一起断路器操动机构弹簧断裂故障分析

一起断路器操动机构弹簧断裂故障分析

魏浩宸

新东北电气集团高压开关有限公司沈阳电力科技开发分公司，辽宁沈阳110000

摘要：高压断路器是依靠其机械传动部件的正确动作实现分合闸操作的重要电力设备，其操动机构的可靠性直接关系到电网的稳定性和可靠性，影响电网的安全运行。据统计，高压断路器操动机构故障占断路器故障总数接近50%。高压断路器的操动机构主要分为气动机构、液压机构、弹簧机构和液压弹簧机构，其中弹簧机构由于其结构简单、反应灵敏、可靠性高、功能完备、无漏油与漏气的风险、体积小重量轻等优点，在126~252kV电压等级的断路器中被广泛使用。

关键词：断路器；操动机构；弹簧断裂；

引言

高压断路器作为电力系统中重要的控制与保护设备，起到控制线路投切和开断短路电流的作用，其可靠性对电网安全稳定运行有着重要影响。高压断路器由以下五个部分组成：灭弧室、中间传动机构、操动机构、绝缘支撑件和基座。断路器对操作机构动作的可靠性要求极高，断路器的拒分、拒合及误动作都会给电网造成巨大的经济损失。

1故障原因

1.1机构过储能

该断路器弹簧机构的合闸卷簧安装在机构内部，储能系统采用蜗轮－行星齿轮的组合设计，整个储能系统结构简单紧凑，但存在过储能的风险[23]。过储能的原因有以下几种情况：1)该弹簧机构无机械储能限位装置，手动储能时易导致过储能；2)手动按压接触器给电机储能，在储满能时，回路无法切断接触器导致过储能；3)将储能电源直接加在电机两端，因该机构无机械储能限位装置导致过储能；4)储能控制回路(接触器)故障，致使储能接触器不能正常断开储能电源，或电机储能接触器在储能过程中主接点粘连，在储满能控制回路断开后，主接点不能松开，致使机构过储能，导致机构的严重损坏；5)储能限位开关故障，致使机构储满能后，限位开关接点不转换，无法切断储能电源导致过储能。卷簧发生过储能后易造成受力超出设计裕度而损伤或直接断裂。根据现场检查确认机构中连杆、拐臂、掣子以及接触器、限位开关等储能电机电气控制回路元器件均正常，故基本可以排除由于过储能导致卷簧断裂。

1.2断路器二次回路现状

1)相间电缆数量多。分相操作中断路器三相之间的控制需要相间电缆来实现通信。例如,取辅助节点的信号,密度继电器和中间继电器之间的信号节点,三相不一致的节点需要大量的线芯,更换时容易造成接线错误,给检查带来困难。2)断路器提取的信号多。每个信号节点需要一根电缆连接到后台,且交直流信号不能在同一根电缆中,因此需要多根电缆才能完成信号提取,而更换机构时需要重新拆卸和安装这些电缆。3)二次元器件可靠性差。目前大量使用的二次元器件,由于布线复杂,存在接线松动、虚连线等不易分析解决问题。现场更换时需要进行拆线和重新布线,容易出错且费时费力。

1.3卷簧基材缺陷

根据金属性能检测结果可知，断裂卷簧的化学成分、脱碳层深度均满足标准要求，磁粉检测及渗透检测未发现断裂处之外的部位存在裂纹的情况，卷簧的硬度较图纸的要求值略微偏高(抗拉强度偏高也验证了硬度偏高的事实)，但分析认为硬度略微偏高1.5%不足以引起卷簧断裂。从扫描电镜分析可见，裂纹的扩展区，即断面的大部分区域均为韧性断面，但裂纹起源区则为沿晶的脆性断面，由此推断裂纹的起源不是单纯由于应力导致(假如单纯由应力导致，则裂纹起源部位应该也为韧性断面)，裂纹起源部位的沿晶断面应该为热处理导致的原始裂纹(热处理裂纹的典型特征为沿晶断裂，晶间裂纹会削弱金属结合强度)。综上所述，卷簧的断裂原因推测为热处理导致卷簧断裂处存在原始裂纹，由于卷簧内应力较大，在运行中裂纹自根源处发展并最终导致卷簧断裂。

