220kV隔离开关操动机构缺陷处理

刘慧君郑路

摘要：电力系统是我国电力运行的主要系统，在人们生活中扮演着非常重要的角色，也是国家电力经济的主要命脉，因此，我们对电能的需求对于国家来讲，具有重要的影响。随着当前社会的发展，电力事业不断地进步和改善，但是其仍然存在着部分问题，只有我们不断地提高对电力运行和用电管理节能的重视，才能保证我国电力实现节能高效的目标。国家在电力行业中所投入的资金越来越多，电力工业的规模也是逐渐壮大。本文介绍了一起220kV隔离开关操动机构由于齿形弹簧销变形扭曲导致电动机构箱内出现传动齿轮打齿和辅助开关拨叉断裂的缺陷。文中分析了该缺陷的处理过程，并根据运行经验和现场实地勘察对故障原因进行综合分析，提出一系列防范措施，为类似缺陷的处理提供了借鉴和参考。

关键词：隔离开关；操动机构；缺陷分析

0引言

2014年12月26日，变电站运维人员在对220kV某变电站220kV××线213−1隔离开关进行操作时，隔离开关无法进行正常分合闸操作，检查发现该隔离开关电动机构箱内出现传动齿轮打齿损坏及辅助开关拨叉断裂现象，运维人员停止操作并上报设备缺陷。2015年3月20日，根据缺陷消除计划，检修人员对该刀闸进行大修处理。本文分析了该缺陷的处理过程，并根据现场运行经验和实地勘察对故障原因进行综合分析，提出一系列防范措施，为类似缺陷的处理提供了借鉴和参考。

1隔离开关操动机构概念及操作方式

1.1操动系统概述

操动系统包括操动机构、传动机构、提升机构、缓冲装置和二次控制回路等几个部分。它的定义是，操动机构是独立于高压开关（包括断路器、隔离/接地开关、负荷开关、旁路开关、直流转换开关等）本体以外的对高压开关进行操作的机械操动装置，其主要任务是将其他形式的能量转换成机械能（力和行程或力矩和转角），使高压开关准确的进行分、合闸操作。操动机构的季岑构成：操作能源系统、分闸和合闸控制系统、传动系统及辅助装置四个部分。遵循的标准：操动机构没有专门的标准，其功能要求包含在相应的本体标准中。操动机构的辅助功能有很多，包括手动储能、手动分合、缓冲装置、手动、电气操作连锁装置、提供辅助分合接点、储能和分、合闸位置指示、动作计数装置、加热和驱潮装置、防护外壳和电缆连接器、铭牌和户外机构箱照明等。

操作机构的传动系统是操动机构的做功元件与动触头之间相互联系的组带，通过传递能量和改变运动方向使高压断路器完成分闸、合闸的操作。传动系统由传动元件和提升机构和传动机构三部分组成。提升机构是带动断路器动触头按一定轨迹运动的机构，它将传动机构的运动动触头的直线或近似直线运动，使断路器分闸、合闸，所以也可叫变直机构。

1.2操动机构的分类

1.2.1按传动介质分类

可分为电动机构、手动机构、气动机构、液压机构、弹簧机构、电磁机构、永磁机构、电动机机构、爆炸机构等多种类型。

①手动机构（CS型）：指用人力进行合闸的操动机构，结构简单、价格低廉、不需要合闸能源，不能遥控和自动合闸，合闸能力小，就地操作，不安全。

②电磁机构（CD型）：指用电磁铁进行合闸的操动机构，结构简单，加工容易，运行经验多，需要大功率的直流电源，耗费材料多。

③弹簧机构（CT型）：指实现用人力或电动机使弹簧储能实现合闸的弹簧合闸操动机构，结构简单、制造工艺要求适中、体积小、操作噪音小、对环境无污染、耐气候条件好。

④电动机机构（CJ型）：指用电动机合闸与分闸的操动机构。

⑤液压机构（CY型）：指用高压油推动活塞实现合闸与分闸的操动机构，此类机构可获得高压力。动作快、反应灵敏、输出功大、免运行维护、操作噪音小、可靠性高。

⑥气动机构（CQ型）：指用压缩空气推动活塞实现合闸与分闸的操动机构，或者仅以压缩空气进行单一的分合操作，一般分为气动分闸，弹簧合闸，用压缩空气作为储能和传动介质，介质惯性小。

