±500kV牛寨换流站不同开关机构的结构分析和技术上的运维要点

周旭

摘要：±500kV牛寨换流站断路器机构类型主要分为液压弹簧机构和弹簧机构，其中液压弹簧机构主要用于高压领域，包括500kV交流场、500kV交流滤波器场以及直流场，弹簧机构主要用于低压领域，包括35kV低压电抗器及站用变、110kV盐换线以及35kV融冰装置断路器。

引言

在电力系统中，断路器主要起着两方面的作用，一是根据运行方式的需要，通过断路器的断开或者合上，将电力设备投入或者退出;二是在系统发生故障时，通过继电保护装置的作用，迅速切除故障设备，保证故障设备不被损坏或不造成更严重的影响，确保无故障部分正常运行。

断路器按照灭弧介质分类，可以分为油断路器、真空断路器、SF6断路器，其中油断路器又可分为多油断路器和少油断路器，按照结构分类，可以分为罐式断路器、瓷柱式断路器、支柱式断路器，按照操作机构分类可以分为液压弹簧操作机构断路器、弹簧操作机构断路器以及气动操作机构断路器。

1.液压弹簧操作机构

1.1液压弹簧操作机构概述

由弹簧做为储能部件，液压油做为传动载体的机构。（弹簧储能目的是建立油压，液压油作为传动部件。）整个机构为集成液压系统，模块化结构设计、集成度高、体积小、操作功大、无外露管路、可靠性高。

主要包括充压模块、储能模块、工作模块、控制模块、监测模块。无外接管路，五个模块通过连接管连接后，可与工作缸组成一个紧凑的整体，实现可靠的动作。

1.2液压弹簧操作机构组成

工作模块（工作缸和活塞杆）：采用常充压差动式结构，高压油恒作用于活塞杆上端。分合闸速度可通过相应的节流阀分别调整（出厂时已调整好）。分合闸运动主要通过活塞杆下端高低压油的转换实现。

充能模块（电机、油泵、锥齿轮）：将电能转换成机械能再转换为液压能带动储能模块（储能器）压缩碟簧储能。

监测模块（弹簧行程开关）：监测并控制碟簧的储能情况。通过对碟簧压缩量的监测带动行程开关凸轮旋转来断开或闭合微动开关触点达到为主控室报警及自动闭锁的目的。当压力高于规定值时泄压阀自动开启达到保护机构的目的。

控制模块（电磁阀及换向阀）：控制工作缸的分、合动作。通过主控室给出的命令是相应电磁阀打开阀口，使换向阀切换油路，从而达到分合闸目的。

1.3液压弹簧操作机构的动作原理

储能：当机构失压时，行程开关的接点导通控制，电机通电，电机转动带动油泵将油从低压区泵向高压区，随着高压油量的增加，高压油推动储能活塞向上运动，储能活塞带动提升杆向上运动，提升杆带动拖盘压缩弹簧，到达预定位置时，行程开关的接点断开，电机停转，由于密封系统的作用，弹簧被保持在压缩状态。（低压油箱中的油经液压泵打压成高压油，流向三个储能活塞。当液压泵停止时，逆止阀关闭，防止高压油流入低压油箱。）

合闸：当碟型弹簧被压缩时传动杆的密封部位上部始终处于系统的高压之下，在分闸状态下，传动杆密封部位下部處于低油压状态下，这样传动杆被牢牢控制在分闸状态。当合闸阀接到合闸信号动作，切换阀切换到合闸状态，传动杆底部与高压油相连，此时传动杆的上部和下部都充以高压油，由于活塞两边面积不同，产生压差的作用，传动杆向上运动，完成合闸操作。

分闸：当分闸阀接到分闸信号动作，切换阀切换到分闸状态，传动杆底部失压，传动杆上部的高压油推动传动杆向下运动，完成分闸操作，并带动辅助开关切换，切断分闸回路，为下次合闸做好准备。

控制阀工作原理：分合闸线圈得电均会驱动控制阀变位。当分闸线圈得电时，控制阀相应动作，将传动杆底部触头底面油路中油由高压油切换至低压油路，高压油通过换向阀连通至低压油箱，现实分闸。当合闸线圈得电时，控制阀相应动作，将传动杆底部触头油面中油由低压油路切换至高压油路，从而实现合闸。

