HMB型液彈儲能機構故障探析及改進措施

李 鍇，徐成西

（國網北京市電力公司檢修分公司，北京 豐臺 100073）

隨著時代進步，電力系統不斷發展，電網除了對斷路器有極高的電氣性能（操作能力）要求，越來越重視其操作機構可靠性。操動機構作為氣體絕緣全封閉組合電器（GIS）用斷路器的重要組成部分，同時也是GIS用斷路器的動力來源，其電氣性能和可靠性決定著GIS用斷路器的平穩運行。HMB型液壓彈簧操動機構廣泛應用于GIS用斷路器中，但其復雜的結構導致充壓模塊中機構液壓儲能齒輪易發生斷裂。北京電網所轄范圍內設備液彈機構齒輪隱患較為嚴重，存在一定風險，改造工作迫在眉睫。由于電網停電時間限制，現有技術中，液彈機構改造須要電網停電情況下拆除機構接地及連接拉桿，隨后利用電動葫蘆將機構吊起后拆除電機、托架、舊軸銷等部件，安裝新的傘齒輪部件軸銷并固定，過程煩瑣且周期緊張。由于以上原因申請停電處理受到電網運行方式、停電時間等情況影響較大，尤其是處在保供電期間，停電尤為困難。為了解決這一難題，就需要在不停電作業條件下設計一套臨時應急處理措施，避免GIS用斷路器由于設計、制造工藝不良等質量事件，造成電網輸變電主設備故障或缺陷導致非計劃性停運等不良事件發生。

1 HMB型液壓彈簧機構基本情況

1.1 基本情況介紹

常見的GIS用斷路器的操動機構主要分為彈簧操動機構、氣動操動機構、液壓操動機構3種形式。其中氣動操動機構包含：分閘、合閘都依靠壓縮空氣的純氣動操動機構，分閘（或合閘）依靠壓縮空氣，合閘（或分閘）依靠彈簧力的氣動彈簧操動機構2種；液壓操動機構分為氮氣儲能和彈簧儲能2種。本文介紹的故障斷路器為廈門ABB公司生產的EK0型產品，配備HMB液壓儲能彈簧。隨著斷路器使用年限增加，維護開支的減少以及對免維護開關設備及操作機構減少缺陷的需求。為提高可靠性，如圖1所示，依據CIGRE 研討會的故障統計數字表明開關設備中的絕大部分故障是由操作機構所引起的，占比43%。HMB型液壓彈簧操作機構是根據ABB公司1986年設計定型的AHMA機構優化改進而成，具備制造技術和模塊化裝配技術。它結合了金屬彈簧機械儲能與液壓力傳送和能量轉換的優點。在設計特點上具備：內置液壓阻尼系統、使用帶孔螺絲調節分合閘速度。結構特點上具備：對斷路器液壓功能的持續自我監視以及現代傳感器技術的監視功能，但正因其高度集成化，也導致以往液壓彈簧機構中儲能齒輪部件的拆卸工藝實施過程在未采取相應臨時措施情況下須要停電才能開展。

圖1 液壓彈簧操動機構動作原理圖

1.2 液壓彈簧操作機構功能原理

如圖1所示，液壓泵把油從低壓油缸打到3個高壓儲能活塞處，停泵時，一個逆止閥可防止高壓油回流，儲能活塞環繞主圓筒對碟形彈簧柱進行儲能，在操作范圍內，碟簧的彈簧力具備特性曲線十分平緩的特點。碟簧柱由若干彈簧組成，即使某個彈簧故障也不會對斷路器操作造成影響，利用彈簧儲能狀態的位置監視功能和液壓泵的不定時啟動，位置開關對彈簧柱的儲能狀態實現監視作用，限位開關在儲能過低時閉鎖操作，必要時發出告警信號。其中，HMB型液壓彈簧操動機構控制模塊內一級電磁閥、內部二級電磁閥及工作模塊內的工作缸、活塞桿等是利用壓差原理實現開關分合閘操作的核心部件。阻尼系統與活塞桿結合在一起建立了阻尼壓力，使GIS用斷路器的運動平緩，減少加在GIS用斷路器和自身基礎上的機械負載。輸出活塞的原理為利用操作氣缸軸的截面積之差產生出不同的驅動力，即活塞的面積差產生壓力差，推動活塞運動，在合閘和分閘位置形成一個驅動力。當需要大操作力來開斷大電流時，輸出活塞的速度會自然地降低而液壓系統的效率會提高，使得輸出活塞的驅動力增大。

