方家山核電500kV GIS DS、ES連接機(jī)構(gòu)非全相動(dòng)作分析及改造

承 澄

（中核核電運(yùn)行管理有限公司 維修二處，浙江 嘉興 314300）

0 引言

近年來，隨著國(guó)家電網(wǎng)建設(shè)的快速發(fā)展，500kV 超高壓開關(guān)站大量增加，國(guó)內(nèi)外各電廠對(duì)500kV 開關(guān)設(shè)備的智能度及可靠性的要求也越來越高。隔離開關(guān)和接地開關(guān)作為高壓開關(guān)站的重要設(shè)備，在開關(guān)站自動(dòng)化程度越來越高的進(jìn)程中，對(duì)其安全運(yùn)行要求也越來越高，若是發(fā)生故障，將可能影響輸電線路的正常運(yùn)行，損壞重要設(shè)備甚至威脅人員的生命安全。其機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、裝配工藝的不到位和缺陷必須得到及時(shí)的、有針對(duì)性的根本性解決，這樣才能保證電廠運(yùn)行的健康與穩(wěn)定，保證整個(gè)區(qū)域電網(wǎng)的正常輸配電，保障人員的安全。

1 系統(tǒng)機(jī)構(gòu)概述

1.1 方家山500kV超高壓系統(tǒng)

方家山500kV 超高壓開關(guān)站作為發(fā)電和輸電的連接樞紐，與華東500kV 電網(wǎng)相連接，經(jīng)主變和廠變供給電站廠用設(shè)備。開關(guān)站設(shè)有3 回出線（2 回至王店變，1 回至由拳變），2 回進(jìn)線，采用西開ZF8-550 型整體GIS 設(shè)備，布置在TB 廠房?jī)?nèi)，按“一個(gè)半斷路器”接線方式設(shè)計(jì)，由母線、斷路器、隔離開關(guān)、接地開關(guān)、電流互感器、電壓互感器、避雷器等設(shè)備組成。

1.2 方家山ES、DS電動(dòng)連接機(jī)構(gòu)

方家山500GIS 開關(guān)站GIS 隔離刀和接地刀均采用CJG6 型電動(dòng)機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)：CJG6 電動(dòng)機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)的外形及內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1 所示，機(jī)構(gòu)的整個(gè)傳動(dòng)部分和電氣部分都置于一方形機(jī)構(gòu)箱內(nèi)。

圖1 電動(dòng)操動(dòng)機(jī)構(gòu)Fig.1 Electric operating mechanism

電機(jī)通電高速轉(zhuǎn)動(dòng)，通過小直齒輪驅(qū)動(dòng)離合器裝置，由離合器出軸上的小齒輪帶動(dòng)直齒輪相繼轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)機(jī)構(gòu)的主軸旋轉(zhuǎn)，使機(jī)構(gòu)主軸上的傘齒輪帶動(dòng)機(jī)構(gòu)輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的操動(dòng)。在主軸旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，通過其上的小直齒輪帶動(dòng)機(jī)構(gòu)的控制齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，在機(jī)構(gòu)操作到位時(shí)，控制齒輪上的凸臺(tái)剛好擋住主軸上大直齒輪上的凸臺(tái)，使主軸停止轉(zhuǎn)動(dòng)。此時(shí)，輔助開關(guān)軸上的切換拐臂通過控制齒輪及小彈簧裝置將輔助開關(guān)切換，從而切斷電機(jī)回路，使電機(jī)斷電，而電機(jī)在斷電后的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量因主軸被控制輪上的凸臺(tái)擋住而全被離合器吸收，直到電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。

CJG 6 操作機(jī)構(gòu)只能帶動(dòng)A 相開關(guān)動(dòng)作，B、C 相通過鼓形齒輪與尼龍齒輪的配合與A 相連接，接受CJG6 電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)的扭矩；內(nèi)部通過傘形齒輪帶動(dòng)開關(guān)機(jī)構(gòu)分閘或合閘。其一側(cè)凸出，一側(cè)凹進(jìn)，矩形管夾夾緊軸與連接軸，防止軸向連接軸內(nèi)部竄動(dòng)，并在連接機(jī)構(gòu)外部通過連接套和補(bǔ)償器連接防護(hù)殼。連接機(jī)構(gòu)內(nèi)部有鎖桿，可在檢修時(shí)防止機(jī)構(gòu)誤動(dòng)作。如圖2 所示。

