一種500 kV接地開關傳動機構缺陷改進措施

邱祥松，蔡雁南

（云南電網有限責任公司紅河供電局，云南 蒙自 661100）

0 前言

接地開關在高壓系統中有著極重要的作用，紅河供電局500 kV紅河變電站、500 kV惠歷變電站500 kV隔離開關均為阿海琺SPOL-T-2T 2SPOL-T-2T-3T 500 kV、SPVLT 500 kV型隔離開關，據不完全統計整個南網范圍內2017年11月份廣東電網揭陽供電局500 kV榕江變電站接地開關傘形齒輪卡澀變形；2018年9月份500 kV紅河變500 kV巡檢司紅河線543367接地開關A相齒輪滑牙；2018年11月份500 kV紅河變隔離開關B修時由于齒輪卡澀接地開關無法合閘；2018年6月份文山供電局500 kV硯山變接地開關傘形齒輪變形。由此可見此缺陷為該種隔離開關的家族性缺陷。

通過分析其缺陷原因找到解決方案，對于完善該種接地開關的性能，降低故障率，降低停電時間，保障高壓電力系統安全穩定運行具有重要意義。

1 接地開關在高壓系統中的作用

在高壓系統中接地開關是使用數量最多的高壓電氣設備，在日常的運行、檢修和倒閘操作中具有非常重要的作用，檢修過程中防止檢修過程中突然來電，檢修與維護時保護人員安全檢修設備各側必須可靠接地。

另一方面同塔雙回路平行架空高壓輸電線路日漸增加，設三相線路為均勻、對稱，再忽略線路電阻、對地電導。因長距離輸電線路具有分布參數特征，故按通用長線路方程可得線末電壓u2和線末電流i2為已知值時的無損耗線路穩態方程為：

式中參數可參見圖1所示單相空載長線路圖。Ux和Ix為以線路末端作起點計算距離為x處的線路電壓和電流；α為線路相位系數，z為無損耗線路的波阻抗，，L0和C0為線路單位長度的電感、電容。

圖2 損壞的齒輪機構

圖3 拐臂傳動機構實物圖

圖4 齒輪傳動機構俯視圖

圖5 拐臂傳動機構俯視圖

圖6 拐臂傳動機構側視圖

對于空載長線路，iI2=0，且已知線路長度l時有：

據上分析，均勻無損耗空載線路沿線電壓分布呈余弦規律，線路各段導線中的電容電流值不同，沿線電壓升高不均勻，線路末端電壓最高。

對靠近出線側的接地開關具備開合感應電流成為高壓接地開關的一種特殊運行條件。對出線側接地開關當停電線路一端開路時，要求另一端的接地開關能開合容性電流。當線路一側接地，要求另一側接地開關能開關感性電流。

當線路發生單相接地故障時，故障相兩側斷路器斷開，健全相仍接于電源持續運行，健全相線路的工作電壓、線路負載電流、通過相間互電容和互感對被切除的產生靜電感應和電磁感應，使故障相仍能維持一定的接地電流，該電流即為潛供電流。該電流對線路非永久故障時的重合閘動作有較大的影響。因此對于靠近出線側的接地開關需要能短時間承載潛供電流，在故障點熄弧后打開接地開關切斷正常相與故障相電磁耦合產生的潛供二次燃弧配合實現重合閘。

2 案例

2012年4 月紅河供電局檢修一班對紅硯甲線5413斷路器間隔進行預試B修工作，在工作過程中發現500 kV紅河變紅硯甲線541367接地開關齒輪發生打滑現象地刀無法合閘到位，檢修班特邀請廠家人員進行現場指導工作，發現地刀無法合閘是因為分閘時齒輪受到強大的作用力導致的齒輪滑牙。于是對紅硯甲線541367接地開關齒輪進行更換。

更換工作主要包含：

1）工作前的準備工作。

2）拆除接地開關的垂直連桿與水平連桿，將接地開關齒輪部分相關螺絲拆除。

3）手動將接地開關至于合位，連接傳動部分的拐臂。

4）齒輪的安裝，這是最困難也是最重要的一步，因為操作空間狹小，上方傳動齒輪定位銷裝入耗時耗力，而且還容易損壞接地開關齒輪。旋轉齒輪位置，使齒輪嚙合到最佳位置，將上方傳動齒輪定位銷位置調整于背對絕緣瓷瓶位置，下方齒輪定位缺口正對定位螺絲，將齒輪定位，扭緊齒輪上、下方定位連接片。