1.2.2按用途分类

可分为断路器（CB）、旁路开关、直流转换开关用操动机构和隔离开关（DS）、接地开关（ES、FES）、负荷开关等高压开关电器类用操动机构两大类。

1.3隔离开关操动机构操作方式

①操动方式：330～500KV隔离开关主刀闸及接地刀闸采用分相式操动机构，220KV隔离开关主刀闸采用三相操动机构，接地刀闸采用三相联动的手动操动机构并附联锁操作杆。

②手力操作时的手炳长度不大于1M，手炳离地面的高度不大于1.1M，操作力不大于200N。

③操动机构应能防寒、防热、防尘、防潮、防雨，应设就地操作按钮及手力操动装置，控制柜的柜体采用焊接的钢结构，其通风孔应能防雨、雪、小虫和小动物的侵入。柜底部导线管和气管的入口处应设有遮板，控制柜与外部管道和电缆的连接应便于拆卸和移动。柜体防雨性能应良好，在不利的气候条件下应能开门检修。柜正面应设有带铰链的密封门，上有把手、碰锁和可外加挂锁的设施。

④操动机构的控制柜应有足够的端子板，以供设备内部配线及外部电缆端头连接用，端子板及终端板与夹头均应安装在电缆进口上部，与电缆的距离应不大于150MM，每块端子板应有15%的备用端子。

⑤除控制、指示及联锁等通常用的辅助触点外，每台隔离开关主刀闸需有备用的常开与常闭触点各10对，接地刀闸则为8对(倘若分相操作则为每相的数量)，辅助触点的开断能力为直流110V、5A或220V、2.5A。

⑥所有辅助触点应在电气接线图上。

2缺陷处理过程

该220kV变电站220kV隔离开关为西门子（杭州）高压开关有限公司生产的PR20−M31型220kV垂直断口剪刀式（无地刀）隔离开关，其刀闸电动操动机构为MA7684型电动箱，于2005年12月投运，该型隔离开关电动机构箱内部结构。

2015年3月20日，根据缺陷消除计划，检修人员对该刀闸进行大修处理。检修人员对213−1刀闸操动机构现场检查后发现，电动机构箱内驱动齿轮轴出现严重磨损、中间从动齿轮可见明显断齿，辅助开关拨叉断裂。此外，213−1刀闸B相旋转绝缘子下端的传动箱（齿轮箱）与主刀操动机构垂直连杆抱夹连接处的齿形子母弹簧销，出现严重形变。根据国家标准[1]和西门子公司技术手册[2-4]中关于大修工艺及质量标准的作业指导，当刀闸操动机构箱传动齿轮和蜗杆有严重磨损，导致输出功率不能满足隔离开关正常操作需要，需要更换相应齿轮或电动操动机构箱，一般情况下建议以整体部件更换为主。检修人员与厂家专业技术人员进行实地分析研究后，认为缺陷故障原因为垂直连杆抱夹连接处的齿形子母弹簧销变形扭曲，导致主刀电动机构箱内部齿轮片打齿损坏及辅助开关拨叉断裂，采取了以下几项处理措施，消除缺陷。

①对该隔离开关（刀闸）电动操动机构箱进行了整体部件更换。

②将213−1刀闸B相旋转绝缘子下端的传动箱（齿轮箱）与主刀电动操动机构垂直连杆抱夹连接处的齿形子母弹簧销更换为硬度比较好的不锈钢材质实心销，两种销的对比。

③对隔离开关（刀闸）传动杆进行了位置调整，处理了转动轴在操作过程中的卡阻问题，成功消除了213−1刀闸操动机构缺陷。

3缺陷原因分析

3.1正常合闸过程

电动操动机构正常合闸过程，首先电机起动，齿轮轴带动辅助开关驱动齿轮和中间齿轮转动。同时辅助开关驱动齿轮，驱动辅助开关拔叉，从而辅助开关动作，相应的信号输出。由于辅助开关驱动齿轮、中间齿轮与传动轴之间没有键连接，而此时齿轮轴与操作齿轮未进入离合状态，因此传动轴不工作。

中间齿轮转过58°后，中间齿轮的挡块与操作齿轮的挡块接触，带动操作齿轮动作，操作齿轮通过键带动传动轴，垂直连杆动作，合闸起动。此时辅助开关驱动齿轮不驱动辅助开关拔叉。中间齿轮与操作齿轮共同作用，带动传动轴及垂直连杆转过200°。此时，操作齿轮与齿轮轴分开。中间齿轮也与齿轮轴分开，限位块到位。中间齿轮在弹性块的作用下，发生打滑，此时，辅助开关驱动齿轮又开始带动辅助开关拔叉，辅助开关动作，发出相应信号并切断电源。分闸过程与合闸相同，但方向相反。

