500 kV断路器操动机构打压超时故障分析

李叔麟，焦东围，钟 涛

（中国长江电力股份有限公司三峡水力发电厂，湖北 宜昌 443000）

1 引言

随着社会的高速发展，人类用电需求不断增大。维持电力系统的安全运行是当前的研究热点。断路器在电力系统中起着关键作用，其在长时间运行中，会出现各种原因导致的操动机构打压超时故障。而现场检修时间长，工作量大，严重影响电力系统供电的可靠性，为了能够缩短检修时间和检修过程，熟悉了解操动机构打压超时的情况，对设备检查和分析将起到关键作用。

2 500 kV断路器操动机构结构及原理

本节主要对HMB型液压操动机构的结构进行介绍，该500 kV液压操作机构采用的是无外接管路的高度模块化机构，在对频繁打压故障分析及处理上比传统的氮气储能液压机构上具有一定的特殊性。

整个机构为集成液压系统, 模块化设计, 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, 采用叠型弹簧作为储能元件,取代传统液压机构的氮气储能方式, 提高了可靠性[1]。机构基本结构如图1所示。工作模块（工作缸）采用常充压差动式结构, 高压油恒作用于有杆侧。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）。充能模块(电机和油泵)将电能转换成机械能再转换成液压能带动储能模块(储压器)压缩叠簧储能。监测模块(弹簧行程开关等) 监测并控制叠簧的储能情况。控制模块(电磁阀及换向阀等) 控制工作缸的分、合动作[2]。

图1 HMB型液压弹簧操动机构基本结构

3 液压操动机构油泵启动原理

不同状态下的液压机构行程表如表1所示，泵启动监视回路如图2所示。其中F1为弹簧控制启泵行程开关接点, 当机构压力降低时, 弹簧行程位置减小至8 115 mm 以下接点闭合, 接通油泵电机回路, 油泵输出的高压油同时进入3个储能活塞上端, 推动储能活塞向下运动压缩叠簧进行储能。储能到位后F1接点打开，弹簧行程开关切断油泵电机，油泵停运，打压过程结束。

表1 液压操作机构行程

图2 泵启动监视回路示意图（仅叠簧行程开关部分）

4 液压操动机构油泵频繁启动原因

液压操动机构油泵频繁启动的原因一般有以下几点：

（1）液压油外漏造成油压下降。如模块连接处或密封面有渗油、放油阀密封不严等问题引起，主要有以下几个部位[3]：①手动泄压阀下过流阀；②油泵出口逆止阀；③控制阀；④储能模块高压密封圈；⑤工作缸活塞密封；⑥换向阀滤芯密封圈。

（2）机构内部高、低压油路间内漏使得机构压力无法正常保持。根据液压操动机构的结构特点与检修经验, 通常有以下几处密封薄弱环节：①漏点手动卸压阀下过流阀; ②油泵出口逆止阀; ③控制阀(二级阀); ④储能模块高压密封圈；⑤分位限位座注油孔[4]。

（3）油中杂质。油中杂质卡涩活塞或密封圈位置,使密封不严, 高压油路向低压油路渗漏。

（4）二次回路故障。如图2中控制油泵启停的F1接点故障也可能导致油泵频繁启动。

（5）油中气体含量过高，高压油路中存在气泡，影响工作性能，造成打压超时。

5 打压超时案例分析及处理

经过某厂历年分析数据及诊断处理发现，液压断路器操动机构打压电机齿轮破损导致的电机打压超时情况最多，经常或者过度频繁的打压可能造成齿轮磨损和开裂。一些串内断路器不经常动作，油腔内可能存有气泡，导致压力加不上。打压电机很少出现大问题，平时检修时注意碳刷的长度以及打压电机连接线是否完整。某厂打压超时原因统计表如表2所示。

