±500kV牛寨換流站不同開關機構的結構分析和技術上的運維要點

周旭

摘要：±500kV牛寨換流站斷路器機構類型主要分為液壓彈簧機構和彈簧機構，其中液壓彈簧機構主要用于高壓領域，包括500kV交流場、500kV交流濾波器場以及直流場，彈簧機構主要用于低壓領域，包括35kV低壓電抗器及站用變、110kV鹽換線以及35kV融冰裝置斷路器。

引言

在電力系統中，斷路器主要起著兩方面的作用，一是根據運行方式的需要，通過斷路器的斷開或者合上，將電力設備投入或者退出;二是在系統發生故障時，通過繼電保護裝置的作用，迅速切除故障設備，保證故障設備不被損壞或不造成更嚴重的影響，確保無故障部分正常運行。

斷路器按照滅弧介質分類，可以分為油斷路器、真空斷路器、SF6斷路器，其中油斷路器又可分為多油斷路器和少油斷路器，按照結構分類，可以分為罐式斷路器、瓷柱式斷路器、支柱式斷路器，按照操作機構分類可以分為液壓彈簧操作機構斷路器、彈簧操作機構斷路器以及氣動操作機構斷路器。

1.液壓彈簧操作機構

1.1液壓彈簧操作機構概述

由彈簧做為儲能部件，液壓油做為傳動載體的機構。（彈簧儲能目的是建立油壓，液壓油作為傳動部件。）整個機構為集成液壓系統，模塊化結構設計、集成度高、體積小、操作功大、無外露管路、可靠性高。

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，五個模塊通過連接管連接后，可與工作缸組成一個緊湊的整體，實現可靠的動作。

1.2液壓彈簧操作機構組成

工作模塊（工作缸和活塞桿）：采用常充壓差動式結構，高壓油恒作用于活塞桿上端。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）。分合閘運動主要通過活塞桿下端高低壓油的轉換實現。

充能模塊（電機、油泵、錐齒輪）：將電能轉換成機械能再轉換為液壓能帶動儲能模塊（儲能器）壓縮碟簧儲能。

監測模塊（彈簧行程開關）：監測并控制碟簧的儲能情況。通過對碟簧壓縮量的監測帶動行程開關凸輪旋轉來斷開或閉合微動開關觸點達到為主控室報警及自動閉鎖的目的。當壓力高于規定值時泄壓閥自動開啟達到保護機構的目的。

控制模塊（電磁閥及換向閥）：控制工作缸的分、合動作。通過主控室給出的命令是相應電磁閥打開閥口，使換向閥切換油路，從而達到分合閘目的。

1.3液壓彈簧操作機構的動作原理

儲能：當機構失壓時，行程開關的接點導通控制，電機通電，電機轉動帶動油泵將油從低壓區泵向高壓區，隨著高壓油量的增加，高壓油推動儲能活塞向上運動，儲能活塞帶動提升桿向上運動，提升桿帶動拖盤壓縮彈簧，到達預定位置時，行程開關的接點斷開，電機停轉，由于密封系統的作用，彈簧被保持在壓縮狀態。（低壓油箱中的油經液壓泵打壓成高壓油，流向三個儲能活塞。當液壓泵停止時，逆止閥關閉，防止高壓油流入低壓油箱。）

合閘：當碟型彈簧被壓縮時傳動桿的密封部位上部始終處于系統的高壓之下，在分閘狀態下，傳動桿密封部位下部處于低油壓狀態下，這樣傳動桿被牢牢控制在分閘狀態。當合閘閥接到合閘信號動作，切換閥切換到合閘狀態，傳動桿底部與高壓油相連，此時傳動桿的上部和下部都充以高壓油，由于活塞兩邊面積不同，產生壓差的作用，傳動桿向上運動，完成合閘操作。

分閘：當分閘閥接到分閘信號動作，切換閥切換到分閘狀態，傳動桿底部失壓，傳動桿上部的高壓油推動傳動桿向下運動，完成分閘操作，并帶動輔助開關切換，切斷分閘回路，為下次合閘做好準備。

控制閥工作原理：分合閘線圈得電均會驅動控制閥變位。當分閘線圈得電時，控制閥相應動作，將傳動桿底部觸頭底面油路中油由高壓油切換至低壓油路，高壓油通過換向閥連通至低壓油箱，現實分閘。當合閘線圈得電時，控制閥相應動作，將傳動桿底部觸頭油面中油由低壓油路切換至高壓油路，從而實現合閘。

