隔离开关减速机构脱离故障分析

刘流，王志鹍，苏文，过羿，贾凤鸣

（国网安徽省电力公司检修公司，安徽合肥230061）

隔离开关减速机构脱离故障分析

刘流，王志鹍，苏文，过羿，贾凤鸣

（国网安徽省电力公司检修公司，安徽合肥230061）

隔离开关作为电网的主设备，其可靠动作直接关系到电力系统稳定运行。介绍一起隔离开关运行时出现的两级减速机构脱离故障，通过运行监测和受力分析确认了故障产生的原因，并针对性地提出了减速机构的改进方案，最后通过拉伸实验和动作测试验证了方案的有效性，为隔离开关减速机构的制造改进提供参考。

电力系统；隔离开关；减速机构；机构脱离

0 引言

隔离开关是发电厂和变电站电气系统中重要的开关电器，其与断路器配合为电力系统运行提供了更加多样和可靠的运行方式，同时，也为紧急情况下隔离电网故障提供了必要的手段。隔离开关种类多样，根据动作方式，可分为曲臂伸缩式、剪刀式、旋转式等。作为电网的主设备，隔离开关需具备几百安至几千安的通流能力，因此，只有设计可靠的电动机构才能确保其分合闸正确到位，接触良好，避免发热现象。

隔离开关的电动机构主要包括驱动电机、减速机构、故障限位保护、防寒除湿装置、手动操作部分及电气控制回路［1］，其中，减速机构是将电机转速通过齿轮变换输出额定转速的装置。近年来，减速机构常有发热和漏油、涡轮或轴承磨损、传动小斜齿轮磨损等故障［2］发生，为此，通常从提高装配质量、定期润滑维护、正确选择减速机构安装位置等方面提高其运行的可靠性。

1 故障经过

2015年10月，在某变电站220 kV隔离开关倒闸操作过程中，运行人员发现隔离开关在合闸开始后不久动作停止，现场检查发现该隔离开关电动机构内部减速机构损坏，一级减速机构与二级减速机构脱离，电机无法驱动涡杆动作。检修人员将损坏的电动机构取下进一步检查发现，用于连接两级减速机构的法兰面上的6颗螺丝从槽内脱出，蜗杆被顶出，电机整体垂下，如图1所示。

图1 脱落的减速机构

2 减速机构

减速机构作为隔离开关电动机构的传动部分，位于驱动电机与隔离开关垂直连杆之间，作用为降低驱动电机的输出转速，增大输出力矩，以达到稳定可靠地驱动隔离开关进行分合动作，其结构如图2所示。

减速机构由传动零件（齿轮或蜗杆）、轴、轴承、箱体及其附件所组成。箱体是蜗轮蜗杆减速机中所有配件的基座，是支承固定轴系部件、保证传动配件正确相对位置并支撑作用在减速机上荷载的重要配件。蜗轮蜗杆主要作用是传递两交错轴之间的运动和动力，轴承与轴主要作用是动力传递、运转并提高效率。隔离开关使用的是两级减速机构，具备更高的传动效率和更小的噪声。

图2 电机及减速机构结构

3 原因分析

图1中隔离开关减速机构故障位置位于两级减速机构之间的法兰连接处，为准确分析故障原因，将从电机负载能力、机构运行监测与受损法兰受力三方面进行分析。

3.1 电机负载试验

本型号隔离开关分合时，所需力矩通常在1 050～1 200 N·m之间，为模拟各工况下电机带负载能力，开展负载试验。试验时，测量电机回路的电流峰值并观察热偶启动情况，结果如表1所示。

试验结果显示，在隔离开关动作所需力矩范围内，电机带负载能力可完全满足，当负载超过1 279 N·m时，热偶启动后切断电机电源，从而起到保护电机及负载作用。试验排除了因电机带负载能力不足而导致机构运行过程中产生的机械损坏。

表1 机构的负载试验结果

3.2 机构运行检查

对减速机构开展振动信号测量是常见的故障判断手段［3］，在两级减速机构外壳（图2中的1、2处）和法兰连接处（图2中的6处，即受损法兰处）安装振动传感器，通过振动图像观察设备运行状况。振动图像如表2所示。

表2 电机及减速机构运行振动检测表

由表2可知，位置1与位置2均位于减速机构上，振动图像显示内部齿轮运行平稳，位置6则在运行开始时出现短时连续大幅振动，由结构图可知该法兰面内为蜗杆所套轴承与二级减速机构连接法兰交界处。经分析，造成振动的原因为蜗杆轴承在电机启动后，由于与外壳所连接的法兰面间存在约5 mm间隙，运行后对法兰面产生横向冲击力，连续冲击对法兰连接造成了损害。