机械闭锁：在合闸状态下，当系统压力降低到一定程度时，闭锁杆上的弹簧推动其向里运动，顶住传动杆上的沟槽，使传动杆不能运动。

电气闭锁：当弹簧储能或卸压时，行程开关的夹板随着弹簧的运动而上下移动，到达一定的位置时，夹板上的凸起触动开关上的小轮顶起接点或断开。

打压次数：机构在1天之内打压10次是正常的，如果超过10次，需对机构进行进一步的观察，如果打压次数在发展，说明泄露点在发展，需要检查处理。判断泄漏是否合格也可用以下方法：关闭电机电源，在12小时内弹簧释压不超过15mm。

机构手动操作：通过按动前级换向阀的橡胶端盖，可进行手动操作（电器联锁失效）。手动操作只用于调试和维修后做性能检查时才采用，不作为正常的运行方式。只有当SF6气体充足且碟簧柱储能的情况下才能操作。且连续两次按下手动橡胶端盖的时间必须大于50s，一次按压时间不得超过1s。

2.液压弹簧操作机构常见故障

2.1故障的检查及处理

（1）现场检查有无渗漏油。检查机构油位是否正常、机构外表面有无渗漏油、弹簧有无破损断裂。

（2）仅在分闸位置打压频繁。开关合位时工作缸活塞两侧为高压油，分位时一侧为高压油、另一侧为低压油。对于开关在分闸位置打压频繁，可将开关合闸，如果储能完全正常，可初步判断工作缸内活塞两侧高低压油路存在渗漏。

（3）排除油中含有杂质和二次回路的问题。现场分合闸、储能操作数次，对于开关在合位出现频繁打压故障，分合操作数次后弹簧无法一次性完成储能，断开电机电源后如果泄压至0，可以排除油中含有杂质与二次回路的原因。分合闸操作同时可以检测分合闸线圈电磁阀位置是否正常，动作是否灵活。

（4）操作机构内漏。可能造成内漏的原因，手动泄压阀下过流阀，油泵出口逆止阀;控制阀;储能模块高压密封圈;工作缸活塞密封进行检查，更换后相应故障模块后，频繁打压、压力无法保持等故障只是得到缓解，如打压时间间隔明显变长但仍无法保持正常压力，说明工作缸内高、低压油路存在渗漏，需要返厂处理。

2.2技术上的运维要点

结合常见故障分析，液压弹簧机构主要避免频繁打压或是拒动，主要技术运维要点有以下：

（1）液压弹簧储能是否正常保持。24小时内弹簧行程量变化30mm是正常范围（电机断开），若碟簧储能有释放下降的趋势，则可能由于内漏造成压力无法保持。

（2）在30min内，电机旋转的最长时间为3min，本站整定电机运行时间为2min。若电机旋转超过上述时间，则必须对电机作有效冷却，电机时间运行时间过长可能损坏。故需合理整定电机运行时间。

（3）机构油位及油色。观测机构油位是否正常，液压油正常时清洁而透明，如果油变色或混浊，需换油;油面低于最低刻度时，需补油。若油位过低将可能造成碟簧储能不完全或无法储能，闭锁开关分合闸操作。

（4）触发线圈（分合閘线圈按钮）。现场应明确标识，提示未经许可严禁现场按下分合闸线圈触点。

（5）电机电源。正常运行方式下，机构电机电源应保持通畅，并在有效范围内。若电机电源故障则将导致电机不运转，机构无法储能。

（6）机构外观检查。检查是否有明显的部件损坏、烧坏，漏油等现象。

（7）打压次数分析（月平均值）。通过分析打压次数，及时发现机构故障，避免由于机构故障造成频繁打压，磨损其余部件。

（8）检查驱潮电阻、驱潮保险完好，查看机构是否受潮。查看机构加热器是否正常运行，机构内是否有积水，避免由于受潮造成机构部件锈蚀，卡涩。

（9）电机油泵、继电器、端子排无烧焦痕迹，无冒烟、打火现象，连接完好。

3.弹簧操作机构

3.1弹簧操作机构概述

弹簧操动机构是一种以弹簧作为储能元件的机械式操动机构。弹簧的储能借助电动机通过减速装置来完成，并经过锁扣系统保持在储能状态。开断时，锁扣借助磁力脱扣，弹簧释放能量，经过机械传递单元使触头运动。