2优化措施

2.1在线监测

利用操动机构开展机械寿命试验时产生的机械振动开展研究，通过在操动机构内加装声压传感器、振动加速计的方式收集每次机构分合产生的噪音和瞬态振动（冲击）信号，通过对所记录到的瞬态振动、噪音时域信号、利用FFT转换成的频域信号与信号录取时操动机构对应的实时状态（正常、故障、失效）进行比对，并利用FFT自谱分析和倍频程谱分析,分辨出机构在正常分合，故障、失效等不同状态下的信号区别，提出在线监测的方法可以作为机构在正常、故障状态以及从正常到故障状态的分析手段。将振动加速计安装在自制的转接板上，然后将转接板固定在断路器机构箱内的FA5操动机构外侧的齿轮盘下方、电动机的左上方，将声压传感器固定在断路器机构箱内的箱体底部。然后通过数据线、网线将传感器信与数据采集仪以及专用电脑进行连接。

2.2断路器二次回路模块化设计

将断路器机构二次控制回路进行功能区分与封装,分别为:总控单元、监控自检模块、分合闸控制模块、第一跳闸模块、第二跳闸模块、状态监控模块、电机控制模块、温湿度控制模块和智能管理模块,1)自检模块:对各模块(包括总控模块和自身)功能状态进行监控,当监测到二次回路发生故障时,自检模块对外发出告警信号并指示定位故障模块。2)分合闸控制模块:同时对三相机构进行控制,实现断路器分合闸远程控制,可三相同时操作和分相操作。1)自检模块:对各模块(包括总控模块和自身)功能状态进行监控,当监测到二次回路发生故障时,自检模块对外发出告警信号并指示定位故障模块。2)分合闸控制模块:同时对三相机构进行控制,实现断路器分合闸远程控制,可三相同时操作和分相操作。

2.3断路器机构零部件模块化设计

对于弹簧机构,现场需要更换的易损件主要是线圈和电机。这两个部件的拆卸、组装和更换较为复杂。为了提高效率和精度,将单个单元的更换优化为整体模块的更换。线圈组装的主要风险是重新组装时间隙变化的调整。为避免风险,电磁铁可在制造厂预组装,线圈整体更换为电磁铁。电机拆装的主要难点是机架内传动部件较多。为降低组装难度,电机与机架组装好后,可合并作为一个整体的电机组装模块,。同时按功能的不同对功能构件进行优化设计,以减少更换步骤。分别对合闸保持掣子复位弹簧压板、防跳阀座安装板、支撑杆和副分电磁铁安装板进行一体化设计,省去部分紧固螺栓。

2.4预防措施

在进行低电压分合试验时，断路器弹簧机构的储能轴与凸轮组合部件中的销轴受到较大的弯曲剪切应力，导致滚球压裂轴承套产生压痕，并最终导致销轴断裂。轴承套滚道表面存在较多原始磨削裂纹缺陷，受滚球挤压时，裂纹扩展最终断裂。建议查找储能保持掣子与轴承套产生较大相互挤压应力作用的机械故障原因，寻找受到的弯曲剪切应力的来源。轴承套滚道表面存在较多制造加工时生成的磨削裂纹，建议改进机加工工艺。轴承套磨削裂纹会导致轴承疲劳强度和承载能力降低，寿命缩短、发生早期失效，因此建议拆卸后通过荧光着色、磁粉探伤等无损检查方法进行检验，或者采取不拆卸故障诊断系统进行在线监测，防止轴承套失效导致断路器弹簧操作机构操作失灵。

结束语

1)分析此次断路器操动机构弹簧断裂故障，卷簧材质符合标准要求，综合断口检测结果认为卷簧表面存在加工过程中产生的原始缺陷(起裂区)，在运行中由于原始缺陷处应力集中而断裂。2)断路器生产厂家应加强卷簧到货检验，根据储能动作次数上限、储能应力上限、应力安全系数等性能参数以及生产加工工艺制定卷簧金属性能检测和试验方案以及厂内验收标准，将无损检测列为到货验收必检项目，或使用第三方检验严格控制卷簧质量，防止存在原始缺陷的卷簧安装到在运断路器上。

参考文献

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