3AP2—FI型断路器FA5操动机构壳体开裂原因分析及整改措施

秦秉东 张 晨 阮彦俊 赵伟杰

3AP2—FI型断路器FA5操动机构壳体开裂原因分析及整改措施

秦秉东1张 晨1阮彦俊1赵伟杰2

（1. 中国南方电网有限责任公司超高压输电公司广州局，广州 510000； 2. 中国南方电网有限责任公司超高压输电公司昆明局，昆明 650000）

断路器是交直流输电系统中的关键设备，在交直流输电系统的运行中，断路器设备不仅故障频次高、故障类型繁多，故障原因也尤为复杂，深究断路器的机械原理，分析断路器的故障原因并提出相应的改进措施对直流系统的正常稳定运行尤为重要。本文对某换流站500kV 3AP2—FI型断路器FA5操动机构的壳体开裂进行原因分析和整改策略研究。通过对异常断路器机构解体检查，基于设备的机械原理分析和解体检查现象，分析得出断路器操动机构壳体开裂是由断路器储能电动机输出功率偏大导致。针对异常原因，本文给出相应的整改措施，并通过试验验证了其可行性和有效性。

断路器；操动机构开裂；储能电动机

0 引言

断路器是交直流输电系统中用于接通和开断电流的关键设备，500kV高压断路器由于所需操作功大，往往设计复杂，机械零部件繁多且结构配合精巧，导致断路器在运维过程中故障频次高、故障类型多且故障原因复杂[1-3]。断路器的运行可靠性很大程度上取决于其操动机构的可靠性，故障统计结果表明，断路器操动机构故障导致的电网事故严重影响电网的安全稳定运行[4-6]。

目前，国内外针对不同类别断路器操动机构的常见故障均进行了深入的探讨研究，3AP2—FI型断路器作为500kV高压断路器的常用选型之一，其FA5操动机构由于机械部件配合和力学传递关系精巧，易出现机械机构异常情况且难以分析[7-11]。

本文针对南方电网某换流站出现的3AP2—FI型断路器FA5操动机构壳体开裂事件，进行机构的机械动作原理分析，结合机构解体检查现象，确定开裂事件是由储能电动机输出功率偏大引起。通过对电动机参数的选型和改进电动机工作原理来避免该类异常再次发生，试验及现场应用结果验证了改进措施的可行性和有效性。

1 机构储能原理

3AP2—FI型断路器采用FA5弹簧储能机构，其储能工作原理分析如下：储能起始，电动机得电起动，带动齿轮运转，固定在大齿轮盘上的顶杆（见图1中部件4）沿小凸轮（见图1中部件5）外轮廓进行逆时针运动，直至作用在小凸轮的卡槽处，并推动小凸轮运动，如图1（a）所示。

图1 储能过程各元件相对位置

由于小凸轮固定在储能轴上，小凸轮的运动将带动主轴转动进行合闸弹簧压缩，弹簧压缩至要求值时储能完成，同时电动机通过辅助开关切断，而顶杆在三角板（见图1中部件1）的作用下从小凸轮的卡槽处滑出，使大齿轮与储能轴分离，如图1（b）所示。合闸弹簧在正常完成储能过程时，储能拉杆会过死点并被合闸脱扣器顶住，合闸弹簧中储存的能量被有效保持[12-14]。

完成储能后，顶杆由于惯性将继续转动一段行程后停止，此时定义顶杆与三角板间角度为储能后过冲角度，如图1（c）所示。

当断路器得到合闸指令后，通过合闸脱扣器的动作，使合闸弹簧释放能量，固定在储能轴上的大凸轮会逆时针转动，在带动分闸弹簧储能的同时完成灭弧室的合闸动作，多余的能量会被合闸缓冲器吸收，但由于惯性，大凸轮会多转动10°～20°后回摆，同时也会带动小凸轮进行回摆，此时定义顶杆与小凸轮间角度为，如图1（d）所示。

