一起20kV开关柜活门故障分析

李 毅 吴 锋 徐近龙 吴 强

（苏州供电公司，江苏 苏州 215004）

开关柜作为一种常见的变电设备在电力系统中被大量采用[1]。随着20kV 开关柜的不断推广，其生产厂家也与日俱增。由于其较多厂家此电压等级开关柜为其新推产品，其运行可靠性尚有待总结及提高[2]。本文介绍了一起苏州供电公司发生的20kV 开关柜活门故障的分析及改进措施。

1 故障现象

2010年11月13日苏州110kV 旺港变在操作214新泽线从“试验”位置摇至“工作”位置时因机械故障未完成。检查发现，开关柜内手车推动开关静触头活门的支撑塑料板出现了物理性的损坏，动用备用仓更换后送电；该开关柜为厦门ABB 开关有限公司ZS1 产品，所配断路器为VD4 产品，2009年1月份出厂，2009年11月份投运。

2011年2月22日10 时30 分，运行人员发现110kV 旺港变2K2#2 电容器断路器从“工作”改为“试验”位置的操作过程中因机械故障未完成该操作，检查原因为柜内活门整体脱落，手车推进连板断裂故障（见图1）。

2 检查情况

2011年3月12日对20VⅡ段母线进行停电处理，并对Ⅱ段母线所有开关柜进行检查，检查中发现221 若水＃1 线活门驱动器同样损坏。后来运行人员在操作位于20kVⅠ段母线的201＃1 主变开关时，也发现有异响，检查发现201 开关柜活门右侧导向杆已断裂，下活门有三相放电痕迹，同时检查断路器下导电臂三相均有明显放电痕迹（见图2和图3）。

图1

图2

图3

为防止其余出线开关柜均存在类似缺陷，苏州供电公司随即将Ⅰ段母线也进行停电，对开关柜进行系统检查。3月29日对旺港变20kVⅠ段母线进行停电处理时又发现之前处理过手车活门驱动器的214 新泽线开关柜下活门三相均由不同程度的撞击痕迹，2301 母联刀闸开关柜活门整体坍塌，活门驱动器损坏，同时A 相有严重的放电痕迹。检查当中发现活门驱动器损坏较多，其中绝大多数为压接活门滚轮一端整体断裂，仅201 左侧活门驱动器为沿固定螺栓孔位置断裂，其损坏情况见图4。

图4

表1 旺港变20kV 开关柜检查情况汇总表

通过表1可以看出，目前旺港变在已检查的16台开关柜中已有5 台出现不同程度的损坏，故障率高达31%，其中还发现2 起严重放电现象，已对设备安全运行造成了重大隐患。

3 原因分析

开关柜活门的正常工作原理为：断路器在摇入的过程中，随着断路器手车的进入，活门机构在驱动下积极启动，并保证其开启的距离和速度均大于断路器的行程，保证活门与断路器运动行程的良好配合，既不过早开启、回落，也不碰触断路器，保证绝缘距离。

对于该型号开关柜活门动作设计配合的关键点是当断路器在工作位置时，柜体剪刀叉上轮到到导柜的距离理论设计是198mm，即断路器的活门驱动器上运动面到手车的在导轨上运动轮子的距离为198mm。而现场检查发现因现场安装误差,活门驱动器到底盘实测尺寸为195.5mm，剪刀叉同水平隔板干涉,导致对剪刀叉对断路器的活门驱动器产生反作用力，其内部结构如图5所示[3]。

图5

因其开关柜内活门驱动器损坏较多，为检验其材质是否合格，我们对其试样活门驱动板进行了模拟抗拉抗压试验。具体试验过程如图6和图7所示。

图6 活门驱动板压力试验

如图6所示，将活门驱动板采用螺栓固定在一块厚度为5mm 的不锈钢板上，在驱动板的工作面上施加一个轴向垂直的压力，模拟活门驱动板的工作受力情况来获得其发生开裂时的最大力值。试验结果见表2所示。

试样 开裂形貌 试验结果 新试样脆性断裂 断裂时力值：4290N 备注：受压过程中，试样发生了明显的扭曲变形

由于现场也出现了驱动板工作边断裂的情况，在工作状态下，驱动板工作边的内侧承受向外的力，遂设计了图7所示的方法对驱动板工作边受拉力的情况进行试验。

表3 活门驱动板拉力试验结果

通过试验可知其活门驱动板抗拉抗压值均为大于4kN，其结果远大约厂家出厂1kN 的标准，故可排除其活门驱动器材质原因导致其损坏。经进一步分析得知因为ABB 公司20kV ZS1 开关柜为其08年引进国内的产品，由于国内耐压水平要求65kV高于国外，为达到国内工频耐压要求，ABB 公司在其开关柜活门上多喷涂了绝缘漆，导致的活门重量增加，但其相应驱动及支撑件未同步进行更换，导致其受力过大，强度不够，从而出现大量损坏。如柜体活门导杆断裂，检查发现断裂处均为导杆开孔处，其导杆上两处开孔原设计用来加挂锁锁住活门，不让活门随意打开，如图8所示。而活门驱动器的损坏还是因为安装公差过大导致剪刀叉对断路器的活门驱动器产生反作用力，在人为手动摇进时由于其反作用力过大导致其损坏。

图8

对于110kV 旺港变201＃1 主变断路器、2301分段隔离柜放电应为上次操作时下活门未到位，断路器下导电臂与下活门长时间接触运行，最终导致放电痕迹严重。

4 对策及建议

1）督促厂家优化开关柜剪刀叉结构的设计及工艺，将柜体剪刀叉的安装螺母更换为防松螺母，保证该开关柜断路器的活门驱动器到运动轮的距离为198±1mm。

2）经ABB 公司从新进行了模拟计算，对于800mm 柜宽的开关柜更换活门导杆及弹簧，（更换其活门导杆为实心杆，取消活门导杆没有用的挂锁孔，并更改其材料增加其抗弯强度；更换弹簧的直径,减少剪刀叉承受弹簧的反作用力），对于1m 柜宽的开关柜更换包括活门及整套驱动机构。

3）在开关柜制作过程中，因严格控制其制作及安装的精度，防止其对设备安全运行带来隐患。

4）在开关柜验收过程中，特别注意对手车进出情况进行检查，防止活门开启关闭不正常现象。

5 结论

随着20kV 电压等级应用范围的不断推广，其变电设备生产厂家也不断增加。通过此次开关柜活门的故障原因分析，可以得出这是一起典型的因设计及装配工艺质量引起的故障。开关柜设备内每个零部件的设计及装配将直接关系到其安全稳定运行，故制造厂家应特别加强对新引进和开发的产品设计及装配工艺控制、管理，防止类似故障再次发生。

另外，检修、运行人员也应在开关柜投运验收时加大对其验收力度，保证其多次进出无故障，尽可能在设备投运前发现故障并处理。

[1] 徐国政,张节容,钱家骊,等.高压断路器原理和应用[M].北京:清华大学出版社,2006.

[2] 肖匀.一起24kV 开关柜运行故障分析[J].高压开关,2010(10): 27-5.

[3] ABB 公司网站.ABB公司高压开关柜制造商的ZS1/VD4真空断路器产品说明书.厦门ABB 开关有限公司.