高寒條件下超高壓隔離開關機械特性研究

齊 超

(大唐黑龍江發電有限公司，哈爾濱 150078)

0 引 言

隔離開關的可靠性在很大程度上取決于其機械操作系統的可靠性。隨著國家電網建設向高寒地區的全面展開，對高壓隔離開關的可靠性、壽命等方面的要求越來越高，迫切需要戶外隔離開關運維技術的快速發展。統計表明，高寒地區的高壓隔離開關的故障大部分是機械操作系統故障，且多是因低溫環境導致的導電回路和動作機構故障。因此，亟需研究高寒條件下隔離開關的機械特性，提出可用于監測高寒條件隔離開關運行狀態的物理量。

目前，學者關于隔離開關機械特性及在線監測技術的研究較多。常林晶等人通過對隔離開關的傳動模型進行簡化和等效力矩計算，得到了影響隔離開關操作力矩的關鍵因素，即與觸頭觸指的接觸壓力、接觸輪廓和傳動連桿的位置有關，提出了一種基于主軸扭矩的隔離開關機械狀態故障診斷方法[1-2]；黃聿琛等人通過研究分析建立了隔離開關電機電流和轉軸轉矩與不同缺陷情況的對應關系，提取關鍵特征量，提出了缺陷診斷判據和方法[3-4]；雷興等人測得隔離開關處于正常狀態、軸承卡澀、三相不同期、合閘不到位等典型機械狀態的操作力矩-轉角曲線，通過對比分析提出了基于操作力矩-轉角曲線的縱向比較法與橫向比較法來判斷隔離開關機械狀態[5-6]；董洪達分析了高壓隔離開關典型機械故障(絕緣子斷裂、操作不靈活、部件銹蝕)的產生原因，闡述了各類機械故障的檢測方法，并通過對比研究，提出了科學合理的診斷檢修改進措施[7-8]。但上述研究只針對常溫條件，未考慮低溫對各項特性的影響。

針對上述問題，通過建立超高壓隔離開關的高寒條件試驗平臺，測試并對比分析了低溫對隔離開關電極定子電流、輸出轉軸及輸出功率的影響，為其在高寒環境下運行狀態的監測與診斷提供數據參考。

1 試驗平臺

1.1 隔離開關試品

該試驗以550 kV防污型雙柱單臂水平伸縮式隔離開關為試驗對象，為了方便觀察分合閘動作及后期調試過程，所用試樣未安裝支柱絕緣子、旋轉絕緣子以及相應位置的均壓環。但由于齒輪箱處的均壓環會隨著齒輪箱的運動而運動，為了模擬其對隔離開關的影響，需在齒輪箱處安裝配重塊，試樣在實驗室及高寒環境下的布置如圖1、圖2所示。

圖1 隔離開關實驗室布置圖

圖2 隔離開關高寒環境試驗布置圖

1.2 測量系統

為滿足對隔離開關典型機械特性參數的測量，分別搭建輸出電機定子電流(電機功率)及轉軸應變檢測系統。其中，電機功率通過對卡扣式電流互感器、電壓傳感器與電壓探夾的測量而得到，并通過數據采集模塊上傳至LabVIEW軟件平臺，其原理如圖3所示。

圖3 功率測試接線原理圖

考慮到在檢修過程中，不允許拆動原有的二次回路，試驗時將卡扣式電流互感器安裝到對應的接觸器以及A、C兩相的進線端進行測量，并通過采集模塊將數據送至軟件平臺。輸出功率則采用二表法，通過測量兩相電流以及對應的線電壓，來計算電機的輸出功率。

同時，在測量隔離開關轉軸應變時，為不破壞其原有軸系，采用非植入式檢測系統，將輸出轉軸應變轉化為輸出轉軸力矩，勻速驅動隔離開關動作，同時測得驅動隔離開關動作需要的操作力矩和手動輸入端的轉動角度。再根據機構箱內減速機的減速比，將測量的操作機構箱手動輸入端轉角折算為主軸的轉角，最終得到操作力矩-轉角曲線。