圖2 連桿機(jī)構(gòu)裝配結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of the assembly structure of the linkage mechanism

1.3 連接機(jī)構(gòu)的缺陷及其隱患

開關(guān)分、合閘指示以及至NCS 的分、合閘指示均來自其裝于A 相的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，不能反映B、C 兩相動(dòng)作情況。再加上B、C 相聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)未有可靠的機(jī)械指示，所以當(dāng)開關(guān)進(jìn)行分合閘操作時(shí)，就地和遠(yuǎn)方的可視信號(hào)和指示實(shí)際上是A 相開關(guān)的動(dòng)作反映，并不能完全反映B、C 相開關(guān)動(dòng)作的實(shí)際情況，若內(nèi)部發(fā)生故障，很有可能出現(xiàn)三相動(dòng)作不一致的情況，導(dǎo)致無法及時(shí)從外部機(jī)械指示與NCS 監(jiān)控發(fā)現(xiàn)問題和做出判斷，從而引起一系列運(yùn)行事件，甚至是帶電合接地開關(guān)的惡劣事故。這對(duì)電廠的正常運(yùn)行，對(duì)設(shè)備和人員的安全都存在嚴(yán)重的隱患。

2 相關(guān)事件的排查與分析

2.1 方家山500kV GIS開關(guān)站隔離開關(guān)50136分閘事件

2012 年12 月13 日，方家山調(diào)試隊(duì)電氣組在進(jìn)行方家山500kV GIS 開關(guān)站啟動(dòng)試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)500kV GIS 開關(guān)站隔離開關(guān)50136 分閘后，其后端電壓互感器0GEW137TU的B、C 兩相仍有298kV 相電壓的異常情況。此時(shí)，5012開關(guān)及5013 開關(guān)均合閘帶電運(yùn)行，隔離開關(guān)50136 NCS監(jiān)控及就地均顯示在分閘位置，正常情況下，隔離開關(guān)50136 后端的電壓互感器0GEW137TU 三相電壓應(yīng)接近0V。

排查發(fā)現(xiàn)1 號(hào)主變500kV 避雷器B、C 兩相泄漏電流表計(jì)均有約2 mA 的泄漏電流；斷開電壓互感器0GEW137TU 二次側(cè)空氣開關(guān)，測(cè)得該P(yáng)T 二次側(cè)B、C 相仍有約60V 電壓；隔離開關(guān)50136 的就地分、合閘指示以及至NCS 的分、合閘指示均來自其驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，此時(shí)就地及NCS 均指示其已分閘。

根據(jù)以上檢查情況，基本確定隔離開關(guān)50136 的A 相已分閘，但B、C 兩相未分閘，或者分閘未到位，初步推斷分閘未到位可能是連桿齒輪處存在問題。

檢查也發(fā)現(xiàn)證實(shí)了在B 相處A、B 兩相之間連桿鼓形齒輪從尼龍齒輪中脫落，致使A 相連桿無法聯(lián)動(dòng)B、C，即CGJ6 電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)在進(jìn)行分閘動(dòng)作時(shí)，只帶動(dòng)了A 相開關(guān)機(jī)構(gòu)分閘，其扭矩未傳遞到B 相、C 相。導(dǎo)致隔離開關(guān)50136 從遠(yuǎn)方分閘時(shí)A 相動(dòng)作，但B、C 兩相不動(dòng)作，如圖3 所示。

圖3 尼龍齒輪松脫Fig.3 Loose nylon gear

其根本原因?yàn)椋涸诂F(xiàn)場(chǎng)更換分支母線水平段支撐架時(shí)，隔離開關(guān)50136 處相間距有所增大，導(dǎo)致鼓形齒輪從尼龍齒輪中脫開，脫開的鼓形齒輪被連接軸的防護(hù)殼及補(bǔ)償器所包裹，外觀檢查時(shí)無法發(fā)現(xiàn)該缺陷，且隔離開關(guān)50136的就地分、合閘指示以及至NCS 的分、合閘指示均來自其裝于A 相的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，在以上事件連接機(jī)構(gòu)松脫的情況下不能反映B、C 兩相動(dòng)作情況。再加上B、C 相聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)未有可靠的機(jī)械指示，因而就地及遠(yuǎn)方操作時(shí)也無法發(fā)現(xiàn)該缺陷。

