一起 GIS 断路器合闸后即分故障分析

一起 GIS 断路器合闸后即分故障分析

欧嘉俊

广东电网有限责任公司广州供电局 广东 广州 510620

摘要：某220kV变电站调试期间，GIS 弹簧机构断路器连续发生合后即分故障。本文通过设备异常现象和机构解体进行详细剖析，结合现场验证，准确找到弹簧机构触发装置设计、工艺导致的异常因素。同时，根据现场改进经验，提出CT弹簧机构改进设计，为完善合后即分故障运维策略提供参考。

引言

高压断路器是交直流电网中不可或缺的关键组成之一，配合保护系统快速切除电网故障，保证系统安全运行，其可靠性是保证电力系统可靠运行的必要条件[1-2]。随着普罗大众在供电可靠性上提出越来越高的诉求，断路器误动和拒动显然是不能接受的。相关统计数据表明，在断路器故障中有 43%~45%是由机械故障引起的[3]。诚然，这对操动机构分合闸触发模块考验巨大，特别是现今国内主流厂家使用的弹簧机构大多在国外技术的基础上稍作改动而来。近期，网内时有断路器合闸不到位和合后即分现象发生，下面将对某站110 kV GIS弹簧机构断路器发生合后即分故障案例进行分析，排查、核实异常原因，并总结典型CT弹簧操动机构合后即分检修经验，为提升断路器安装、验收、运行质量提供参考。

1案例概述

某站 110kV 出线 GIS 型号为GFBN12B，断路器型号BGT12-4B，操动机构型号为CTB-2，三相联动弹簧操动机构，于2017年3月生产。2018年4月基建站三级自检期间，在对该断路器调试过程出现合后即分故障。GIS及机构厂家派员到现场检查分析，初步判定引发故障的原因为合闸缓冲器压力不足，合闸末期的能量过大导致机构振动加强，合闸保持掣子和分闸掣子的振动导致断路器无信号自分现象。对故障机构更换缓冲器、分闸复位弹簧及合闸操作弹簧，更换后断路器经数次分合闸操作未发现异常。

2019年8月该断路器再次出现合后即分现象。鉴于故障仍旧复现，为保证设备可靠性，运行单位将该断路器操作机构返厂，对故障机构解体、关键零部件尺寸测量。拆解前对断路器进行分合闸负载力测量，数据符合厂家要求。在厂内关键零部件测量中发现四项问题，详列如下：

1. 分闸脱扣器复位弹簧长度45.4mm，标称值48mm，偏差-5.42%；

2. 位于机构本体铸件支架上的分闸脱扣器轴销一侧固定孔尺寸公差偏大；

3. 机构外侧输出拐臂的输出连接孔尺寸公差偏大；

4. 中间拐臂的六方孔尺寸公差偏大。

其中针对分闸脱扣器复位弹簧变形导致自由长度不合格问题，从物料中随机抽取2条合格弹簧增加不规范安装工艺的拆装试验，发现进行3次拆装后，其中2条弹簧已发生明显变形，其自由长度为46.4mm、46.7mm，较标准长度48mm明显缩短。

2拒动原因分析

结合故障经过及机构解体检查分析，认为可能导致断路器合后即分故障的原因主要有分闸掣子复位弹簧变形、拐臂六方孔公差偏大等，下面针对故障原因逐个予以分析说明。

2.1分闸掣子复位弹簧变形

问题机构的分闸掣子复位弹簧长度45.4mm，小于标准要求的48mm，为观察问题机构在分合闸操作过程中各部件的振动情况，采用高速摄像头对机构的分合闸操作过程进行视频监视，从拍摄到的视频中可以看出合闸保持失败过程，当合闸指令发出，拐臂逆时针转动，合闸保持掣子在与柺臂滚轮咬合时与不断震动，同时分闸掣子限位轴销亦在不断晃动，当振幅达到一定值后合闸保持掣子无法与分闸掣子配合锁扣，分闸输出拐臂带动开关分闸。在正常工况下当开关处于合闸位置时，分闸掣子复位弹簧把分闸掣子定位在限位轴销上，轴销无法轻易活动，与视频中拍到的轴销一直剧烈晃动不符 。由此可见，当复位弹簧自由长度变小及变形时，会导致分闸掣子受力状态改变使复位速度偏慢，同时复位弹簧提供的防止分闸掣子振动的压紧力也不足，合位难以自保持而导致一合即分的现象。（与正常机构高速摄像头拍摄的正常合闸视频可看出在CT型弹簧机构在承受开关合闸震动期间，限位轴销短暂晃动后基本无可见震动。）

2.2分闸掣子轴销安装孔变大及不同轴

机通过测量分闸掣子轴销安装孔尺寸发现，竖直方向孔径偏差+0.07mm，水平方向测得孔径偏差+0.04mm，安装孔呈椭圆形，且加工公差超出设计图纸要求的0至+0.039的偏差范围。分闸掣子轴销孔变椭圆型，易造成分闸掣子在锁扣位置时受力发生变化，自锁功能随之减弱。而且轴孔匹配的虚位使冲击空间变大，分闸掣子复位时摆动幅度过大，可能导致故障机构合闸监视视频中所示的轴销一直剧烈晃动，最终使合闸保持掣子和分闸掣子无法保持，也可能引起断路器合后即分。