3.3 法兰面受力分析

检查机构内各部件安装位置可知，运行中脱落的一级减速机构2及电机本体5未与机构箱连接固定，固定仅靠法兰面6颗M8×10螺丝。进一步检查发现，该6颗不锈钢螺丝在铝材质减速机外壳上拧入深度仅为9 mm，抽检产品时发现部分螺丝安装存在滑丝现象，而机械设计手册中规定该类型螺丝拧入深度不应小于12 mm［4］，有效旋合螺牙无法满足标准要求，严重影响到法兰面的连接强度。

通过电机负载实验、机构工况检查和受力分析，可明确造成电机减速机构脱落的原因为蜗杆在电机启动后对减速机构连接法兰面间隙处形成横向冲击，同时，原法兰面连接强度亦无法满足要求，故造成启动后螺丝脱离，减速机构脱落。

4 改进方案与试验验证

4.1 改进方案

在蜗杆与法兰面之间的空隙处增加胶垫挡圈（图3中位置8）。缓冲蜗杆转动时对法兰面的冲击。

连接螺丝更换为M8×20，增加法兰面连接螺丝（图3中位置6）的攻丝深度和拧入深度。

增加电机与机构箱体之间的连接片（图3中位置9），消除机构及电机自重对法兰面的作用力。

图3 改进后的电机及减速机构

4.2 抗拉强度试验

为验证改进前后连接法兰面抗冲击能力，选择改进前样品1和改进后样品2进行拉伸试验，结果如表3所示。

表3 改进前后机构拉伸试验

三相合闸力矩最大值Tmax和涡轮承受的轴向力F分别为

式中：t为单相合闸力矩最大值；η为传动效率；d为涡轮分度圆直径。

隔离开关相间采用轴销传动，单相合闸力矩最大值t取400 N·m，η为约95%，d取0.121 8 m，则Tmax=1 263 N·m，F=20 738 N。

由于减速机工作瞬间有冲击，冲击系数k为1.6～2.1，因此取最大载荷时，轴向冲击力Fmax为

轴向最大冲击约为43.5 kN，将其作为法兰面许用应力，安全系数n为［5］

式中：σ0为极限应力，即表3中抗拉力，［σ］为许用应力。根据测试结果可计算出，改进前试品1安全系数为1.22，改进后试品2安全系数为1.94。由此可见，改进后的减速机构安全系数提升，抗拉强度获得显著增强。

4.3 分合试验

经3 000次分合闸实验后，开关均分合到位，电机温升正常，减速机构及电机无异响，连接法兰固定良好。解体机构内部各元件无磨损或变形，如图4所示。可见改进后的减速机构运行稳定，实现了开关可靠运行的目标。

图4 分合实验后机构解体照片

5 结语

针对隔离开关两级减速机构脱离故障，通过电机负载实验、减速机构运行监测、法兰面受力分析三方面确认了故障原因，并提出减速机构的改进方案，通过拉伸试验和分合试验对改进后的机构进行验证，结果显示改进方案有效缓解了蜗杆运行时产生的轴向冲击，同时一、二级减速机构间连接强度亦获得增强，显著提高了隔离开关的运行可靠性。

同时，为避免类似问题重复出现，首先应加强隔离开关减速机构设计与制造过程中的间隙控制和标准控制，确保隔离开关可靠运行。其次应提高新投设备的验收全面性，验收时即观察运行是否存在异常，同时抽检其安装是否满足标准，便于及早发现隐患，确保投运后长久可靠运行。

［1］张琛，杨少选.高压负荷及隔离开关的电动操动机构研制［J］.铁道学报，1996，18（1）：123-126.

［2］陈磊.蜗轮蜗杆减速机常见故障及解决方法［J］.城市建设理论研究，2011（33）：22-23.

［3］闫冰一，李培军，张瑞娟.基于LabVIEW的挖掘机行走机构中减速机的振动检测系统设计［J］.液压与气动，2010（7）：70-72.

［4］闻邦椿.机械设计手册［M］.北京：机械工业出版社，2010.

［5］许本安，李秀治.材料力学［M］.上海：上海交通大学出版社，1988.

Fault Analysis on Reducing Mechanism Break-off of the Disconnector

LIU Liu，WANG Zhikun，SU Wen，GUO Yi，JIA Fengming
（State Grid Anhui Electric Power Maintenance Company，Hefei 230061，China）

As the main equipment of the power grid，the reliable operation of the disconnector is directly related to the stable operation of the power system.A two-stage reducing mechanism break-off fault of the disconnector is introduced.Causes of the failure are analyzed by working monitoring and force analysis.Improvement programs of the reducing mechanism are proposed，and the effectiveness of the scheme is verified by the tensile&action test，which provides references for the improvement of reducing mechanism manufacturing.

power system；disconnector；reducing mechanism；mechanism break-off

TM564

B

1007－9904（2017）05－0051－03

2016-12-08

刘流（1988），男，工程师，从事超特高压变电设备检修维护工作。