機械閉鎖：在合閘狀態下，當系統壓力降低到一定程度時，閉鎖桿上的彈簧推動其向里運動，頂住傳動桿上的溝槽，使傳動桿不能運動。

電氣閉鎖：當彈簧儲能或卸壓時，行程開關的夾板隨著彈簧的運動而上下移動，到達一定的位置時，夾板上的凸起觸動開關上的小輪頂起接點或斷開。

打壓次數：機構在1天之內打壓10次是正常的，如果超過10次，需對機構進行進一步的觀察，如果打壓次數在發展，說明泄露點在發展，需要檢查處理。判斷泄漏是否合格也可用以下方法：關閉電機電源，在12小時內彈簧釋壓不超過15mm。

機構手動操作：通過按動前級換向閥的橡膠端蓋，可進行手動操作（電器聯鎖失效）。手動操作只用于調試和維修后做性能檢查時才采用，不作為正常的運行方式。只有當SF6氣體充足且碟簧柱儲能的情況下才能操作。且連續兩次按下手動橡膠端蓋的時間必須大于50s，一次按壓時間不得超過1s。

2.液壓彈簧操作機構常見故障

2.1故障的檢查及處理

（1）現場檢查有無滲漏油。檢查機構油位是否正常、機構外表面有無滲漏油、彈簧有無破損斷裂。

（2）僅在分閘位置打壓頻繁。開關合位時工作缸活塞兩側為高壓油，分位時一側為高壓油、另一側為低壓油。對于開關在分閘位置打壓頻繁，可將開關合閘，如果儲能完全正常，可初步判斷工作缸內活塞兩側高低壓油路存在滲漏。

（3）排除油中含有雜質和二次回路的問題。現場分合閘、儲能操作數次，對于開關在合位出現頻繁打壓故障，分合操作數次后彈簧無法一次性完成儲能，斷開電機電源后如果泄壓至0，可以排除油中含有雜質與二次回路的原因。分合閘操作同時可以檢測分合閘線圈電磁閥位置是否正常，動作是否靈活。

（4）操作機構內漏。可能造成內漏的原因，手動泄壓閥下過流閥，油泵出口逆止閥;控制閥;儲能模塊高壓密封圈;工作缸活塞密封進行檢查，更換后相應故障模塊后，頻繁打壓、壓力無法保持等故障只是得到緩解，如打壓時間間隔明顯變長但仍無法保持正常壓力，說明工作缸內高、低壓油路存在滲漏，需要返廠處理。

2.2技術上的運維要點

結合常見故障分析，液壓彈簧機構主要避免頻繁打壓或是拒動，主要技術運維要點有以下：

（1）液壓彈簧儲能是否正常保持。24小時內彈簧行程量變化30mm是正常范圍（電機斷開），若碟簧儲能有釋放下降的趨勢，則可能由于內漏造成壓力無法保持。

（2）在30min內，電機旋轉的最長時間為3min，本站整定電機運行時間為2min。若電機旋轉超過上述時間，則必須對電機作有效冷卻，電機時間運行時間過長可能損壞。故需合理整定電機運行時間。

（3）機構油位及油色。觀測機構油位是否正常，液壓油正常時清潔而透明，如果油變色或混濁，需換油;油面低于最低刻度時，需補油。若油位過低將可能造成碟簧儲能不完全或無法儲能，閉鎖開關分合閘操作。

（4）觸發線圈（分合閘線圈按鈕）。現場應明確標識，提示未經許可嚴禁現場按下分合閘線圈觸點。

（5）電機電源。正常運行方式下，機構電機電源應保持通暢，并在有效范圍內。若電機電源故障則將導致電機不運轉，機構無法儲能。

（6）機構外觀檢查。檢查是否有明顯的部件損壞、燒壞，漏油等現象。

（7）打壓次數分析（月平均值）。通過分析打壓次數，及時發現機構故障，避免由于機構故障造成頻繁打壓，磨損其余部件。

（8）檢查驅潮電阻、驅潮保險完好，查看機構是否受潮。查看機構加熱器是否正常運行，機構內是否有積水，避免由于受潮造成機構部件銹蝕，卡澀。

（9）電機油泵、繼電器、端子排無燒焦痕跡，無冒煙、打火現象，連接完好。

3.彈簧操作機構

3.1彈簧操作機構概述

彈簧操動機構是一種以彈簧作為儲能元件的機械式操動機構。彈簧的儲能借助電動機通過減速裝置來完成，并經過鎖扣系統保持在儲能狀態。開斷時，鎖扣借助磁力脫扣，彈簧釋放能量，經過機械傳遞單元使觸頭運動。

