李 鍇，徐成西

（國(guó)網(wǎng)北京市電力公司檢修分公司，北京 豐臺(tái) 100073）

隨著時(shí)代進(jìn)步，電力系統(tǒng)不斷發(fā)展，電網(wǎng)除了對(duì)斷路器有極高的電氣性能（操作能力）要求，越來越重視其操作機(jī)構(gòu)可靠性。操動(dòng)機(jī)構(gòu)作為氣體絕緣全封閉組合電器（GIS）用斷路器的重要組成部分，同時(shí)也是GIS用斷路器的動(dòng)力來源，其電氣性能和可靠性決定著GIS用斷路器的平穩(wěn)運(yùn)行。HMB型液壓彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)廣泛應(yīng)用于GIS用斷路器中，但其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致充壓模塊中機(jī)構(gòu)液壓儲(chǔ)能齒輪易發(fā)生斷裂。北京電網(wǎng)所轄范圍內(nèi)設(shè)備液彈機(jī)構(gòu)齒輪隱患較為嚴(yán)重，存在一定風(fēng)險(xiǎn)，改造工作迫在眉睫。由于電網(wǎng)停電時(shí)間限制，現(xiàn)有技術(shù)中，液彈機(jī)構(gòu)改造須要電網(wǎng)停電情況下拆除機(jī)構(gòu)接地及連接拉桿，隨后利用電動(dòng)葫蘆將機(jī)構(gòu)吊起后拆除電機(jī)、托架、舊軸銷等部件，安裝新的傘齒輪部件軸銷并固定，過程煩瑣且周期緊張。由于以上原因申請(qǐng)停電處理受到電網(wǎng)運(yùn)行方式、停電時(shí)間等情況影響較大，尤其是處在保供電期間，停電尤為困難。為了解決這一難題，就需要在不停電作業(yè)條件下設(shè)計(jì)一套臨時(shí)應(yīng)急處理措施，避免GIS用斷路器由于設(shè)計(jì)、制造工藝不良等質(zhì)量事件，造成電網(wǎng)輸變電主設(shè)備故障或缺陷導(dǎo)致非計(jì)劃性停運(yùn)等不良事件發(fā)生。

1 HMB型液壓彈簧機(jī)構(gòu)基本情況

1.1 基本情況介紹

常見的GIS用斷路器的操動(dòng)機(jī)構(gòu)主要分為彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)、氣動(dòng)操動(dòng)機(jī)構(gòu)、液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)3種形式。其中氣動(dòng)操動(dòng)機(jī)構(gòu)包含：分閘、合閘都依靠壓縮空氣的純氣動(dòng)操動(dòng)機(jī)構(gòu)，分閘（或合閘）依靠壓縮空氣，合閘（或分閘）依靠彈簧力的氣動(dòng)彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)2種；液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)分為氮?dú)鈨?chǔ)能和彈簧儲(chǔ)能2種。本文介紹的故障斷路器為廈門ABB公司生產(chǎn)的EK0型產(chǎn)品，配備HMB液壓儲(chǔ)能彈簧。隨著斷路器使用年限增加，維護(hù)開支的減少以及對(duì)免維護(hù)開關(guān)設(shè)備及操作機(jī)構(gòu)減少缺陷的需求。為提高可靠性，如圖1所示，依據(jù)CIGRE 研討會(huì)的故障統(tǒng)計(jì)數(shù)字表明開關(guān)設(shè)備中的絕大部分故障是由操作機(jī)構(gòu)所引起的，占比43%。HMB型液壓彈簧操作機(jī)構(gòu)是根據(jù)ABB公司1986年設(shè)計(jì)定型的AHMA機(jī)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)而成，具備制造技術(shù)和模塊化裝配技術(shù)。它結(jié)合了金屬?gòu)椈蓹C(jī)械儲(chǔ)能與液壓力傳送和能量轉(zhuǎn)換的優(yōu)點(diǎn)。在設(shè)計(jì)特點(diǎn)上具備：內(nèi)置液壓阻尼系統(tǒng)、使用帶孔螺絲調(diào)節(jié)分合閘速度。結(jié)構(gòu)特點(diǎn)上具備：對(duì)斷路器液壓功能的持續(xù)自我監(jiān)視以及現(xiàn)代傳感器技術(shù)的監(jiān)視功能，但正因其高度集成化，也導(dǎo)致以往液壓彈簧機(jī)構(gòu)中儲(chǔ)能齒輪部件的拆卸工藝實(shí)施過程在未采取相應(yīng)臨時(shí)措施情況下須要停電才能開展。