HMB液壓彈簧操動機構共包含5大模塊，分別為儲能模塊、工作模塊、動力模塊、監視模塊、控制模塊。其中液壓儲能模塊決定了上述油壓回路動作過程能否順利進行，工作模塊為5個模塊的核心部分。4個模塊通過螺栓與工作模塊進行連接，實現油路導通。

儲能模塊主要由油泵電機、傳動機構、油泵、放油閥、齒輪組成，其中齒輪斷裂在儲能模塊故障中占很大比重。

2 現場情況檢查

2.1 現場情況

近幾年，北京電網管轄的變電站中，出現多起110 kV EK0型組合電器斷路器儲能機構齒輪斷裂的情況。在近期的排查過程中，發現多站多間隔此類型號機構儲能齒輪存在裂紋問題。其中，某站120斷路器機構儲能齒輪斷裂，現場報文顯示120斷路器油泵運轉異常報警和120斷路器彈簧滿足分合分壓力報警。儲能機構正常工作是實現斷路器正確、快速分合閘動作的前提，如果無法實現儲能，則會導致斷路器拒分，當有故障發生時，斷路器無法實現可靠分閘切除故障，發生故障越級現象，嚴重威脅電網安全穩定運行。當前采取的措施仍為申請停電檢修，更換損壞齒輪。

2.2 測試情況

結合現場停電檢修處理經驗，在以往數次液壓彈簧機構齒輪更換過程中，針對已出現明顯貫穿裂紋的齒輪在拆解更換過程中即發生斷裂。利用HMB液壓彈簧機構齒輪創新試驗臺，對某站拆卸后伴有輕微裂痕的齒輪進行加速劣化測試100次試驗，雖未發生斷裂情況，但裂痕呈現輕微擴大趨勢。

2.3 初步分析結論

液彈機構齒輪斷裂與動作次數無明顯聯系，金屬銷與齒輪公差較小導致斷裂可能性較大。

110 kV ABB產HMB型液彈機構總體密封性較好，約23天啟泵打壓一次。

目前出現輕微裂痕的齒輪，在機構未發生明顯滲漏導致打壓頻次增多的情況下，具備堅持工作一段時間的條件。

3 不停電處理措施解決方案

3.1 不停電作業條件技術思路

當前GIS用斷路器HMB型液壓彈簧操動機構，充壓模塊中機構液壓儲能齒發生斷裂后，傳統檢修工藝仍然采用停電處缺方式。倘若電網不具備停電條件，只能由檢修人員駐守在液壓機構斷路器旁進行監視并手動打壓，易造成人員精神疲憊，對電網安全生產工作存在一定隱患因素。由于GIS組合電器液壓機構斷路器儲能機構正常工作是實現斷路器正確、快速分合閘動作的前提，如果無法實現儲能，則會導致斷路器拒分，當電網有故障發生時，嚴重威脅電網安全穩定運行。本文提出一種不停電安裝GIS組合電器液彈機構儲能齒輪的裝置及方法，以解決斷路器液彈機構儲能齒輪更換作業過程煩瑣且處缺時間長的問題。重點針對GIS組合電器HMB型液壓彈簧操動機構充壓模塊中機構液壓儲能齒安裝方式進行改造，目的在于將原本停電安裝方式通過創新式“換位”調整齒輪朝向，將其轉變為不停電作業方式，其系統結構框圖如圖2所示。

圖2 一體化系統框圖

如圖2所示，不停電安裝方式模塊化液壓彈簧斷路器齒輪連接固定結構銷工具，主要由改進工藝后的HMB型液壓儲能齒輪及齒輪連接固定結構金屬件、改進后的圓柱銷組成。

HMB型液壓彈簧操動機構的電機液壓儲能齒輪主要為鋼齒輪與電機自身工程塑料齒輪嚙合組成錐齒輪進行傳動，且電機轉速高達3 500 r/min以上。改進后的HMB型液壓儲能齒輪相比以往批次齒輪從制造工藝質量上得到優化、密度更大、更牢固，針對工程塑料齒輪齒面存在微小氣泡、注塑，造成氣泡部位或薄弱點（連接圓柱銷的空孔位置）的抗壓強度降低材料不均勻等可能出現的危險源提前預防，提前開展針對性工藝管控措施，使其得以優化，如圖3、圖4所示。