彈簧操動機構結構簡單，可靠性高，分合閘操作采用兩個螺旋壓縮彈簧實現。儲能電機給合閘彈簧儲能，合閘時合閘彈簧的能量一部分用來合閘，另一部分用來給分閘彈簧儲能。合閘彈簧一釋放，儲能電機立刻給其儲能，儲能時間不超過15s（儲能電機采用交直流兩用電機）。

彈簧操作機構是由彈簧提供斷路器操作所需的能量，彈簧一旦儲能能量就會被保持住而不會有能量損失。相比之下，液壓機構儲能后能量損失的機會較多，任意一個閥門或是接頭的泄露均有可能導致儲能能量的損失，造成斷路器頻繁打壓或是拒動。彈簧操作機構是一種較為可靠的儲能方式，其操作較為簡單，只需在每次合閘時啟動一次合閘電機即可，合閘彈簧直接驅動斷路器操作桿而不經任何的傳動部件或連接桿。

3.2彈簧操作機構動作過程

儲能過程：斷路器處于合閘位置，合閘彈簧釋放，分閘彈簧已儲能。斷路器合閘操作后，與棘輪相連的凸輪板使限位開關閉合，磁力開關帶電，接能電動機回路，使儲能電機啟動，能過一對錐齒輪轉動至與一對棘爪相連的棘輪上，棘輪的轉動使這一對棘爪交替蹬踏棘輪，使棘輪逆時針轉動，帶動合閘彈簧儲能，合閘彈簧儲能到位后由合閘彈簧儲能保持掣子將其鎖定。同時凸輪板使限位開關切斷電動機回路。合閘彈簧儲能過程結束。

分合閘操作：采用兩個螺旋壓縮彈簧實現。儲能電機給合閘彈簧儲能，合閘時合閘彈簧的能量一部分用來合閘，另一部分用來給分閘彈簧儲能。合閘彈簧一釋放，儲能電機立刻給其儲能，儲能時間不超過15s（儲能電機采用交直流兩用電機）。運行時分合閘彈簧均處于壓縮狀態，而分閘彈簧的釋放有一獨立的系統，與合閘彈簧沒有關系。這樣設計的彈簧操動機構具有高度的可靠性和穩定性。合閘彈簧和分閘彈簧是獨立的，儲能機構一般只給合閘彈簧儲能，而分閘彈簧一般是靠斷路器合閘動作儲能.在合閘回路中串聯有開關儲能接點，也就是說開關未儲能就不能進行合閘。但分閘回路中沒有串聯有開關未儲能接點。所以就算開關未儲能，也可以跳開。（注意：這里的開關未儲能指的是合閘彈簧未儲能，而分閘彈簧未儲能是沒有接點出來的）。在開關斷開時，分閘彈簧是還沒儲能的，而合閘彈簧已儲能。合閘時，合閘彈簧釋放能量，合閘同時給分閘彈簧儲能。以確保開關在合上的時候能跳開。合閘彈簧釋放完能量時（開關剛合上），電機開始給合閘彈簧儲能，這個大概需要十秒鐘，此時就算合于故障，因為分閘彈簧已儲能，所以能跳開。這也說明在手合于故障時，開關能馬上跳開，但這種跳開之后不能馬上再次重合（需要區別于重合閘），因為合閘還沒儲能，要等儲能結束后才能再次送電。而如果是開關本來是合上的，此時開關的合閘彈簧和分閘彈簧都已儲能。有故障時，分閘彈簧釋放能量分閘。再過1秒左右，（由于合閘彈簧已儲能）合閘彈簧釋放能量進行合閘。而在合閘結束的時候，分閘彈簧已儲能結束，但合閘彈簧還沒有儲能好。如果這次合閘于故障，由于分閘彈簧已儲能結束，所以開關能馬上跳開。但跳開之后就不能再次馬上合上了，需要等到合閘彈簧儲能結束以后才行（一般開關需要30秒后才行，但我們實際情況就要等事故處理完畢后，才能重新再次試合）

3.3彈簧操作機構常見故障及原因分析

電氣方面原因：

（1）控制電源電壓異常，如：控制電源失電，控制電源電壓過低等;

（2）分、合閘指令異常，如：誤發分、合閘指令，分、合閘指令脈沖過長或過短等;