圖1 液壓彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)作原理圖

1.2 液壓彈簧操作機(jī)構(gòu)功能原理

如圖1所示，液壓泵把油從低壓油缸打到3個(gè)高壓儲(chǔ)能活塞處，停泵時(shí)，一個(gè)逆止閥可防止高壓油回流，儲(chǔ)能活塞環(huán)繞主圓筒對(duì)碟形彈簧柱進(jìn)行儲(chǔ)能，在操作范圍內(nèi)，碟簧的彈簧力具備特性曲線十分平緩的特點(diǎn)。碟簧柱由若干彈簧組成，即使某個(gè)彈簧故障也不會(huì)對(duì)斷路器操作造成影響，利用彈簧儲(chǔ)能狀態(tài)的位置監(jiān)視功能和液壓泵的不定時(shí)啟動(dòng)，位置開關(guān)對(duì)彈簧柱的儲(chǔ)能狀態(tài)實(shí)現(xiàn)監(jiān)視作用，限位開關(guān)在儲(chǔ)能過低時(shí)閉鎖操作，必要時(shí)發(fā)出告警信號(hào)。其中，HMB型液壓彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)控制模塊內(nèi)一級(jí)電磁閥、內(nèi)部二級(jí)電磁閥及工作模塊內(nèi)的工作缸、活塞桿等是利用壓差原理實(shí)現(xiàn)開關(guān)分合閘操作的核心部件。阻尼系統(tǒng)與活塞桿結(jié)合在一起建立了阻尼壓力，使GIS用斷路器的運(yùn)動(dòng)平緩，減少加在GIS用斷路器和自身基礎(chǔ)上的機(jī)械負(fù)載。輸出活塞的原理為利用操作氣缸軸的截面積之差產(chǎn)生出不同的驅(qū)動(dòng)力，即活塞的面積差產(chǎn)生壓力差，推動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)，在合閘和分閘位置形成一個(gè)驅(qū)動(dòng)力。當(dāng)需要大操作力來開斷大電流時(shí)，輸出活塞的速度會(huì)自然地降低而液壓系統(tǒng)的效率會(huì)提高，使得輸出活塞的驅(qū)動(dòng)力增大。

HMB液壓彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)共包含5大模塊，分別為儲(chǔ)能模塊、工作模塊、動(dòng)力模塊、監(jiān)視模塊、控制模塊。其中液壓儲(chǔ)能模塊決定了上述油壓回路動(dòng)作過程能否順利進(jìn)行，工作模塊為5個(gè)模塊的核心部分。4個(gè)模塊通過螺栓與工作模塊進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)油路導(dǎo)通。

儲(chǔ)能模塊主要由油泵電機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、油泵、放油閥、齒輪組成，其中齒輪斷裂在儲(chǔ)能模塊故障中占很大比重。

2 現(xiàn)場(chǎng)情況檢查

2.1 現(xiàn)場(chǎng)情況

近幾年，北京電網(wǎng)管轄的變電站中，出現(xiàn)多起110 kV EK0型組合電器斷路器儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)齒輪斷裂的情況。在近期的排查過程中，發(fā)現(xiàn)多站多間隔此類型號(hào)機(jī)構(gòu)儲(chǔ)能齒輪存在裂紋問題。其中，某站120斷路器機(jī)構(gòu)儲(chǔ)能齒輪斷裂，現(xiàn)場(chǎng)報(bào)文顯示120斷路器油泵運(yùn)轉(zhuǎn)異常報(bào)警和120斷路器彈簧滿足分合分壓力報(bào)警。儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)正常工作是實(shí)現(xiàn)斷路器正確、快速分合閘動(dòng)作的前提，如果無法實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能，則會(huì)導(dǎo)致斷路器拒分，當(dāng)有故障發(fā)生時(shí)，斷路器無法實(shí)現(xiàn)可靠分閘切除故障，發(fā)生故障越級(jí)現(xiàn)象，嚴(yán)重威脅電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。當(dāng)前采取的措施仍為申請(qǐng)停電檢修，更換損壞齒輪。

2.2 測(cè)試情況

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)停電檢修處理經(jīng)驗(yàn)，在以往數(shù)次液壓彈簧機(jī)構(gòu)齒輪更換過程中，針對(duì)已出現(xiàn)明顯貫穿裂紋的齒輪在拆解更換過程中即發(fā)生斷裂。利用HMB液壓彈簧機(jī)構(gòu)齒輪創(chuàng)新試驗(yàn)臺(tái)，對(duì)某站拆卸后伴有輕微裂痕的齒輪進(jìn)行加速劣化測(cè)試100次試驗(yàn)，雖未發(fā)生斷裂情況，但裂痕呈現(xiàn)輕微擴(kuò)大趨勢(shì)。

