南通供电公司 江苏省南通市 226000
摘要：GIS组合电器设备在现今的电力系统中得到了非常广泛的应用。本文根据对110kV姜中变GIS断路器储能电机空转故障的处理分析，确定原因为合闸弹簧长期处于形变受力状态产生蠕变及应力松弛，提出对于此类故障的检测方法和预防措施，保障GIS断路器设备安全可靠运行。
关键词：GIS组合电器；弹簧性能；故障处理；预防措施
Fault Treatment and Preventive Measures of Spring Performance Decline in GIS Circuit Breaker Operating Mechanism
GONG Bin，XU Huaze，YUAN Song，Zhou xinyang，JIANG Hui
（Nantong Power Supply Company Nantong Jiangsu 226000）
ABSTRACT：Gas insulated substation has been widely used in today's power system.Based on the analysis of GIS circuit breaker energy storage motor idling fault of 110kV Jiangzhong substation，the reason is that the closing spring has the creep and stress relaxation in the deformation force state for a long time.This paper puts forward the detection method and preventive measures for such fault，to ensure the safe and reliable operation of GIS circuit breaker equipment.
KEY WORDS：Gas insulated substation；Spring Performance；Fault Treatment；Preventive Measures
引言
GIS组合电器设备在现今的电力系统中得到了非常广泛的应用。GIS断路器是变电站的重要设备，担负着控制和保护电路的双重任务，需要其在进行操作或发生事故时能够迅速动作，接通或切断电源，对于可靠性的要求非常高。据国际大电网会议（ＣＩＧＲＥ）以及国 内有关部门对断路器故障的统计，占比50%以上的断路器故障都是由于操动机构故障所造成的。因此，加强对于断路器操动机构的检查和监督对于保障断路器的正常工作乃至电网的安全运行具有重要意义。弹簧操动机构断路器中，操作弹簧作为断路器的操作动力对其运行性能及可靠性具有重要作用。本文根据对110kV姜中变GIS断路器储能电机空转故障的处理分析，确定原因为合闸弹簧长期处于形变受力状态产生蠕变及应力松弛，提出对于此类故障的检测方法和预防措施。
1.故障处理
2017年5月19日，在110kV姜中变1号主变技改工程进行过程中，对110kVGIS断路器调校保护动作时，发生储能电机始终运转的情况。检修人员到达现场后，发现断路器处于半分半合位置，合闸弹簧未完全释放，即被机构及开关本体的阻力止停在半释放状态，造成储能电机一直空转。现场表现为储能过时保护动作。
110kV姜中变的GIS是新东北电气有限公司生产的ZF6-126型，该断路器为弹簧结构。这起故障的表象具有很强的迷惑性，故通过本文对此次ZF6-126型GIS断路器的故障处理过程进行阐述。处理方法为断开电机电源，用千斤顶向合闸方向顶主输出拐臂，使主拐臂超过最大阻力点实现合闸。后又根据厂家要求，对合闸弹簧预压缩长度进行调整，再次送电后该故障现象排除。
2.原因分析
之所以造成断路器处于半分半合位置，而储能电机一直动作直至电机超时保护动作，其原因分析如下：