2.2 三峽電廠事件

三峽電廠左岸、右岸和地下電站500kV GIS 設(shè)備也采用了ZF8-550 型整體開關(guān)設(shè)備，其類似結(jié)構(gòu)隔離開關(guān)出現(xiàn)了刀閘不同期的情況。81061 刀閘出現(xiàn)過C 相在進(jìn)行合閘操作后，仍處于分閘狀態(tài)，而A、B 兩相均已合閘的情況。主要是由于聯(lián)動(dòng)桿B 相至C 相段靠C 相一側(cè)的固定螺栓松動(dòng)，導(dǎo)致C 相操作機(jī)構(gòu)與聯(lián)動(dòng)桿滑脫，從而造成C 相未合閘。

81031 在合閘過程中出現(xiàn)過異常聲音，解開傳動(dòng)桿發(fā)現(xiàn)B、C 兩相的合閘位置與A 相不一致，這也是由于傳動(dòng)齒輪松脫打滑引起的。

2.3 事件分析結(jié)論

通過上述事件不難看出，裝配工藝的不到位會(huì)給傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的正常扭矩傳遞帶來極大影響，而B、C 相未有可靠的機(jī)械電氣分合信號(hào)更是在傳動(dòng)機(jī)構(gòu)發(fā)生故障時(shí)嚴(yán)重影響了故障判斷與處理的效率。雖然以上事件為設(shè)備故障未對(duì)主設(shè)備造成損壞，對(duì)系統(tǒng)未產(chǎn)生影響，未引起嚴(yán)重后果，但都是依靠專業(yè)人員及時(shí)測(cè)量、分析與拆解排查，才能及時(shí)發(fā)現(xiàn)這些故障，才避免了事件的進(jìn)一步擴(kuò)大。這種情況與開關(guān)站高度自動(dòng)運(yùn)行的宗旨與需求是大相徑庭的，大大浪費(fèi)了人力、物力。如若相因缺陷故障未得到及時(shí)的發(fā)現(xiàn)和控制，很可能發(fā)生隔離開關(guān)未分而帶電合地刀的嚴(yán)重后果，帶來的不僅是設(shè)備的損壞與財(cái)產(chǎn)的損失，更有可能危及人員的生命安全。

所以，必須對(duì)此套連接機(jī)構(gòu)進(jìn)行可靠的、可行的優(yōu)化改造，解決裝配工藝的不足以獲得B、C 相可靠的機(jī)械電氣分合指示。只有消除這一安全隱患，才能確保500kV GIS設(shè)備以及整個(gè)電廠的可靠安全運(yùn)行。

3 機(jī)構(gòu)的可行性改造

3.1 機(jī)構(gòu)間隙優(yōu)化

調(diào)整連接軸左右間隙，使連接處的鼓形齒輪和尼龍齒輪能夠緊密貼合，并且保證有左右伸縮的余量。首先，需使整改間隔停電，使此間隔兩端可靠接地。將開關(guān)設(shè)備各相操作至分閘“O”位置；其次，拆卸連接機(jī)構(gòu)的防護(hù)殼、補(bǔ)償器和連接套等，后將鎖桿插到鎖盤中，使之不能隨意轉(zhuǎn)動(dòng)。

松開矩形管夾的螺釘?shù)灰∠拢钡捷S能夠在連接軸中竄動(dòng)，最后取出整個(gè)連桿裝配。從取下的連桿裝配中取下防護(hù)殼、保護(hù)罩、連接套等零部件，然后重新將鼓形齒輪、軸和連接軸安裝在連接機(jī)構(gòu)上，并調(diào)整軸和連接軸的連接長(zhǎng)度，標(biāo)記下裝配位置。調(diào)整連接機(jī)構(gòu)一端的鼓形齒輪端面貼緊尼龍齒套底部，緊貼齒套外端面在齒輪的外圓上畫紅色標(biāo)記線如圖4 所示。