2.3 初步分析結(jié)論

液彈機(jī)構(gòu)齒輪斷裂與動(dòng)作次數(shù)無明顯聯(lián)系，金屬銷與齒輪公差較小導(dǎo)致斷裂可能性較大。

110 kV ABB產(chǎn)HMB型液彈機(jī)構(gòu)總體密封性較好，約23天啟泵打壓一次。

目前出現(xiàn)輕微裂痕的齒輪，在機(jī)構(gòu)未發(fā)生明顯滲漏導(dǎo)致打壓頻次增多的情況下，具備堅(jiān)持工作一段時(shí)間的條件。

3 不停電處理措施解決方案

3.1 不停電作業(yè)條件技術(shù)思路

當(dāng)前GIS用斷路器HMB型液壓彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)，充壓模塊中機(jī)構(gòu)液壓儲(chǔ)能齒發(fā)生斷裂后，傳統(tǒng)檢修工藝仍然采用停電處缺方式。倘若電網(wǎng)不具備停電條件，只能由檢修人員駐守在液壓機(jī)構(gòu)斷路器旁進(jìn)行監(jiān)視并手動(dòng)打壓，易造成人員精神疲憊，對(duì)電網(wǎng)安全生產(chǎn)工作存在一定隱患因素。由于GIS組合電器液壓機(jī)構(gòu)斷路器儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)正常工作是實(shí)現(xiàn)斷路器正確、快速分合閘動(dòng)作的前提，如果無法實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能，則會(huì)導(dǎo)致斷路器拒分，當(dāng)電網(wǎng)有故障發(fā)生時(shí)，嚴(yán)重威脅電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。本文提出一種不停電安裝GIS組合電器液彈機(jī)構(gòu)儲(chǔ)能齒輪的裝置及方法，以解決斷路器液彈機(jī)構(gòu)儲(chǔ)能齒輪更換作業(yè)過程煩瑣且處缺時(shí)間長(zhǎng)的問題。重點(diǎn)針對(duì)GIS組合電器HMB型液壓彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)充壓模塊中機(jī)構(gòu)液壓儲(chǔ)能齒安裝方式進(jìn)行改造，目的在于將原本停電安裝方式通過創(chuàng)新式“換位”調(diào)整齒輪朝向，將其轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌ｋ娮鳂I(yè)方式，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 一體化系統(tǒng)框圖

如圖2所示，不停電安裝方式模塊化液壓彈簧斷路器齒輪連接固定結(jié)構(gòu)銷工具，主要由改進(jìn)工藝后的HMB型液壓儲(chǔ)能齒輪及齒輪連接固定結(jié)構(gòu)金屬件、改進(jìn)后的圓柱銷組成。

HMB型液壓彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)的電機(jī)液壓儲(chǔ)能齒輪主要為鋼齒輪與電機(jī)自身工程塑料齒輪嚙合組成錐齒輪進(jìn)行傳動(dòng)，且電機(jī)轉(zhuǎn)速高達(dá)3 500 r/min以上。改進(jìn)后的HMB型液壓儲(chǔ)能齒輪相比以往批次齒輪從制造工藝質(zhì)量上得到優(yōu)化、密度更大、更牢固，針對(duì)工程塑料齒輪齒面存在微小氣泡、注塑，造成氣泡部位或薄弱點(diǎn)（連接圓柱銷的空孔位置）的抗壓強(qiáng)度降低材料不均勻等可能出現(xiàn)的危險(xiǎn)源提前預(yù)防，提前開展針對(duì)性工藝管控措施，使其得以優(yōu)化，如圖3、圖4所示。

圖3 基于Shapr3D實(shí)現(xiàn)的液壓彈簧斷路器齒輪連接固定裝置投影視圖

圖4 基于Shapr3D實(shí)現(xiàn)的液壓彈簧斷路器齒輪連接固定裝置3D 建模圖

齒輪連接固定結(jié)構(gòu)裝置主要用于將HMB型液壓彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)儲(chǔ)能齒輪進(jìn)行換位安裝，是液彈機(jī)構(gòu)齒輪不停電安裝作業(yè)基礎(chǔ)，齒輪連接固定結(jié)構(gòu)金屬件的存在使檢修人員面對(duì)HMB型液壓彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)儲(chǔ)能齒輪碎裂時(shí)具備快速應(yīng)急處置能力，避免了電網(wǎng)非周期性停電，為臨時(shí)處缺工作爭(zhēng)取窗口期。

通過對(duì)多起事故案例研判分析，儲(chǔ)能齒輪裂紋沿著銷子軸方向逐步發(fā)展，最終導(dǎo)致斷裂。固定齒輪的銷子為彈簧子母銷，在安裝過程中，可能造成齒輪插銷孔內(nèi)壁不同程度損壞，隨著時(shí)間延續(xù)，逐漸劣化。通過不斷實(shí)驗(yàn)，由原來的彈簧子母銷改進(jìn)為圓柱銷。