5）連接垂直連桿，將機構箭頭置于合位，扭緊垂直連桿下方抱箍，手動分閘查看接地開關分閘位。逐步調整直至接地開關分合閘位置符合要求。

整個的更換過程耗時兩天，一套齒輪機構一套三萬塊。由于更換難度大，更換時損壞了一套。

3 齒輪傳動機構損壞變形的原因

3.1 理論分析

考慮地刀桿力矩最大時為分閘即將到位、地刀桿水平的位置時，齒輪在分閘過程中損壞。地刀分閘過程為：地刀驅動桿與垂直連桿之間水平距離為400 mm，垂直連桿旋轉角度為180°，水平的傘形齒輪的旋轉角度為180°，與地刀桿連接的拐臂的旋轉角度為130°。齒輪處拐臂長度162 mm，地刀桿處拐臂長度180 mm，通過空間連桿帶動接地刀處的地刀同步動作機構向順時針方向旋轉130°運動使地刀桿動作，使地刀桿向下脫離靜觸頭，再由垂直方向運動到水平方向實現分閘到位。

分閘過程中機構帶動地刀桿從靜觸頭滑出，此時地刀桿的重量會反作用驅動地刀桿自動往分閘方向轉動，因為地刀傳動結構間歇較大，這時就會對地刀底座的齒輪產生較大沖擊力，合閘過程中同樣有很大的作用力作用到齒輪上，而且由于地刀驅動桿與垂直連桿之間水平距離為400 mm導致齒輪不能設計得過大，齒輪嚙合的受力半徑太小，齒輪受力過大，導致齒輪滑牙甚至損壞。

而且齒輪結構對裝配工藝的要求較高，安裝難度大，耗時耗力，容易損壞。安裝接地開關時，垂直轉軸安裝不垂直，兩傘形齒輪安裝時軸線不在同一條中心線上，嚙合的角度不對、嚙合得過于緊或者嚙合深度不夠都會減小受力的面積，增加齒輪間的作用力，同樣的力矩的情況下齒輪面將受到很大的作用力，使齒輪出現滑牙、變形的情況，導致水平拉桿在隔離開關分合閘操作時所受阻力增大，甚至出現卡頓、變形現象。

3.2 數據分析

原始數據及合理化假設：地刀桿3總長L:3875 mm，壁厚d:5 mm，材質為鋁材質密度為2700kg/m3，外徑S:70 mm；取地刀桿的重力為均布載荷，重心在刀桿的重心位置，考慮地刀桿力矩最大時作受力分析（分閘即將到位、地刀桿水平的位置）。以下計算不考慮傳機械傳動損失，忽略地刀桿在整個過程中是運動的，只做理想狀態分析，此處的得到的計算數據與實際值相比偏小。

齒輪傳動機構受力分析：

地刀桿的最大力矩M不變為：207.3N·m

理想狀態下結構力的傳動傳動過程中，力距大小不產生變化。因此直接作用在老結構的編號187齒輪的力矩M1即207.3N·m。

作用該處錐齒輪上分度圓直徑為Dp=66 mm=0.066 m，該處分度圓圓周力為：

該錐齒輪壓力角(taper gear pressure angle)α為20°，因此作用在錐齒輪上齒面法向載荷為：

由于空間有限，增大模數、增大齒數、增大壓力角等對齒輪的改造很難實現，而且增加有色金屬的使用增加成本，不能從根本上較大的提高齒輪的疲勞強度，錐型齒輪受力較大，導致齒輪處容易產生間隙，長期運行后更會導致齒輪面嚙合不到位，齒條崩壞的結果。因此本文提出使用拐臂傳動機構代替齒輪傳動機構，從根本上解決地刀底座齒輪滑牙、變形，導致地刀不能合閘的缺陷情況出現。新結構在主刀為軸以及拐臂的固定傳動力，拐臂受力較小，不容易產生變形。

4 拐臂傳動機構動作原理及力學分析

拐臂傳動機構的動作原理就是，在地刀同步動作機構與隔離開關操作機構間實現轉動角度的過渡轉變，將垂直連桿5的180°的轉動角度轉變成地刀同步動作機構2的130度的轉動角度，垂直連桿5順時針（逆時針）的運動實現合（分）閘。

