再次抽真空，達到1.0～1.5 kPa約5 min，這時手動反復地操作電磁閥（控制線圈）。

7）拆除真空泵，并關閉注油孔。關閉壓力釋放開關，對液壓彈簧操作機構加壓，并分、合動作若干次當操作機構彈簧張緊時，檢查工作位置時的油位。如果油位不在正常位置，通過注油孔重新注油或利用排油閥排油。

8）在完成充油步驟后，應該進行首輪的5次閉合 / 斷開操作，排除液壓系 統中的空氣。任何在操作機構上的作業，可能會引起空氣進入液壓系統，必須對液壓彈簧操作機構排氣。

9）正常運行時的最低油位不應低于規定的油位以下。

10）操作機構如果未和斷路器相連，要操作操作機構時，必須關閉分合閘節流螺釘(流量調節閥)，并做好標記以便于今后使用時能恢復原樣。

（2）打壓電機齒輪破損

監控報“某斷路器油泵電機長時間運行”信號，現場檢查為該開關A相打壓超時，現場對斷路器操作機構開蓋檢查，發電打壓電機齒輪破損，導致壓力加不上去。更換全新打壓電機齒輪后，重新對斷路器進行打壓，打壓正常。

該類型液壓操作機構打壓電機齒輪為塑料齒輪。優點有：減輕開關整體重量；防止機構卡死而導致電機起火；塑料齒輪生產方便，能夠節約生產成本。打壓電機齒輪破損的原因：工作環境惡劣導致的齒輪老化變形；機構卡澀，超出了齒輪的承受范圍；打壓動作次數過多導致齒輪磨損[6]。

經過多次現場處理發現，液壓斷路器操作機構打壓電機齒輪破損導致的電機打壓超時情況最多，在打壓超時故障中占到了近一半的比重。在平時巡檢及機組檢修的時候，應該多注意檢查打壓電機齒輪。

（3）油路存在氣泡

監控報“某開關運行中出現B相操動機構無法打壓”，導致打壓超時缺陷，設備檢修人員經現場檢查分析發現油位顯示表中液壓油中混有許多氣泡，檢查打壓電機，齒輪及外觀可觀察到的設備全部正常，認為缺陷原因為機構油泵建壓油路存在氣泡造成打壓效率低。

等待開關停運后，用真空泵對低壓油腔和高壓油腔進行抽真空，抽除多余的氣泡。對操作機構泄壓并重新打壓，并對操作開關分合，開關分合均正常，建壓油路中空氣已排，電機二次控制回路正常。

液壓油中氣泡產生的原因：低壓腔的油和空氣混合，空氣混入油中，打壓時將混有氣泡的低壓油打入高壓腔中；低壓油腔密封性能不好；低壓油腔混入其他雜質。

（4）打壓電機燒毀

監控報“某開關運行中出現B相操動機構無法打壓”，導致打壓超時缺陷，設備檢修人員現場對操動機構開蓋檢查，檢查發現操動機構直流電機有燒煳味，并且碳刷磨損嚴重，其他外觀設備檢查狀態良好，初步認為缺陷原因為碳刷磨損嚴重導致碳刷和滑環不能導電，回路不通，使得直流電機不能轉動，導致電機卡住并燒毀。

5.2 內部綜合檢查

內部檢查即通過肉眼不能直接判斷故障位置，需通過二次信號或者對操動機構進行解體來具體判斷故障詳細原因。接點不到位和高壓油腔內漏為兩個常見的內部故障。

（1）斷路器操作機構接點不到位

監控報“某斷路器電機故障”“27F斷路器、刀閘等故障”，現場匯控柜上“油壓異常”燈亮。

PCS-9821裝置“油壓異常”燈亮，經過查詢，如圖3（a）所示，當操作機構發生重合閘油壓低閉鎖或者A、B、C相重合閘油壓異常的時候，該裝置油壓異常報警。工作人員現場檢查PCS-9821裝置的開入量如圖3（b）所示。

圖3 PCS-9821現場遙信狀態

通過對現場遙信狀態進行分析，76項-重合閘油壓低閉鎖為1，正常應為0。A、B相重合閘顯示的油位正常，C相重合閘油壓正常顯示的為0，則說明C相重合閘油壓異常。并且查看C相電機保護輔助繼電器是勵磁狀態，由此可知“油壓異常”是由于C相打壓超時，接點不到位引起的。

現場工作人員對斷路器操作機構進行開蓋檢查，對相關接點進行調整，重新對斷路器操作機構進行打壓，操動機構正常打壓，故障復歸。

（2）高低壓油腔內漏

機構內部高、低壓油路間內漏使得機構壓力無法正常保持。根據液壓操作機構的結構特點與檢修經驗，在工作中發現以下4種問題。

1）換向閥濾芯密封圈破損

換向閥是通過改變油液流向而改變執行元件運動方向的閥門。換向閥濾芯密封圈磨損嚴重使得密封不嚴密，使得油流流過閥體時產生較大的壓力損失，過大的內泄漏量不僅會降低系統的效率，引起過熱，而且還會影響執行機構的正常工作，導致機構打壓超時。檢修時需要對破損的密封圈進行更換，更換完成后打壓正常。

圖4 換向閥閥芯密封圈損壞示意圖

2）行程開關內部密封圈被壓扁

行程開關是一種常用的小電流主令電器，利用生產機械運動部件的碰撞使其觸頭動作來實現接通或分斷控制電路，達到一定的控制目的。內部密封圈因機械應力或油壓致使密封圈被壓扁，導致行程開關壓力降低，使得開關不能開斷到指定位置，造成機構打壓超時。檢修時需要對行程開關內部密封圈進行更換，更換后重新進行打壓，打壓正常。

圖5 行程開關內部密封圈

（3）分閘限位底部注油孔炸裂或損壞

分閘限位底座的注油孔內壁有破損， 導致破損的金屬顆粒在油路中運動,導致儲能模塊內壁、工作缸內部有摩擦劃痕的印記。該印記可能導致內部產生泄漏,造成液壓機構頻繁打壓。檢修時工作人員對進油孔進行更換，對儲能機構的內壁進行打磨（若內壁劃痕較為嚴重，應更換相應的儲能模塊）。

（4）工作缸內部污漬

工作缸內部、油箱內部以及各高低壓油孔內均有污漬，會對油路進行堵塞，造成油壓建立不起來，導致打壓超時。檢修時工作人員用無毛試紙對工作缸及高低壓油腔內污漬進行清洗和擦拭。檢修后重新對操動機構打壓，打壓正常。

針對上述幾種可能造成內漏的原因, 對于手動卸壓閥下過流閥、油泵出口逆止閥、控制閥、儲能模塊高壓密封圈等薄弱部位進行檢查, 根據檢查及更換后儲能操作情況, 可以確定故障位置。如果對相應故障部分進行更換后, 頻繁打壓、無法一次完全儲能、壓力無法正常保持等故障不能得到有效解決,如打壓時間間隔明顯增加但仍然無法正常保持壓力, 說明工作缸內的高、低壓油路存在滲漏, 需將機構返廠處理。

圖6 進油孔破損和儲能模塊內壁磨損示意圖

6 結語

本文以HMB型液壓碟簧操作機構為例，首先簡要展示了操動機構的結構，并較為詳盡地介紹了工作原理。其次總結了液壓操動機構油泵頻繁啟動故障的原理和可能發生的原因。最后通過案例分析和現場處理的過程，系統地總結了操動機構外觀檢查和內部檢查具體過程，以及內、外觀檢查中可能出現的常見故障，為操動機構實際的故障檢查提供了較為全面的參考，具有很好的工程實際意義。