弹簧操动机构结构简单，可靠性高，分合闸操作采用两个螺旋压缩弹簧实现。储能电机给合闸弹簧储能，合闸时合闸弹簧的能量一部分用来合闸，另一部分用来给分闸弹簧储能。合闸弹簧一释放，储能电机立刻给其储能，储能时间不超过15s（储能电机采用交直流两用电机）。

弹簧操作机构是由弹簧提供断路器操作所需的能量，弹簧一旦储能能量就会被保持住而不会有能量损失。相比之下，液压机构储能后能量损失的机会较多，任意一个阀门或是接头的泄露均有可能导致储能能量的损失，造成断路器频繁打压或是拒动。弹簧操作机构是一种较为可靠的储能方式，其操作较为简单，只需在每次合闸时启动一次合闸电机即可，合闸弹簧直接驱动断路器操作杆而不经任何的传动部件或连接杆。

3.2弹簧操作机构动作过程

储能过程：断路器处于合闸位置，合闸弹簧释放，分闸弹簧已储能。断路器合闸操作后，与棘轮相连的凸轮板使限位开关闭合，磁力开关带电，接能电动机回路，使储能电机启动，能过一对锥齿轮转动至与一对棘爪相连的棘轮上，棘轮的转动使这一对棘爪交替蹬踏棘轮，使棘轮逆时针转动，带动合闸弹簧储能，合闸弹簧储能到位后由合闸弹簧储能保持掣子将其锁定。同时凸轮板使限位开关切断电动机回路。合闸弹簧储能过程结束。

分合闸操作：采用两个螺旋压缩弹簧实现。储能电机给合闸弹簧储能，合闸时合闸弹簧的能量一部分用来合闸，另一部分用来给分闸弹簧储能。合闸弹簧一释放，储能电机立刻给其储能，储能时间不超过15s（储能电机采用交直流两用电机）。运行时分合闸弹簧均处于压缩状态，而分闸弹簧的释放有一独立的系统，与合闸弹簧没有关系。这样设计的弹簧操动机构具有高度的可靠性和稳定性。合闸弹簧和分闸弹簧是独立的，储能机构一般只给合闸弹簧储能，而分闸弹簧一般是靠断路器合闸动作储能.在合闸回路中串联有开关储能接点，也就是说开关未储能就不能进行合闸。但分闸回路中没有串联有开关未储能接点。所以就算开关未储能，也可以跳开。（注意：这里的开关未储能指的是合闸弹簧未储能，而分闸弹簧未储能是没有接点出来的）。在开关断开时，分闸弹簧是还没储能的，而合闸弹簧已储能。合闸时，合闸弹簧释放能量，合闸同时给分闸弹簧储能。以确保开关在合上的时候能跳开。合闸弹簧释放完能量时（开关刚合上），电机开始给合闸弹簧储能，这个大概需要十秒钟，此时就算合于故障，因为分闸弹簧已储能，所以能跳开。这也说明在手合于故障时，开关能马上跳开，但这种跳开之后不能马上再次重合（需要区别于重合闸），因为合闸还没储能，要等储能结束后才能再次送电。而如果是开关本来是合上的，此时开关的合闸弹簧和分闸弹簧都已储能。有故障时，分闸弹簧释放能量分闸。再过1秒左右，（由于合闸弹簧已储能）合闸弹簧释放能量进行合闸。而在合闸结束的时候，分闸弹簧已储能结束，但合闸弹簧还没有储能好。如果这次合闸于故障，由于分闸弹簧已储能结束，所以开关能马上跳开。但跳开之后就不能再次马上合上了，需要等到合闸弹簧储能结束以后才行（一般开关需要30秒后才行，但我们实际情况就要等事故处理完毕后，才能重新再次试合）

3.3弹簧操作机构常见故障及原因分析

电气方面原因：

（1）控制电源电压异常，如：控制电源失电，控制电源电压过低等;

（2）分、合闸指令异常，如：误发分、合闸指令，分、合闸指令脉冲过长或过短等;

（3）控制回路的元件异常，如：熔丝熔断，端子虚接、松动，就地/远控转换开关接触不良，断路器辅助触点切换时序不正确或接触不良，回路绝缘低导致接地或串电等;

