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斷路器是交直流輸電系統(tǒng)中用于接通和開(kāi)斷電流的關(guān)鍵設(shè)備，500kV高壓斷路器由于所需操作功大，往往設(shè)計(jì)復(fù)雜，機(jī)械零部件繁多且結(jié)構(gòu)配合精巧，導(dǎo)致斷路器在運(yùn)維過(guò)程中故障頻次高、故障類(lèi)型多且故障原因復(fù)雜。斷路器的運(yùn)行可靠性很大程度上取決于其操動(dòng)機(jī)構(gòu)的可靠性，故障統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)故障導(dǎo)致的電網(wǎng)事故嚴(yán)重影響電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)不同類(lèi)別斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)的常見(jiàn)故障均進(jìn)行了深入的探討研究，3AP2—FI型斷路器作為500kV高壓斷路器的常用選型之一，其FA5操動(dòng)機(jī)構(gòu)由于機(jī)械部件配合和力學(xué)傳遞關(guān)系精巧，易出現(xiàn)機(jī)械機(jī)構(gòu)異常情況且難以分析。

本文針對(duì)南方電網(wǎng)某換流站出現(xiàn)的3AP2—FI型斷路器FA5操動(dòng)機(jī)構(gòu)殼體開(kāi)裂事件，進(jìn)行機(jī)構(gòu)的機(jī)械動(dòng)作原理分析，結(jié)合機(jī)構(gòu)解體檢查現(xiàn)象，確定開(kāi)裂事件是由儲(chǔ)能電動(dòng)機(jī)輸出功率偏大引起。通過(guò)對(duì)電動(dòng)機(jī)參數(shù)的選型和改進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作原理來(lái)避免該類(lèi)異常再次發(fā)生，試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果驗(yàn)證了改進(jìn)措施的可行性和有效性。

1 機(jī)構(gòu)儲(chǔ)能原理

3AP2—FI型斷路器采用FA5彈簧儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)，其儲(chǔ)能工作原理分析如下：儲(chǔ)能起始，電動(dòng)機(jī)得電起動(dòng)，帶動(dòng)齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)，固定在大齒輪盤(pán)上的頂桿（見(jiàn)圖1中部件4）沿小凸輪（見(jiàn)圖1中部件5）外輪廓進(jìn)行逆時(shí)針運(yùn)動(dòng)，直至作用在小凸輪的卡槽處，并推動(dòng)小凸輪運(yùn)動(dòng)，如圖1（a）所示。

圖1 儲(chǔ)能過(guò)程各元件相對(duì)位置

由于小凸輪固定在儲(chǔ)能軸上，小凸輪的運(yùn)動(dòng)將帶動(dòng)主軸轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行合閘彈簧壓縮，彈簧壓縮至要求值時(shí)儲(chǔ)能完成，同時(shí)電動(dòng)機(jī)通過(guò)輔助開(kāi)關(guān)切斷，而頂桿在三角板（見(jiàn)圖1中部件1）的作用下從小凸輪的卡槽處滑出，使大齒輪與儲(chǔ)能軸分離，如圖1（b）所示。合閘彈簧在正常完成儲(chǔ)能過(guò)程時(shí)，儲(chǔ)能拉桿會(huì)過(guò)死點(diǎn)并被合閘脫扣器頂住，合閘彈簧中儲(chǔ)存的能量被有效保持。

完成儲(chǔ)能后，頂桿由于慣性將繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)一段行程后停止，此時(shí)定義頂桿與三角板間角度為儲(chǔ)能后過(guò)沖角度，如圖1（c）所示。