圖4 連接軸裝配1Fig.4 Connecting shaft assembly 1

對(duì)于另一端，先將鼓形齒輪端面貼緊尼龍齒套底部，貼緊齒套外端面在齒輪的外圓上劃藍(lán)色標(biāo)記線，然后將軸及鼓形齒輪往外拉，當(dāng)藍(lán)色標(biāo)記線與尼龍齒套端面距離為3mm～5mm 時(shí)，在鼓形齒輪外圓端面畫紅色標(biāo)記線如圖5所示。

圖5 連接軸裝配2Fig.5 Connecting shaft assembly 2

確保兩端紅色標(biāo)記線位置不動(dòng)，調(diào)節(jié)連接軸，連接機(jī)構(gòu)兩側(cè)的軸和連接軸端面間隙S 應(yīng)相等，確保左右對(duì)稱受力均勻。在軸上劃線做好標(biāo)記以確定鉆孔位置時(shí)定位。將鼓形齒輪和矩形管拆下，按照所做的標(biāo)記連接軸上確定鉆孔位置，并鉆通孔，如圖6 所示。

圖6 連接軸裝配3Fig.6 Connecting shaft assembly 3

重新裝入連桿裝配，調(diào)整鼓形齒輪和連接軸的相對(duì)位置，直至兩者端面緊貼（否則由于間距原因裝不進(jìn)），將防護(hù)殼、補(bǔ)償器以及連接套裝配后，套入連桿裝配，移動(dòng)防護(hù)殼和補(bǔ)償器的位置，露出所鉆的孔，裝入開口銷，最后調(diào)整補(bǔ)償器和防護(hù)殼位置，露出矩形管夾的位置，旋緊螺栓，調(diào)整補(bǔ)償器與防護(hù)殼的相對(duì)位置，檢查確認(rèn)裝配合格后，移除鎖桿，補(bǔ)償器與防護(hù)殼之間以及連接套與補(bǔ)償器之間使用喉箍扎緊。

此方案調(diào)整了兩側(cè)鼓形齒輪和尼龍齒輪間隙，使其能夠緊密貼合傳遞扭矩，并且采用開孔插銷的方式，這樣即使當(dāng)矩形管夾松動(dòng)無法固定軸時(shí)，軸也不會(huì)在連接軸內(nèi)竄動(dòng)從而再次引起鼓形齒輪和尼龍齒輪間的松脫。

3.2 機(jī)構(gòu)分合閘指示優(yōu)化

3.2.1 機(jī)械部分優(yōu)化

為了獲得B、C 相各自分合狀態(tài)，必須獲得其開關(guān)獨(dú)立的分合的可靠信號(hào)，此信號(hào)應(yīng)為開關(guān)分合自身機(jī)械動(dòng)作所帶發(fā)的信號(hào)。又考慮到連接機(jī)構(gòu)盒的空間結(jié)構(gòu)與連接傳動(dòng)為機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)這一特點(diǎn)，可以將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)，然后觸發(fā)行程開關(guān)獲得分合信號(hào)，而此信號(hào)點(diǎn)必須可靠，可將選擇機(jī)構(gòu)盒支座內(nèi)遠(yuǎn)離傘形嚙合齒輪的一側(cè)作為這一信號(hào)觸發(fā)點(diǎn)，此信號(hào)點(diǎn)信號(hào)不會(huì)受鼓形齒輪和尼龍齒輪松脫或者電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)故障的影響產(chǎn)生偏差。行程開關(guān)可以選擇觸點(diǎn)式微動(dòng)開關(guān)，可設(shè)置兩個(gè)，通過固定板固定在支座內(nèi)壁上，分別觸發(fā)分合信號(hào)。其觸發(fā)方式可以通過軸帶動(dòng)絲杠，絲杠帶動(dòng)帶有上部驅(qū)動(dòng)桿的圓柱滑塊，驅(qū)動(dòng)桿可通過微動(dòng)開關(guān)所在的固定板所開直線導(dǎo)向槽左右平移，從而觸動(dòng)左右兩側(cè)微動(dòng)開關(guān)，進(jìn)而產(chǎn)生分合信號(hào)如圖7 所示?？紤]到500kV GIS 設(shè)備為室內(nèi)設(shè)計(jì)，不會(huì)有雨水問題，可在不透明防塵外殼上按照適當(dāng)尺寸開孔安裝透明有機(jī)玻璃蓋板，并分別在兩微動(dòng)開關(guān)上方噴涂O、I，這樣能夠在就地看到可靠機(jī)械指示以及分合狀態(tài)及內(nèi)部動(dòng)作狀態(tài)，也便于日常的巡檢維護(hù)如圖8 所示。