（4）分合闸线圈异常，如：线圈烧毁、匝间短路;

（5）储能回路异常，如：储能电机匝间短路、限位开关不切换或接触不良等。

机械方面原因：

（1）分闸（合闸）铁芯卡阻。一般是因为分闸（合闸）线圈吸合后，因线圈内铜套变形、开裂等因素的影响，铁芯无法正常撞击并释放分闸（合闸）掣子，这种类型的故障较为常见，应对分闸（合闸）线圈和铁芯进行更换。

（2）分闸（合闸）掣子故障。主要包括三种情况：①掣子固定螺栓松动，引起掣子位置变化，无法正确咬合或释放;②掣子咬合面因操作次数多，操作冲击大，材质不良等因素发生磨损，造成无法可靠咬合。

（3）驱动拐臂断裂，造成合闸挚子不能有效动作。

（4）传动部分存在摩擦、碰撞现象。主要有：①套装在主轴上的驱动拐臂、偏心拐臂因为变形、松动的影响，相互间发生摩擦，导致分闸（合闸）动作失败或速度异常低;②因松动、移位、表面锈蚀等原因造成分闸（合闸）挚子与偏心拐臂（驱动拐臂）之间的咬合过紧导致挚子不能释放;③当合闸操作力较大时，水平传动拉杆与合闸拐臂下沿剧烈碰撞后发生反弹，使合闸保持掣子来不及复位，导致机构合闸保持不住;④主拐臂和辅助开关间的连接板弯曲、位移与辅助开关产生摩擦乃至碰撞，造成辅助开关不能正常切换。

（5）分闸、合闸弹簧故障，储能不完全，如变形、断裂等，造成机构输出功不足，引起分、合闸失败，或分、合闸速度不符合要求，开关处于半分半合状态。产生此类故障的原因主要是弹簧的材质问题。另外，如果分闸缓冲器存在漏油等缺陷，造成分闸末端的剩余能量得不到阻尼，久而久之，会导致分闸弹簧故障;如果合闸卷簧层间的衬垫因安装工艺不良，运行中逐渐发生位移，会造成卷簧慢慢丧失变形量最终损坏。

（6）过储能。手动储能，由于机构无机械限位，导致过储能;储能电机控制回路触点粘连，导致机构过储能，严重时将可能造成弹簧断裂。

3.4弹簧操作机构运维要点

结合常见故障分析，弹簧操作机构主要技术运维要点有以下：

（1）检查分闸弹簧、合闸弹簧储能、释能指示与实际相符，储能弹簧有无形变;

（2）机构各管道、压力表与管道之间连接处、卸压阀应无渗、漏气痕迹;

（3）重视操动机构电气回路。电气回路故障占弹簧操动机构故障总数的三分之二以上。且电气回路的安全运行受外部影响较大，运行环境恶劣、外部回路故障、误操作、检修人员工作失误等都会引发电气回路故障。定期检查储能电动机、热继电器、分闸脱扣器、合闸脱扣器、端子排端子应无烧焦痕迹，无冒烟、打火现象，因连接完好;

（4）加强数据的分析和比对。定期抄录打压动作次数，并进行分析;

（5）开展机构的防潮、防松、防锈、和润滑，杜绝元件受潮、松动、锈蚀和缺乏润滑带来的不利影响。如：完善操作机构箱防水封堵，保证加热器正常工作，定期检查驱动装置油位，传动元件涂抹润滑脂等。

4.结论

±500kV牛寨换流站断路器按照操作机构分类主要分为液压弹簧机構和弹簧机构，其中液压弹簧机构主要用于高压领域，而弹簧机构主要用于中压领域，在运维过程中，操作机构的主要故障体现在频繁打压的问题上，其中液压弹簧机构在处理该问题时不仅要注意机构油的外漏还要注意机构中是否有高低压油相互泄漏的问题。

参考文献：

[1]昭通换流站设备运行及检修维护手册GIS维护手册（0KB.412.398）

[2]新东北GIS ABB液压弹簧操作机构（HMB-4/-8型）

[3]ZF15-550kV GIS设备运行维护要求

[4]LW15A-550检修作业指导书（用户版）

[5]断路器用户手册