當(dāng)斷路器得到合閘指令后，通過(guò)合閘脫扣器的動(dòng)作，使合閘彈簧釋放能量，固定在儲(chǔ)能軸上的大凸輪會(huì)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，在帶動(dòng)分閘彈簧儲(chǔ)能的同時(shí)完成滅弧室的合閘動(dòng)作，多余的能量會(huì)被合閘緩沖器吸收，但由于慣性，大凸輪會(huì)多轉(zhuǎn)動(dòng)10°～20°后回?cái)[，同時(shí)也會(huì)帶動(dòng)小凸輪進(jìn)行回?cái)[，此時(shí)定義頂桿與小凸輪間角度為◆，如圖1（d）所示。

2 異常現(xiàn)象及原因分析

近期，某±500kV換流站發(fā)現(xiàn)多起3AP2—FI型斷路器FA5操動(dòng)機(jī)構(gòu)殼體開(kāi)裂事件，裂紋位置均處于操動(dòng)機(jī)構(gòu)箱背面大儲(chǔ)能齒輪下方、分閘線(xiàn)圈并聯(lián)電阻右側(cè)，如圖2所示。

圖2 裂紋操動(dòng)機(jī)構(gòu)

圖2所示出現(xiàn)異常的3AP2—FI型斷路器采用FA5型操動(dòng)機(jī)構(gòu)，已投運(yùn)7年，動(dòng)作次數(shù)為385次。該換流站共有同類(lèi)斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)162臺(tái)，為進(jìn)一步查明異常原因，本文對(duì)異常機(jī)構(gòu)開(kāi)展解體檢查，以期分析異常原因。

2.1 操動(dòng)機(jī)構(gòu)鑄件殼體材質(zhì)檢查

首先對(duì)出現(xiàn)裂紋的殼體鑄件進(jìn)行相應(yīng)的材質(zhì)檢測(cè)，除已經(jīng)產(chǎn)生的裂紋外，其余區(qū)域的探傷檢測(cè)未發(fā)現(xiàn)異常，殼體材質(zhì)的化學(xué)成分、硬度和伸長(zhǎng)率均符合要求。基于檢測(cè)情況，確認(rèn)殼體鑄件本身材質(zhì)問(wèn)題不是造成殼體裂紋的原因。

2.2 小凸輪卡槽異常磨損

對(duì)操動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)一步解體檢查發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)殼體裂紋的異常機(jī)構(gòu)均存在類(lèi)似異常點(diǎn)，即操動(dòng)機(jī)構(gòu)儲(chǔ)能齒輪小凸輪卡槽處存在異常磨損，如圖3所示，而其他操作次數(shù)接近的正常機(jī)構(gòu)，小凸輪卡槽表面均完好，依此可判定殼體出現(xiàn)裂紋與小凸輪卡槽表面的異常磨損存在重要關(guān)聯(lián)。

圖3 小凸輪上的明顯磨損

2.3 原因分析

1）操動(dòng)機(jī)構(gòu)裂紋直接原因分析

基于前文所述機(jī)構(gòu)儲(chǔ)能原理，在儲(chǔ)能過(guò)程中，儲(chǔ)能拉桿尚未過(guò)死點(diǎn)時(shí)（未完全儲(chǔ)能狀態(tài)），儲(chǔ)能拉桿無(wú)法被合閘脫扣器頂住，如頂桿（見(jiàn)圖1中部件4）與小凸輪（見(jiàn)圖1中部件5）間由于接觸面間存在異常磨損導(dǎo)致突發(fā)性滑脫，在合閘彈簧已儲(chǔ)存的部分能量的驅(qū)動(dòng)下，儲(chǔ)能拉桿反向運(yùn)動(dòng)，此時(shí)合閘彈簧中儲(chǔ)存的能量?jī)H有一個(gè)去向，即拉動(dòng)機(jī)構(gòu)直接反向擊打在合閘緩沖器上，并通過(guò)軸承將壓力最終作用至殼體本身。

此時(shí)合閘彈簧中儲(chǔ)存的能量超出合閘緩沖器所能承受的限值，能量擴(kuò)散至機(jī)構(gòu)殼體，進(jìn)而造成機(jī)構(gòu)殼體開(kāi)裂。此分析結(jié)果也從殼體裂紋區(qū)域位置為合閘緩沖器背部得到印證，如圖4所示。