2 异常现象及原因分析

近期，某±500kV换流站发现多起3AP2—FI型断路器FA5操动机构壳体开裂事件，裂纹位置均处于操动机构箱背面大储能齿轮下方、分闸线圈并联电阻右侧，如图2所示。

图2 裂纹操动机构

图2所示出现异常的3AP2—FI型断路器采用FA5型操动机构，已投运7年，动作次数为385次。该换流站共有同类断路器操动机构162台，为进一步查明异常原因，本文对异常机构开展解体检查，以期分析异常原因。

2.1 操动机构铸件壳体材质检查

首先对出现裂纹的壳体铸件进行相应的材质检测，除已经产生的裂纹外，其余区域的探伤检测未发现异常，壳体材质的化学成分、硬度和伸长率均符合要求。基于检测情况，确认壳体铸件本身材质问题不是造成壳体裂纹的原因。

2.2 小凸轮卡槽异常磨损

对操动机构进一步解体检查发现，出现壳体裂纹的异常机构均存在类似异常点，即操动机构储能齿轮小凸轮卡槽处存在异常磨损，如图3所示，而其他操作次数接近的正常机构，小凸轮卡槽表面均完好，依此可判定壳体出现裂纹与小凸轮卡槽表面的异常磨损存在重要关联。

图3 小凸轮上的明显磨损

2.3 原因分析

1）操动机构裂纹直接原因分析

基于前文所述机构储能原理，在储能过程中，储能拉杆尚未过死点时（未完全储能状态），储能拉杆无法被合闸脱扣器顶住，如顶杆（见图1中部件4）与小凸轮（见图1中部件5）间由于接触面间存在异常磨损导致突发性滑脱，在合闸弹簧已储存的部分能量的驱动下，储能拉杆反向运动，此时合闸弹簧中储存的能量仅有一个去向，即拉动机构直接反向击打在合闸缓冲器上，并通过轴承将压力最终作用至壳体本身。此时合闸弹簧中储存的能量超出合闸缓冲器所能承受的限值，能量扩散至机构壳体，进而造成机构壳体开裂。此分析结果也从壳体裂纹区域位置为合闸缓冲器背部得到印证，如图4所示。

图4 壳体裂纹区域

因此可以判断造成此类操动机构壳体开裂异常的直接原因为：小凸轮的异常磨损增大了离合装置在储能过程中滑落的可能性。一旦小凸轮在储能未过死点时滑落，大储能齿轮在合闸弹簧的拉力下向反方向运动，直接反打在合闸缓冲器上，合闸缓冲器储能超过阈值，多余能量无法被有效释放，最终造成机构壳体开裂。

2）小凸轮尖角边缘磨损原因分析

机构完成储能过程后，若储能后过冲角度过大，即顶杆与小凸轮间角度过小，距离过近，在机构合闸后小凸轮将存在回摆，过小可能导致小凸轮回摆时，小凸轮尖角直接撞击顶杆，由于顶杆的硬度（30～38HRC）大于小凸轮的硬度（20～28HRC），进而导致小凸轮卡槽的边缘受损。

由于合闸后小凸轮回复至图1（d）所示位置，因此可以认定在储能后顶杆与小凸轮角度至少应大于60°，即顶杆与三角板间角度（储能后过冲角度）小于120°为安全区域，可以防止小凸轮卡槽边缘与顶杆碰撞。

因此，小凸轮尖角边缘磨损原因可确定为：储能电动机输出功率偏大，导致其转速过快，过死点后虽然储能回路断电，但电动机及一级和二级减速齿轮的惯性偏大，使得顶杆停止角度超过安全区域。顶杆与小凸轮间角度过小，距离过近，在小凸轮回摆时，小凸轮尖角直接撞击顶杆，从而导致小凸轮卡槽的边缘受损。