（3）控制回路的元件異常，如：熔絲熔斷，端子虛接、松動，就地/遠控轉換開關接觸不良，斷路器輔助觸點切換時序不正確或接觸不良，回路絕緣低導致接地或串電等;

（4）分合閘線圈異常，如：線圈燒毀、匝間短路;

（5）儲能回路異常，如：儲能電機匝間短路、限位開關不切換或接觸不良等。

機械方面原因：

（1）分閘（合閘）鐵芯卡阻。一般是因為分閘（合閘）線圈吸合后，因線圈內銅套變形、開裂等因素的影響，鐵芯無法正常撞擊并釋放分閘（合閘）掣子，這種類型的故障較為常見，應對分閘（合閘）線圈和鐵芯進行更換。

（2）分閘（合閘）掣子故障。主要包括三種情況：①掣子固定螺栓松動，引起掣子位置變化，無法正確咬合或釋放;②掣子咬合面因操作次數多，操作沖擊大，材質不良等因素發生磨損，造成無法可靠咬合。

（3）驅動拐臂斷裂，造成合閘摯子不能有效動作。

（4）傳動部分存在摩擦、碰撞現象。主要有：①套裝在主軸上的驅動拐臂、偏心拐臂因為變形、松動的影響，相互間發生摩擦，導致分閘（合閘）動作失敗或速度異常低;②因松動、移位、表面銹蝕等原因造成分閘（合閘）摯子與偏心拐臂（驅動拐臂）之間的咬合過緊導致摯子不能釋放;③當合閘操作力較大時，水平傳動拉桿與合閘拐臂下沿劇烈碰撞后發生反彈，使合閘保持掣子來不及復位，導致機構合閘保持不住;④主拐臂和輔助開關間的連接板彎曲、位移與輔助開關產生摩擦乃至碰撞，造成輔助開關不能正常切換。

（5）分閘、合閘彈簧故障，儲能不完全，如變形、斷裂等，造成機構輸出功不足，引起分、合閘失敗，或分、合閘速度不符合要求，開關處于半分半合狀態。產生此類故障的原因主要是彈簧的材質問題。另外，如果分閘緩沖器存在漏油等缺陷，造成分閘末端的剩余能量得不到阻尼，久而久之，會導致分閘彈簧故障;如果合閘卷簧層間的襯墊因安裝工藝不良，運行中逐漸發生位移，會造成卷簧慢慢喪失變形量最終損壞。

（6）過儲能。手動儲能，由于機構無機械限位，導致過儲能;儲能電機控制回路觸點粘連，導致機構過儲能，嚴重時將可能造成彈簧斷裂。

3.4彈簧操作機構運維要點

結合常見故障分析，彈簧操作機構主要技術運維要點有以下：

（1）檢查分閘彈簧、合閘彈簧儲能、釋能指示與實際相符，儲能彈簧有無形變;

（2）機構各管道、壓力表與管道之間連接處、卸壓閥應無滲、漏氣痕跡;

（3）重視操動機構電氣回路。電氣回路故障占彈簧操動機構故障總數的三分之二以上。且電氣回路的安全運行受外部影響較大，運行環境惡劣、外部回路故障、誤操作、檢修人員工作失誤等都會引發電氣回路故障。定期檢查儲能電動機、熱繼電器、分閘脫扣器、合閘脫扣器、端子排端子應無燒焦痕跡，無冒煙、打火現象，因連接完好;

（4）加強數據的分析和比對。定期抄錄打壓動作次數，并進行分析;

（5）開展機構的防潮、防松、防銹、和潤滑，杜絕元件受潮、松動、銹蝕和缺乏潤滑帶來的不利影響。如：完善操作機構箱防水封堵，保證加熱器正常工作，定期檢查驅動裝置油位，傳動元件涂抹潤滑脂等。

4.結論

±500kV牛寨換流站斷路器按照操作機構分類主要分為液壓彈簧機構和彈簧機構，其中液壓彈簧機構主要用于高壓領域，而彈簧機構主要用于中壓領域，在運維過程中，操作機構的主要故障體現在頻繁打壓的問題上，其中液壓彈簧機構在處理該問題時不僅要注意機構油的外漏還要注意機構中是否有高低壓油相互泄漏的問題。

參考文獻：

[1]昭通換流站設備運行及檢修維護手冊GIS維護手冊（0KB.412.398）

[2]新東北GIS ABB液壓彈簧操作機構（HMB-4/-8型）

[3]ZF15-550kV GIS設備運行維護要求

[4]LW15A-550檢修作業指導書（用戶版）

[5]斷路器用戶手冊