3.2缺陷原因分析

在正常的连续操作中，挡环保证了拨叉的运行轨迹。如果操作因故暂停时，在无外力作用的情况下由于辅助开关触片及转轴本身阻力的存在，使得拨叉能保持在正常位置，不会造成意外。但是如有触碰等其他外力因素，将导致辅助开关的拨叉偏离正常位置，而机构需反向操作时，辅助开关的拨叉与拨动爪的运动轨迹不重合，在驱动齿轮的作用下使得拨动爪与拨叉挤压，导致拨叉断裂，严重的甚至造成拨动爪断裂。

垂直连杆抱夹连接处的齿形子母弹簧销变形扭曲，导致主刀电动箱内部齿轮片大齿损坏及辅助开关拨叉断裂，这是可能的外力因素。

3.3综合原因分析

西门子PR型隔离开关的传动方式为三相硬连杆连接轴旋转传动，由于产品设计原因设备本身自重较大且无合闸助力，造成连杆旋转时扭力较大。合闸转动时三相设备的扭力都集中在B相旋转绝缘子下端的传动箱（齿轮箱）与主刀操动机构垂直连杆抱夹连接处的齿形子母弹簧销处。

隔离开关经过长时间的反复操作后造成齿形子母弹簧销受剪切力变形扭曲。造成主刀操作电动机构箱与隔离开关本体操作时旋转角度不同步，导致主刀电动机构箱内部齿轮组片间隙过大，从而造成传动齿轮打齿损坏及辅助开关拨叉断裂的情况。

操动机构箱内部传动齿轮打齿损坏，导致操动机构输出功率不能满足隔离开关正常分合闸操作需要。拨叉断裂使得辅助开关失去刀闸分合闸位置指示功能，二次保护无法进行刀闸正确位置辨识。

4防范措施

高压隔离开关是电网的重要组成部分，也是关系电网安全稳定运行的关键设备之一。采取针对性的措施对隔离开关的故障缺陷[5-6]进行分析和处理，对避免电网及设备的故障和保障人身安全是非常必要的。

①建议对公司所辖变电站中西门子公司生产的PR型隔离开关进行一次摸底排查，记录备案成缺陷台账，结合设备试验周期提报停电计划进行检查整改，及时消除缺陷，确保设备安全和可靠运行。

②操作维护手册上要求只在完全分/合位置操作开关，不要在中间位置改变电机运动方向。应尽量保持操作的连续性，即使发生不连续的操作时，也要避免对辅助开关的触碰，让其保持在自由状态，这样就可以保证操作的顺利进行和设备的安全。

③西门子（杭州）高压开关有限公司PR型隔离开关经常发生主刀电动操动机构箱内部传动齿轮打齿损坏和辅助开关拨叉断裂现象，给运行设备造成隔离开关无法操作、位置信号和电气闭锁全无等缺陷。此缺陷是由于西门子（杭州）高压开关有限公司隔离开关机械设计部件强度不够造成的。西门子（杭州）高压开关有限公司已于2005年7月以后陆续对PR系列隔离开关机械强度不够的齿形子母销在出厂前进行更换，换成强度高的实心不锈钢销。

④隔离开关（刀闸）传动机构由于操作时产生的冲击力作用、机械磨损以及各转动轴销长年运行密封不良导致的雨水渗入等环境因素影响，易出现转动不平稳、费力及卡滞等现象。停电检修时，应对传动系统的轴套、轴销、拐臂轴承是否出现锈蚀、变形、磨损或部分螺栓未紧固，另外也应重点检查导电触头有无变形、变色等异常现象。检修时应着重检查调整传动系统，给各转动部位加润滑油。

参考文献

[1]GB1985—2014高压交流隔离开关和接地开关[S].

[2]西门子（杭州）高压开关有限公司.PR1/PR2型隔离开关维护与检修导则[R].杭州:2007.

[3]西门子（杭州）高压开关有限公司.PR型隔离开关安装操作说明书[R].杭州:2002.

[4]西门子（杭州）高压开关有限公司.MA-6电动操作机构安装维护手册[R].杭州:2005.

[5]盛明学,王志清.户外高压隔离开关常见故障的原因分析与处理[J].高压电器,2010,46(10).