表2 某厂打压超时原因统计表

5.1 外观检查判断

外观检查即在工作现场能够用肉眼就能够观察到的设备故障或者缺陷，以下为4种工作中常见的能够通过外观检查判断故障原因。

（1）油压测量阀泄漏

某电站GIS第二串断路器A相油泵动作次数频繁，其断路器油泵动作次数统计表如表3所示。

表3 断路器油泵动作次数统计表

监控报“34R：某开关油泵电机长时间运行,第十四设备故障”信号。

工作人员现场对A相操动机构开盖检查发现机构漏油较严重。工作人员打开液压操作机构的盖板，检查机构油位是否正常、机构外表面有无渗漏油、弹簧及齿轮有无破损断裂。经肉眼观察可发现渗漏点为油压测量阀，对其螺栓进行了紧固，并对操动机构进行抽真空和补油，操动机构补油操作步骤如下。油泵打压测试合格，保持压力未见渗漏点[5]。

1）通过滤油器接到排油阀。

2）连接真空泵到注油孔。

3）松开压力释放开关，关闭排油阀。

4）抽真空达到≤10 kPa。

5）保持真空泵运转，打开排油阀，将油抽入。

6）关闭排油阀,再次抽真空，达到1.0～1.5 kPa约5 min，这时手动反复地操作电磁阀（控制线圈）。

7）拆除真空泵，并关闭注油孔。关闭压力释放开关，对液压弹簧操作机构加压，并分、合动作若干次当操作机构弹簧张紧时，检查工作位置时的油位。如果油位不在正常位置，通过注油孔重新注油或利用排油阀排油。

8）在完成充油步骤后，应该进行首轮的5次闭合 / 断开操作，排除液压系 统中的空气。任何在操作机构上的作业，可能会引起空气进入液压系统，必须对液压弹簧操作机构排气。

9）正常运行时的最低油位不应低于规定的油位以下。

10）操作机构如果未和断路器相连，要操作操作机构时，必须关闭分合闸节流螺钉(流量调节阀)，并做好标记以便于今后使用时能恢复原样。

（2）打压电机齿轮破损

监控报“某断路器油泵电机长时间运行”信号，现场检查为该开关A相打压超时，现场对断路器操作机构开盖检查，发电打压电机齿轮破损，导致压力加不上去。更换全新打压电机齿轮后，重新对断路器进行打压，打压正常。

该类型液压操作机构打压电机齿轮为塑料齿轮。优点有：减轻开关整体重量；防止机构卡死而导致电机起火；塑料齿轮生产方便，能够节约生产成本。打压电机齿轮破损的原因：工作环境恶劣导致的齿轮老化变形；机构卡涩，超出了齿轮的承受范围；打压动作次数过多导致齿轮磨损[6]。

经过多次现场处理发现，液压断路器操作机构打压电机齿轮破损导致的电机打压超时情况最多，在打压超时故障中占到了近一半的比重。在平时巡检及机组检修的时候，应该多注意检查打压电机齿轮。

（3）油路存在气泡

监控报“某开关运行中出现B相操动机构无法打压”，导致打压超时缺陷，设备检修人员经现场检查分析发现油位显示表中液压油中混有许多气泡，检查打压电机，齿轮及外观可观察到的设备全部正常，认为缺陷原因为机构油泵建压油路存在气泡造成打压效率低。

等待开关停运后，用真空泵对低压油腔和高压油腔进行抽真空，抽除多余的气泡。对操作机构泄压并重新打压，并对操作开关分合，开关分合均正常，建压油路中空气已排，电机二次控制回路正常。

液压油中气泡产生的原因：低压腔的油和空气混合，空气混入油中，打压时将混有气泡的低压油打入高压腔中；低压油腔密封性能不好；低压油腔混入其他杂质。

（4）打压电机烧毁

监控报“某开关运行中出现B相操动机构无法打压”，导致打压超时缺陷，设备检修人员现场对操动机构开盖检查，检查发现操动机构直流电机有烧煳味，并且碳刷磨损严重，其他外观设备检查状态良好，初步认为缺陷原因为碳刷磨损严重导致碳刷和滑环不能导电，回路不通，使得直流电机不能转动，导致电机卡住并烧毁。