圖7 微動(dòng)結(jié)構(gòu)Fig.7 Micro-motion structure

圖8 就地分合機(jī)械指示Fig.8 Local opening and closing mechanical instructions

3.2.2 信號(hào)部分優(yōu)化

考慮到A 相機(jī)構(gòu)開關(guān)動(dòng)作由電機(jī)正反轉(zhuǎn)帶動(dòng)，其本身的輔助開關(guān)就具備分合轉(zhuǎn)換這一特點(diǎn)，可以將其也視為具備分合兩開關(guān)，將A、B、C 三相的分合信號(hào)分別都設(shè)置成“與”的邏輯，所以可分別將三相的合開關(guān)串聯(lián)、分開關(guān)串聯(lián)。這樣只有三相開關(guān)觸點(diǎn)都到位閉合才會(huì)輸出信號(hào)，如圖9 所示。設(shè)A1a、A2a、B1a、B2a、C1a、C2a 分別為A、B、C 三相常開端子號(hào)，為DS/ES 分位；A1b、A2b、B1b、B2b、C1b、C2b 分別為A、B、C 三相常閉端子號(hào)，為DS/ES 合位。

圖9 信號(hào)邏輯Fig.9 Signal logic

在接線上，由于增加了4 個(gè)微動(dòng)開關(guān)，考慮使用軟電線引出信號(hào)，在原電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)箱內(nèi)把端子排加長(zhǎng)，增加4 片端子，再利用原有A 相輔助開關(guān)端子，A1a、A1b 不動(dòng)，C2a、C2b 接入原A2a、A2b 位置，重新按照新的邏輯分別串聯(lián)相接。B、C 相8 根出線可由電纜橋架從A 相機(jī)構(gòu)箱原有呼吸器位置接入。這樣一來，滿足了新的信號(hào)邏輯，并且三相位置信號(hào)串接后引出的信號(hào)，從原A 相位置信號(hào)所接的接點(diǎn)上引出，不會(huì)對(duì)現(xiàn)有機(jī)構(gòu)的外部連接電纜產(chǎn)生任何變動(dòng)。

3.2.3 注意事項(xiàng)

絲杠與滑塊必須保證充分潤(rùn)滑，可考慮低溫潤(rùn)滑脂。對(duì)于微動(dòng)開關(guān)的位置應(yīng)精確調(diào)校，確保在開關(guān)分合時(shí)觸點(diǎn)能充分被接觸，但又要留有空隙，確保微動(dòng)開關(guān)不受沖擊從而產(chǎn)生位移，重新接線后，復(fù)查端子接線與圖紙一致。

在回裝防護(hù)罩前，需進(jìn)行機(jī)構(gòu)分、合操作若干次，每次操作完后檢查確保顯示屏上分合狀態(tài)均與機(jī)構(gòu)實(shí)際狀態(tài)一致，然后再回裝防護(hù)罩。

4 結(jié)語(yǔ)

方家山500kV GIS 開關(guān)站GIS 隔離機(jī)構(gòu)的故障是由于裝配工藝引起的，而其設(shè)計(jì)上的分、合閘指示信號(hào)均來自其裝于A 相的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，無B、C 相就地機(jī)械指示等因素均給故障的判斷和處理帶來了極大的不便。以上對(duì)其連接機(jī)構(gòu)的機(jī)械電氣改造，不僅解決了連接齒輪間隙過大導(dǎo)致松脫的問題，而且使三相均輸出可靠分合信號(hào)，從就地機(jī)械位置也有直觀準(zhǔn)確的指示，消除了運(yùn)行的安全隱患，保障了人員和設(shè)備安全，也大大提高了日常維護(hù)的便捷性，使電廠生產(chǎn)更加穩(wěn)定健康。