圖3 基于Shapr3D實現的液壓彈簧斷路器齒輪連接固定裝置投影視圖

圖4 基于Shapr3D實現的液壓彈簧斷路器齒輪連接固定裝置3D 建模圖

齒輪連接固定結構裝置主要用于將HMB型液壓彈簧操動機構儲能齒輪進行換位安裝，是液彈機構齒輪不停電安裝作業基礎，齒輪連接固定結構金屬件的存在使檢修人員面對HMB型液壓彈簧操動機構儲能齒輪碎裂時具備快速應急處置能力，避免了電網非周期性停電，為臨時處缺工作爭取窗口期。

通過對多起事故案例研判分析，儲能齒輪裂紋沿著銷子軸方向逐步發展，最終導致斷裂。固定齒輪的銷子為彈簧子母銷，在安裝過程中，可能造成齒輪插銷孔內壁不同程度損壞，隨著時間延續，逐漸劣化。通過不斷實驗，由原來的彈簧子母銷改進為圓柱銷。

ABB組合電器斷路器液彈仿制機構，可多次模擬現場斷路器儲能過程，針對HMB型液壓彈簧操動機構儲能齒輪運轉工況進行模擬、檢驗，效果良好，可以實現斷路器正常儲能功能，確保在異常情況下斷路器的可靠分合閘動作。

3.2 臨時解決措施技術效果及具體實施方式

遵從上述技術方案，如圖5所示，本實施案例給出一種模塊化液壓彈簧斷路器齒輪連接固定裝置。在不停電方式下，利用創新式換位安裝方式將HMB型液壓彈簧操動機構儲能齒輪反向安裝使其逆向旋轉，無須電網停電即可快速處置齒輪開裂缺陷。快速更換原有碎裂齒輪，大大節省檢修時間。

圖5 改造實物示意圖

本文提出的不停電安裝臨時解決措施為一種液彈機構齒輪連接固定裝置，包括HMB型液壓儲能齒輪、齒輪連接固定結構件和圓柱銷3部分。安裝所述模塊化液壓彈簧斷路器齒輪連接固定裝置后，電機帶動齒輪反向進行轉動，與此同時帶動小齒輪一同轉動，實現原有齒輪安裝作用。

3.3 具體成效

在不停電的情況下，臨時排除設備異常，公司組織開關專業技術攻關團隊力量，經過充分的論證分析及實現室測試，完成斷路器機構儲能齒輪發生斷裂后的緊急替代方案的設計和實施，經過實驗室驗證，效果良好，并在多處實際作業現場正常使用，處理時間由停電檢修3 h縮短到的停電作業方式的0.5 h作業時間。

根據以上臨時處理措施方案，開關專業人員研制了一套HMB液壓彈簧機構齒輪仿制機構創新試驗臺，多次模擬現場斷路器儲能過程，效果良好，并對ABB廠方提供的齒輪結構件進行檢驗。

3.4 優化改進建議

根據多起北京電網已發生的采用HMB型液壓彈簧機構的GIS用斷路器儲能齒輪故障案例，提出以下建議：

優化齒輪工藝設計，降低齒輪碎裂發生率；

設備廠家應加強齒輪裝配的工藝質量要求，避免因固定齒輪銷釘形式不同的問題導致齒輪斷裂，逐步提升齒輪壽命；

設備廠家應加強對儲能機構齒輪的質量監督過程，通過開展質量檢測措施及時發現不合格零部件，避免開裂齒輪由配件出廠階段流至設備安裝、運行階段；

開展同型號斷路器液彈機構齒輪排查工作，對異常齒輪及時進行更換。

4 結束語

儲能模塊作為HMB液壓彈簧機構中的重要模塊，影響著設備正常建壓、儲能。在GIS用斷路器正常運行過程中，儲能模塊齒輪發生斷裂時若未及時處理，將造成電網非計劃性停電等惡性事件。根據近期發現并處理的多起故障，開關專業團隊設計了一套HMB型液壓彈簧機構儲能失敗的不停電處理措施及創新驗證實驗倉裝置，為現場相似故障處理方式及應對措施研判提供寶貴經驗、依據。