5.2 内部综合检查

内部检查即通过肉眼不能直接判断故障位置，需通过二次信号或者对操动机构进行解体来具体判断故障详细原因。接点不到位和高压油腔内漏为两个常见的内部故障。

（1）断路器操作机构接点不到位

监控报“某断路器电机故障”“27F断路器、刀闸等故障”，现场汇控柜上“油压异常”灯亮。

PCS-9821装置“油压异常”灯亮，经过查询，如图3（a）所示，当操作机构发生重合闸油压低闭锁或者A、B、C相重合闸油压异常的时候，该装置油压异常报警。工作人员现场检查PCS-9821装置的开入量如图3（b）所示。

图3 PCS-9821现场遥信状态

通过对现场遥信状态进行分析，76项-重合闸油压低闭锁为1，正常应为0。A、B相重合闸显示的油位正常，C相重合闸油压正常显示的为0，则说明C相重合闸油压异常。并且查看C相电机保护辅助继电器是励磁状态，由此可知“油压异常”是由于C相打压超时，接点不到位引起的。

现场工作人员对断路器操作机构进行开盖检查，对相关接点进行调整，重新对断路器操作机构进行打压，操动机构正常打压，故障复归。

（2）高低压油腔内漏

机构内部高、低压油路间内漏使得机构压力无法正常保持。根据液压操作机构的结构特点与检修经验，在工作中发现以下4种问题。

1）换向阀滤芯密封圈破损

换向阀是通过改变油液流向而改变执行元件运动方向的阀门。换向阀滤芯密封圈磨损严重使得密封不严密，使得油流流过阀体时产生较大的压力损失，过大的内泄漏量不仅会降低系统的效率，引起过热，而且还会影响执行机构的正常工作，导致机构打压超时。检修时需要对破损的密封圈进行更换，更换完成后打压正常。

图4 换向阀阀芯密封圈损坏示意图

2）行程开关内部密封圈被压扁

行程开关是一种常用的小电流主令电器，利用生产机械运动部件的碰撞使其触头动作来实现接通或分断控制电路，达到一定的控制目的。内部密封圈因机械应力或油压致使密封圈被压扁，导致行程开关压力降低，使得开关不能开断到指定位置，造成机构打压超时。检修时需要对行程开关内部密封圈进行更换，更换后重新进行打压，打压正常。

图5 行程开关内部密封圈

（3）分闸限位底部注油孔炸裂或损坏

分闸限位底座的注油孔内壁有破损， 导致破损的金属颗粒在油路中运动,导致储能模块内壁、工作缸内部有摩擦划痕的印记。该印记可能导致内部产生泄漏,造成液压机构频繁打压。检修时工作人员对进油孔进行更换，对储能机构的内壁进行打磨（若内壁划痕较为严重，应更换相应的储能模块）。

（4）工作缸内部污渍

工作缸内部、油箱内部以及各高低压油孔内均有污渍，会对油路进行堵塞，造成油压建立不起来，导致打压超时。检修时工作人员用无毛试纸对工作缸及高低压油腔内污渍进行清洗和擦拭。检修后重新对操动机构打压，打压正常。

针对上述几种可能造成内漏的原因, 对于手动卸压阀下过流阀、油泵出口逆止阀、控制阀、储能模块高压密封圈等薄弱部位进行检查, 根据检查及更换后储能操作情况, 可以确定故障位置。如果对相应故障部分进行更换后, 频繁打压、无法一次完全储能、压力无法正常保持等故障不能得到有效解决,如打压时间间隔明显增加但仍然无法正常保持压力, 说明工作缸内的高、低压油路存在渗漏, 需将机构返厂处理。

图6 进油孔破损和储能模块内壁磨损示意图

6 结语

本文以HMB型液压碟簧操作机构为例，首先简要展示了操动机构的结构，并较为详尽地介绍了工作原理。其次总结了液压操动机构油泵频繁启动故障的原理和可能发生的原因。最后通过案例分析和现场处理的过程，系统地总结了操动机构外观检查和内部检查具体过程，以及内、外观检查中可能出现的常见故障，为操动机构实际的故障检查提供了较为全面的参考，具有很好的工程实际意义。