圖4 殼體裂紋區(qū)域

因此可以判斷造成此類(lèi)操動(dòng)機(jī)構(gòu)殼體開(kāi)裂異常的直接原因?yàn)椋盒⊥馆喌漠惓Ｄp增大了離合裝置在儲(chǔ)能過(guò)程中滑落的可能性。一旦小凸輪在儲(chǔ)能未過(guò)死點(diǎn)時(shí)滑落，大儲(chǔ)能齒輪在合閘彈簧的拉力下向反方向運(yùn)動(dòng)，直接反打在合閘緩沖器上，合閘緩沖器儲(chǔ)能超過(guò)閾值，多余能量無(wú)法被有效釋放，最終造成機(jī)構(gòu)殼體開(kāi)裂。

2）小凸輪尖角邊緣磨損原因分析

機(jī)構(gòu)完成儲(chǔ)能過(guò)程后，若儲(chǔ)能后過(guò)沖角度◆過(guò)大，即頂桿與小凸輪間角度◆過(guò)小，距離過(guò)近，在機(jī)構(gòu)合閘后小凸輪將存在回?cái)[，◆過(guò)小可能導(dǎo)致小凸輪回?cái)[時(shí)，小凸輪尖角直接撞擊頂桿，由于頂桿的硬度（30～38HRC）大于小凸輪的硬度（20～28HRC），進(jìn)而導(dǎo)致小凸輪卡槽的邊緣受損。

由于合閘后小凸輪回復(fù)至圖1（d）所示位置，因此可以認(rèn)定在儲(chǔ)能后頂桿與小凸輪角度◆至少應(yīng)大于60°，即頂桿與三角板間角度（儲(chǔ)能后過(guò)沖角度◆）小于120°為安全區(qū)域，可以防止小凸輪卡槽邊緣與頂桿碰撞。

因此，小凸輪尖角邊緣磨損原因可確定為：儲(chǔ)能電動(dòng)機(jī)輸出功率偏大，導(dǎo)致其轉(zhuǎn)速過(guò)快，過(guò)死點(diǎn)后雖然儲(chǔ)能回路斷電，但電動(dòng)機(jī)及一級(jí)和二級(jí)減速齒輪的慣性偏大，使得頂桿停止角度超過(guò)安全區(qū)域。頂桿與小凸輪間角度過(guò)小，距離過(guò)近，在小凸輪回?cái)[時(shí)，小凸輪尖角直接撞擊頂桿，從而導(dǎo)致小凸輪卡槽的邊緣受損。

3 整改措施

根據(jù)異常原因分析結(jié)果，對(duì)儲(chǔ)能電動(dòng)機(jī)進(jìn)行升級(jí)，采用合理降低其輸出功率的整改措施。升級(jí)后的新型儲(chǔ)能電動(dòng)機(jī)應(yīng)滿(mǎn)足如下設(shè)計(jì)要求：

1）能夠有效控制FA5機(jī)構(gòu)的儲(chǔ)能過(guò)沖角度，使得儲(chǔ)能后頂桿過(guò)沖角◆?位于120°以?xún)?nèi)的安全區(qū)域。

2）在低電壓、額定電壓、高電壓下，新型儲(chǔ)能電動(dòng)機(jī)在最大扭矩（儲(chǔ)能彈簧壓縮65%）及儲(chǔ)能彈簧壓縮90%的情況下均能成功中程起動(dòng)。