常溫試驗選取溫度為25～35 ℃，同時，為模擬高寒氣候條件，測試時利用低溫箱及室外實際環境將溫度降為-40～-20 ℃，分、合閘時間均設定為12 s，在額定操作電壓下，操動5次，并記錄相關數據[9]。

2 高寒環境對隔離開關電機定子電流的影響

運用上述設備測得常溫及高寒環境下分、合閘電機定子電流曲線，如圖4所示。

圖4 電機定子電流隨分、合閘時間變化曲線

分析圖4可知，由于隔離開關驅動電機采用了直接啟動方式，故啟動電流幅值比較大，但分合閘過程中電流幅值較為平穩。

與常溫情況相比，高寒環境下分、合閘電流幅值均明顯增大，且在合閘嚙合過程中存在一個較小的波峰。但由于電機電流僅在負載較大時會隨之波動，當負載較小時變化不明顯，故難以通過電機電流曲線評判隔離開關的機械狀態。

3 高寒環境對隔離開關輸出轉軸應變的影響

測試得到常溫及高寒環境下狀態隔離開關分合閘輸出轉軸應變曲線，如圖5所示。可以看出，總體上合閘過程所需力矩較大，力矩變化更為明顯。具體分析可分為4個過程：0°～8.6°，即合閘初始運動階段操作力矩幅值較小，且不隨角度的變化而變化，這是由于此階段上、下導電臂位置基本不發生改變；8.6°～138.4°，即導電臂展開階段，在該階段合閘曲線先上升后下降，并出現一個較大的波峰，這是由于合閘過程彈簧的形變量與重心的位移量變化速率不一致，當彈性勢能變化較大時，主軸轉動所需力矩增大，當重力勢能變化較大時，主軸轉動所需力矩減小；138.4°～163.8°，觸頭與觸指嚙合階段，該階段合閘曲線存在兩次明顯下降，分別由彈簧形變及重力勢能變化導致；163.8°～182.8°，合閘末尾運動階段，該階段操作力矩變化特性與初始階段相同，這是由于上、下導電臂位置、重力勢能與彈性勢能基本不變。

圖5 輸出轉軸應變隨分、合閘時間變化曲線

對比得出，高寒環境及常溫環境下力矩行程曲線的變化趨勢大致相同，但高寒環境下幅值平均增大2.26 N·m，分閘過程中幅值增大2.20 N·m。這是由于高寒環境下金屬受冷收縮，軸承轉動過程受到的阻力增大；同時金屬的韌性大幅下降，觸指、導電彎板的形變過程需要克服更大的阻力。

4 高寒環境對隔離開關輸出功率的影響

測試得到常溫及高寒環境下狀態隔離開關輸出功率曲線，如圖6所示。分析可知，合閘運動所需的時間略大于分閘運動，且由于彈性勢能與重力勢能時刻發生改變，難以平衡，故動作過程中導電臂展開或收縮也無法維持勻速，主軸力矩變化較大，分合閘曲線也有較多的波動。

圖6 輸出功率隨分、合閘時間變化曲線

高寒狀態下，電機的運動時間在分閘和合閘過程中分別下降為10.54 s和10.68 s，且電機功率明顯上升，合閘過程平均輸出功率為518 W，比正常狀態增加143 W；分閘過程平均輸出功率為439 W，比正常狀態增加197 W，合、分閘過程做功之比從1.57下降為1.25，試驗規律與應變檢測結果一致。

5 結 語

為得到能夠監控隔離開關機械特性的特征量，通過建立試驗平臺，并測試對比常溫環境及高寒條件下電機定子電流、輸出轉軸應變及輸出功率隨時間的變化曲線，得到如下結論：

1)高寒條件下電機電流較常溫條件下增大，但由于合閘過程中電流幅值較為平穩，對于動作過程中力矩較小的隔離開關，難以通過電機電流曲線評判隔離開關機械狀態；

2)高寒條件下力矩行程曲線與常溫環境下輸出轉軸應變的變化趨勢大致相同，但分合閘過程的操作力矩均明顯增大，分別增加2.26 N·m及2.20 N·m；

3)高寒條件下，分合閘過程電機功率較常溫環境下明顯上升，且合、分閘做功之比減小，與轉軸應變隨溫度變化規律一致。