ABB組合電器斷路器液彈仿制機(jī)構(gòu)，可多次模擬現(xiàn)場(chǎng)斷路器儲(chǔ)能過程，針對(duì)HMB型液壓彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)儲(chǔ)能齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)工況進(jìn)行模擬、檢驗(yàn)，效果良好，可以實(shí)現(xiàn)斷路器正常儲(chǔ)能功能，確保在異常情況下斷路器的可靠分合閘動(dòng)作。

3.2 臨時(shí)解決措施技術(shù)效果及具體實(shí)施方式

遵從上述技術(shù)方案，如圖5所示，本實(shí)施案例給出一種模塊化液壓彈簧斷路器齒輪連接固定裝置。在不停電方式下，利用創(chuàng)新式換位安裝方式將HMB型液壓彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)儲(chǔ)能齒輪反向安裝使其逆向旋轉(zhuǎn)，無須電網(wǎng)停電即可快速處置齒輪開裂缺陷。快速更換原有碎裂齒輪，大大節(jié)省檢修時(shí)間。

圖5 改造實(shí)物示意圖

本文提出的不停電安裝臨時(shí)解決措施為一種液彈機(jī)構(gòu)齒輪連接固定裝置，包括HMB型液壓儲(chǔ)能齒輪、齒輪連接固定結(jié)構(gòu)件和圓柱銷3部分。安裝所述模塊化液壓彈簧斷路器齒輪連接固定裝置后，電機(jī)帶動(dòng)齒輪反向進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，與此同時(shí)帶動(dòng)小齒輪一同轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)原有齒輪安裝作用。

3.3 具體成效

在不停電的情況下，臨時(shí)排除設(shè)備異常，公司組織開關(guān)專業(yè)技術(shù)攻關(guān)團(tuán)隊(duì)力量，經(jīng)過充分的論證分析及實(shí)現(xiàn)室測(cè)試，完成斷路器機(jī)構(gòu)儲(chǔ)能齒輪發(fā)生斷裂后的緊急替代方案的設(shè)計(jì)和實(shí)施，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證，效果良好，并在多處實(shí)際作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)正常使用，處理時(shí)間由停電檢修3 h縮短到的停電作業(yè)方式的0.5 h作業(yè)時(shí)間。

根據(jù)以上臨時(shí)處理措施方案，開關(guān)專業(yè)人員研制了一套HMB液壓彈簧機(jī)構(gòu)齒輪仿制機(jī)構(gòu)創(chuàng)新試驗(yàn)臺(tái)，多次模擬現(xiàn)場(chǎng)斷路器儲(chǔ)能過程，效果良好，并對(duì)ABB廠方提供的齒輪結(jié)構(gòu)件進(jìn)行檢驗(yàn)。

3.4 優(yōu)化改進(jìn)建議

根據(jù)多起北京電網(wǎng)已發(fā)生的采用HMB型液壓彈簧機(jī)構(gòu)的GIS用斷路器儲(chǔ)能齒輪故障案例，提出以下建議：

優(yōu)化齒輪工藝設(shè)計(jì)，降低齒輪碎裂發(fā)生率；

設(shè)備廠家應(yīng)加強(qiáng)齒輪裝配的工藝質(zhì)量要求，避免因固定齒輪銷釘形式不同的問題導(dǎo)致齒輪斷裂，逐步提升齒輪壽命；

設(shè)備廠家應(yīng)加強(qiáng)對(duì)儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)齒輪的質(zhì)量監(jiān)督過程，通過開展質(zhì)量檢測(cè)措施及時(shí)發(fā)現(xiàn)不合格零部件，避免開裂齒輪由配件出廠階段流至設(shè)備安裝、運(yùn)行階段；

開展同型號(hào)斷路器液彈機(jī)構(gòu)齒輪排查工作，對(duì)異常齒輪及時(shí)進(jìn)行更換。

4 結(jié)束語

儲(chǔ)能模塊作為HMB液壓彈簧機(jī)構(gòu)中的重要模塊，影響著設(shè)備正常建壓、儲(chǔ)能。在GIS用斷路器正常運(yùn)行過程中，儲(chǔ)能模塊齒輪發(fā)生斷裂時(shí)若未及時(shí)處理，將造成電網(wǎng)非計(jì)劃性停電等惡性事件。根據(jù)近期發(fā)現(xiàn)并處理的多起故障，開關(guān)專業(yè)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一套HMB型液壓彈簧機(jī)構(gòu)儲(chǔ)能失敗的不停電處理措施及創(chuàng)新驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)倉(cāng)裝置，為現(xiàn)場(chǎng)相似故障處理方式及應(yīng)對(duì)措施研判提供寶貴經(jīng)驗(yàn)、依據(jù)。