3 整改措施

根据异常原因分析结果，对储能电动机进行升级，采用合理降低其输出功率的整改措施。升级后的新型储能电动机应满足如下设计要求：

1）能够有效控制FA5机构的储能过冲角度，使得储能后顶杆过冲角位于120°以内的安全区域。

2）在低电压、额定电压、高电压下，新型储能电动机在最大扭矩（储能弹簧压缩65%）及储能弹簧压缩90%的情况下均能成功中程起动。

3）额定电压下储能时间小于等于20s。

4）在低电压、额定电压、高电压下，该电动机换向器产生的火花在正常范围内。

由于复励电动机综合并励式电动机和串励式电动机的优点，既能保证良好的机械特性，又能保证其安全运行[15]。因此本文选用复励电动机作为新型电动机，所选电动机规格参数：额定电压为AC/DC 220V，额定功率为580W，额定转速为5 000r/min，型号为HDZ—25850BL。

为验证新型电动机的储能功能，对其开展验证测试，具体测试项目如下：

1）电动机储能过程的电流、储能时间和储能后过冲角度的测量。

2）在低电压、额定电压和高电压下分别测试储能弹簧压缩65%时的中程起动情况（最大转矩）和储能弹簧压缩90%时的中程起动情况。

3）进行80次储能循环操作，记录储能时间，并观察储能过程有无异常。试验数据见表1。

表1 试验数据

由试验现场数据可知，新型复励电动机在低电压（AC 187V）、高电压（AC 242V）、额定电压（AC 220V）下完整储能及中程起动后顶杆过冲角均不大于12.5°（要求小于120°），且换向器火花均正常。新型复励电动机在额定电压（AC 220V）的储能时间均不大于19s（要求不大于20s）。试验相关图片如图5所示。

试验结果表明，按照设计要求升级后的新型复励电动机能有效抑制电动机的过冲角度并满足其他所需功能，充分证明了原因分析结果的正确性和整改措施的可行性与有效性。

目前已将新型复励电动机用于该±500kV换流站共计162台断路器操动机构，更换后162台断路器操动机构储能后过冲角度均小于30°，且未再出现储能机构开裂的情况。

4 结论

本文针对某换流站500kV 3AP2—FI型断路器的FA5操动机构开裂事件，通过对异常断路器机构的解体检查，判明断路器操动机构开裂主要由断路器储能电动机输出功率偏大导致。针对上述问题，本文提出采用一种新型复励储能电动机，并对电机提出了参数设计要求，通过试验验证了该新型电动机能有效减小过冲角度，在后续的实际应用中，162台断路器操动机构在更换新型电动机后均没有再出现储能机构开裂的情况，验证了整改措施的可行性和有效性，从而提高了直流输电系统运行的可靠性。

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Cracking reason analysis and rectification measures of FA5 operating mechanism in 3AP2—FI breaker

QIN Bingdong1ZHANG Chen1RUAN Yanjun1ZHAO Weijie2

(1. Guangzhou Bureau of CSG EHV Power Transmission Company, Guangzhou 510000; 2. Kunming Bureau of CSG EHV Power Transmission Company, Kunming 650000)

Circuit breaker is the key equipment of power transmission system. In the operation of power transmission system, circuit breaker has not only a high frequency and various types of faults, but also particularly complex faults causes. Analysis and corresponding improvement measures of circuit breaker faults are particularly important to the operation of DC system. The failure cause analysis and rectification strategy research on the shell cracking of the FA5 operating mechanism of a 500kV 3AP2—FI circuit breaker in a converter station are carried out. Based on the mechanical principle and disassembly inspection phenomenon analysis, it is concluded that the operating mechanism cracking is caused by excessive power of the energy storage motor. Aiming at the cause of failure, this paper proposes corresponding improvement measures, and the feasibility and effectiveness of the improvement measures is verified by tests.

circuit breaker; cracking of operating mechanism; energy storage motor

2020-11-27

2020-12-31

秦秉东（1991—），男，硕士，工程师，主要从事高压设备现场状态评价及维护、修理工作。