4.1 地刀合閘動作過程

電動機構箱驅動垂直連桿5轉動通過絕緣子底座上的拐臂傳動機構，將隔離開關操作機構的180°轉動角度轉變成地刀同步動作機構2的130°的轉動角度，垂直連桿5與主動拐臂8一起順時針旋轉180°，將與之連接的過渡拐臂10及過渡拐臂9與被動拐臂6組成一套空間四連桿傳動，被動拐臂6長度為150 mm，通過過渡拐9的轉動使與之連接的被動拐臂6轉動，傳動角度由180°轉變成130°，并通過空間連桿7帶動接地刀處的地刀同步動作機構2向逆時針方向旋轉130°運動使地刀桿動作，使地刀桿3由水平轉動到垂直方向再向上運動進入靜觸頭，實現合閘到位。由于地刀同步動作機構在本次專利中未涉及就不進行詳細的介紹。

4.2 地刀分閘動作過程

分閘操作動作過程就是合閘動作的反向運動，電動機構箱驅動垂直連桿5轉動通過絕緣子底座上的一套水平過渡四連桿傳動，垂直連桿5與主動拐臂8一起逆時針旋轉180°，將與之連接的過渡拐臂9及過渡拐臂10與被動拐臂6組成一套空間四連桿傳動，被動拐臂6長度為150 mm，通過過渡拐9的轉動使與之連接的被動拐臂6轉動，傳動角度由180°轉變成130°，并通過空間連桿7帶動接地刀處的地刀同步動作機構2向順時針方向旋轉130°運動使地刀桿動作，使地刀桿3向下脫離靜觸頭，再由垂直方向運動到水平方向實現分閘到位。由于地刀同步動作機構在本次專利中未涉及就不進行詳細的介紹。

4.3 數據分析

拐臂傳動機構受力分析：地刀桿重質量為：

地刀桿的重力：

地刀桿的最大力矩為：

理想狀態下，結構力在傳動過程中，力距大小不產生變化。因此直接作用在新結構的中主動拐臂8上的力矩即207.3N·m。

主動拐臂8長度為L1=150 mm=0.15 m,作用主動拐臂8上的力為：

綜上：對比新老結構受力分析情況可得，在理想狀態下F2=4.8F，老結構齒輪處受力6684.9 N，新結構與垂直連桿連接的主動拐臂處受力為382 N，老結構齒輪處受力為新結構主動拐臂受力大小的4.8倍。而且拐臂傳動機構各部分接觸為面接觸，相對于齒輪傳動機構的點接觸，能更加有效地增大零部件疲勞強度。

新的機構沒有對電機部分和地刀部分做更改。拐臂結構制造工藝簡單，裝配方便，利用連桿結構代替齒輪結構，改變了傳動部件整體的力學性能，主動拐臂長度為150 mm而齒輪分度圓半徑只有33 mm，齒輪高為33 mm。相比之下，可以說齒輪的受力長度是很小的，通過主動拐臂增大了受力長度在相同力矩的時候減小了受力的大小，有效地防止齒輪滑牙甚至損壞的情況出現。過渡拐臂設計為C型拐臂,節省空間的同時增大了旋轉的角度，在改善結構性能的同時減少了有色金屬的使用，裝配更加便捷，有效降低材料成本，裝配成本。在操作桿軸向位移的同時，平衡彈簧按預定的要求儲能或釋能，最大限度地平衡接地刀桿的重力矩，以利于接地刀桿的運動。

5 結束語

本文通過實際案例、理論分析、數據計算對阿海琺SPOL-T-2T 2SPOL-T-2T-3T 500 kV、SPVLT 500 kV型隔離開關接地開關底座齒輪機構卡澀、滑牙、變形的情況進行分析得出以下結論：

阿海琺SPOL-T-2T 2SPOL-T-2T-3T 500 kV、SPVLT 500 kV型隔離開關接地開關底座齒輪機構卡澀、滑牙、變形的情況在實際使用中各變電站內普遍存在，分閘過程中機構帶動地刀桿從靜觸頭滑出，地刀傳動結構間歇較大，對地刀底座的齒輪產生較大沖擊力，導致齒輪滑牙、變形。

計算分析結果顯示齒輪傳動機構中，齒輪的受力大小是拐臂傳動機構，主動拐臂與垂直連桿間作用力的4.8倍，是造成齒輪機構容易損壞的最直接原因。

本文提出的拐臂傳動機構在改善結構性能的同時減少了有色金屬的使用，減少有色金屬的使用，加工工藝要求沒有齒輪機構高，裝配更加便捷，有效降低裝配成本、加工成本。