2.3拐臂六方孔超差

拐臂六方孔的三个对称边至中心公差为+0.12/+0.09/+0.08mm，图纸要求公差应为0至+0.062mm。该CTB-2型机构有两个拐臂，超差拐臂为中间拐臂，与凸轮及合闸保持掣子接触，另外一个是输出拐臂，通过拐臂轴连接中间拐臂，与断路器拉杆相连。中间拐臂加工精度超差将可能导致合闸保持掣子与拐臂上的销子（直径20mm）接合面会发生偏移，导致合闸保持掣子与分闸掣子受力变化，分闸掣子更容易受合闸过程中的振动影响；另外拐臂六方孔尺寸超差还可能使行程发生微小变化，导致缓冲器活塞不能运动到指定位置，缓冲效果不理想。合闸操作中输出功较大且剩余能量无法被缓冲器可靠吸收，从而导致机构整体振幅过大，导致合闸保持掣子与分闸掣子无法保持。

2.4输出拐臂连杆孔超差

输出拐臂连杆孔（如下图标示）径实测值与设计偏差0.1mm，设计要求加工公差为0至+0.033mm。但输出拐臂孔径变大主要是影响断路器本体总行程，一般不会导致断路器合后即分。

2.5验证

更换超差零部件后，机构在连续200次操作试验中未再现合后即分故障，GIS至今运行正常。

关键零部件超差或者设计不足造成的磨损，可能导致力与能量无法在各个零件之间进行有效的传递，使得高压断路器无法实现合分合闸。如分闸掣子轴销安装孔变大及不同轴原因，分闸掣子轴销安装孔与轴销之间使用的并非是轴承，如若操作功过大，安装孔会长期与轴销碰撞磨损，将导致安装孔变形，最终导致开关拒分。在电力系统中，高压断路器操作机构无法进行有效的分合闸，会对整个电力系统造成不可估量的损失。所以机构厂家在后续设计、生产及采购外购件中消除关键零件超差尤为关键。

3运维策略分析

通过解体故障机构，分析各厂家解决方案存在不足之处。从收集关键零部件测量数据及高速视频动态分析两方面展开，合后即分未能完全杜绝的主要原因为1、存在关键零部件超差及质量不佳2、部分改动在设计阶段考量不周全存在天然缺陷3、改动存在头痛医头脚痛医脚的弊病。

因应制造环节存在的设计、公差和质量问题无法短时有效的解决，随着现今设备投运时长增加，设备零部件超差导致故障几率有提高的风险。在保证不同机构的合闸保持掣子和分闸掣子功能的前提下，以尽可能提高机构保持性能的裕度，缩小合闸保持掣子与滚轮保持瞬间震动幅度，缩短进入稳态时间为方向，根据运维条件提出以下两点解决措施。措施一，改进分闸掣子限位，使用位于分闸脱扣装置顶杆侧的限位顶杆替代位于合闸保持掣子侧的分闸掣子限位轴销，并进一步改进分闸掣子质量，主要针对停电窗口较短的设备，费用及改造成本低廉；措施二，改进分闸掣子复位区间，分闸掣子由合闸瞬间复位改为分闸后即完成复位动作，旨在错开分闸掣子与合闸保持掣子在合闸瞬间的复位时间，使分闸掣子在无振动情况下与合闸保持掣子接触，主要针对停电窗口长的设备，费用及改造成本较方案一高，保持能力裕度也较方案一高。经过高速摄像头对改造后的机构拍摄，改造后的机构能大幅度抑制凸轮与合闸保持掣子接触前的震动幅度，为合闸保持提供很大裕度，在特殊试验10000次操作测试未出现合后即分故障。

结语

随着电网系统对断路器弹簧操作系统的要求日益加大，促使生产厂家对各零部件从经济性到功能性不断优化改进，如合闸弹簧操作功增大适应更高电压等级断路器要求、分闸掣子改进适应南网对分闸线圈叠加布置的反措、分合闸锁扣及脱扣机构改进适应合后即分问题等。但改进不能只仅仅在原操作机构的基础上做简单加减法的设计改动，而要全面、系统地考虑机构的整体结构，应认真进行各个运动部件受力分析，杜绝设计变更后可能又出现新问题的情况，才可以入网使用。

参考文献

[1] 苑 舜. 高压断路器弹簧操动机构(第五版)[M]. 北京：机械工业出版社，2001.

[2] 吕军玲，赵伟涛. 高压SF6断路器配弹簧操动机构的开断特性研究[J]. 高压电气，2016，52(10):158⁃164.

[3] 付荣荣，赵莉华，荣 强，等. 高压断路器操作机构机械特性研究[J]. 高压电器，2017，53(5):56⁃62.