3）額定電壓下儲(chǔ)能時(shí)間小于等于20s。

4）在低電壓、額定電壓、高電壓下，該電動(dòng)機(jī)換向器產(chǎn)生的火花在正常范圍內(nèi)。

由于復(fù)勵(lì)電動(dòng)機(jī)綜合并勵(lì)式電動(dòng)機(jī)和串勵(lì)式電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，既能保證良好的機(jī)械特性，又能保證其安全運(yùn)行。因此本文選用復(fù)勵(lì)電動(dòng)機(jī)作為新型電動(dòng)機(jī)，所選電動(dòng)機(jī)規(guī)格參數(shù)：額定電壓為AC/DC 220V，額定功率為580W，額定轉(zhuǎn)速為5 000r/min，型號(hào)為HDZ—25850BL。

為驗(yàn)證新型電動(dòng)機(jī)的儲(chǔ)能功能，對(duì)其開(kāi)展驗(yàn)證測(cè)試，具體測(cè)試項(xiàng)目如下：1）電動(dòng)機(jī)儲(chǔ)能過(guò)程的電流、儲(chǔ)能時(shí)間和儲(chǔ)能后過(guò)沖角度的測(cè)量；2）在低電壓、額定電壓和高電壓下分別測(cè)試儲(chǔ)能彈簧壓縮65%時(shí)的中程起動(dòng)情況（最大轉(zhuǎn)矩）和儲(chǔ)能彈簧壓縮90%時(shí)的中程起動(dòng)情況；3）進(jìn)行80次儲(chǔ)能循環(huán)操作，記錄儲(chǔ)能時(shí)間，并觀察儲(chǔ)能過(guò)程有無(wú)異常。試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

由試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)可知，新型復(fù)勵(lì)電動(dòng)機(jī)在低電壓（AC 187V）、高電壓（AC 242V）、額定電壓（AC 220V）下完整儲(chǔ)能及中程起動(dòng)后頂桿過(guò)沖角均不大于12.5°（要求小于120°），且換向器火花均正常。新型復(fù)勵(lì)電動(dòng)機(jī)在額定電壓（AC 220V）的儲(chǔ)能時(shí)間均不大于19s（要求不大于20s）。試驗(yàn)相關(guān)圖片如圖5所示。

試驗(yàn)結(jié)果表明，按照設(shè)計(jì)要求升級(jí)后的新型復(fù)勵(lì)電動(dòng)機(jī)能有效抑制電動(dòng)機(jī)的過(guò)沖角度并滿(mǎn)足其他所需功能，充分證明了原因分析結(jié)果的正確性和整改措施的可行性與有效性。

圖5 試驗(yàn)相關(guān)圖片

目前已將新型復(fù)勵(lì)電動(dòng)機(jī)用于該±500kV換流站共計(jì)162臺(tái)斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)，更換后162臺(tái)斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)儲(chǔ)能后過(guò)沖角度均小于30°，且未再出現(xiàn)儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)開(kāi)裂的情況。

4 結(jié)論

本文針對(duì)某換流站500kV 3AP2—FI型斷路器的FA5操動(dòng)機(jī)構(gòu)開(kāi)裂事件，通過(guò)對(duì)異常斷路器機(jī)構(gòu)的解體檢查，判明斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)開(kāi)裂主要由斷路器儲(chǔ)能電動(dòng)機(jī)輸出功率偏大導(dǎo)致。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出采用一種新型復(fù)勵(lì)儲(chǔ)能電動(dòng)機(jī)，并對(duì)電機(jī)提出了參數(shù)設(shè)計(jì)要求，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了該新型電動(dòng)機(jī)能有效減小過(guò)沖角度，在后續(xù)的實(shí)際應(yīng)用中，162臺(tái)斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)在更換新型電動(dòng)機(jī)后均沒(méi)有再出現(xiàn)儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)開(kāi)裂的情況，驗(yàn)證了整改措施的可行性和有效性，從而提高了直流輸電系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

本文編自2021年第7期《電氣技術(shù)》，論文標(biāo)題為“3AP2—FI型斷路器FA5操動(dòng)機(jī)構(gòu)殼體開(kāi)裂原因分析及整改措施”，作者為秦秉東、張晨 等。