首先，合闸弹簧由于蠕变及应力松弛，造成合闸弹簧在释放能量时势能及动能下降，使装在储能轴上的凸轮在快速顺时针转动后，撞击到主拐臂（由内、外拐臂组成）速度及力量均不足以使内拐臂完成全程逆时针转动，最终为合闸保持掣子保持在合闸位置，而只能够使拐臂转动至未到合闸终了的位置，这时合闸弹簧已释放了大部分的势能，而与之相对应的分闸弹簧被压缩得到一很大势能，此两个势能对应于主拐臂来说是作用方向相反的一对势能，合闸弹簧的合闸力，与分闸弹簧的分闸力及摩擦力之和趋于平衡时（此时主拐臂与凸轮相互作用紧密接触），将使主拐臂静止在未到合闸终了的某一位置，造成断路器半分半合。
其次，由分闸弹簧已被压缩储能，这样则造成主拐臂对凸轮作用非常大的使棘轮逆时针转动的力，此时由于储能微动开关已动作，电机转动带动齿轮推动棘爪，棘爪在推动棘轮时，由于抗力过大，每次的推动均不能上齿，使棘轮不能转动，这样最终使“储能超时”保护动作，将储能电流的空开跳闸。该事故现象很容易使处理人员认为是储能系统故障，造成事故处理的偏差，值得现场操作人员注意。
3.弹簧特性分析
通过对上述姜中变GIS事故案例的分析，不难看出，该事故的直接起因，是合闸弹簧产生蠕变及应力松弛，但间接原因则是，以目前的常规试验手段无法发现该弹簧已发生应力松弛或蠕变，其原因如下：
（1）断路器合闸后，无异常状况时将一直处于合闸位置，直到下次停电检修时，在此过程中，分、合闸弹簧将处于拉伸或压缩的形变受力状态，而现在系统运行环境与以往相比大大提高，这就造成断路器始终处于合闸状态，分、合闸弹簧处于形变受力状态5-6年甚至更长，在此过程中，弹簧发生蠕变或应力松弛将毫无察觉。
（2）目前，对投运10年以内的断路器，一般对其机构性能考核的试验，只有最低动作电压及分合闸时间、同期性（真空断路器会加合闸弹跳）等电气试验，这些试验基本不能发现弹簧蠕变或应力松弛的问题。
因上述原因，在断路器日常检修过程中，加入速度曲线的测量就尤其重要，通过对比该断路器的标准分合闸曲线、出厂试验中的分合闸曲线、以往及本次的分合闸曲线及速度对比，可以从中发现弹簧的蠕变及应力松弛的缺陷。但系统中停电检修的时间间隔往往又是不固定的，如何确定该厂家、该型号的断路器何时需要进行停电检修、测速？在这里提出结合弹簧特性曲线分析的思路如下：
断路器的分、合闸的速度是由弹簧储能后势能的大小，也就是弹簧释放时力的大小决定的，当弹簧长期处于变形受力状态，必然在某一时间拐点（G）处释放的力F开始下降，当曲线下降低于合格线标准后，其断路器分、合闸速率必然将不合格，而实际弹簧应力-受力时间曲线（图2）和实际断路器分、合闸速率-受力时间曲线（图4）的试验，由弹簧生产厂家根据自身弹簧的材质特点及工作状态予以提供。这样用户就能根据图2和图4中曲线在F或V曲线低于合格标准之前，将断路器停电检修、测速，并根据结果进行调整，就可以避免该类事故的发生。
在最后还应提醒弹簧厂家，在调整弹簧的预拉伸（压缩）长度时，应该标示出实际弹簧应力-拉伸（压缩）长度曲线（图6）的性能图，以防止多次过度调整已无效的分、合闸弹簧。
4.预防措施
通过上文对于弹簧操动机构断路器分、合闸弹簧特性曲线分析可以看出，了解分、合闸弹簧性能随着受力时间和拉伸（压缩）长度变化的数据非常重要，利于检修人员调整断路器操动机构检修周期以及判断分、合闸弹簧的性能状况。而通过查找目前公司入网设备断路器厂家所提供的断路器技术资料，发现并没有断路器厂家对出厂的弹簧操动机构断路器所采用的分、合闸弹簧分断次数、使用周期、断路器正常分合需要弹簧多大的弹力等特性进行说明，更加不会提供本文所分析提出的分、合闸弹簧特性曲线。而目前国家电网公司实行集中招标后，设备价格方面所占比重较大，可能会造成某些断路器厂家为了节约成本，在生产断路器的过程中使用采购价格相对较低的零部件，如分、合闸弹簧等，造成断路器设备整体部件质量下降，影响设备使用的可靠性。
综上所述，本文针对预防GIS断路器操动机构弹簧性能下降故障提出以下措施：
严把设备入网关，要求断路器厂家提供断路器所配弹簧机构中操作弹簧的技术资料，对分、合闸弹簧的特性进行说明，最好能给出本文所分析提出的分、合闸弹簧特性曲线，便于检修人员调整断路器操动机构检修周期以及判断分、合闸弹簧的性能状况。
在对于弹簧操动机构断路器例行检修的过程中，要加强对于操动机构部分的维护，特别要重视对于齿轮、链条、轴承、轴销、弹簧筒等转动和直动产生相互摩擦部位的清洗和润滑工序。
在对于弹簧操动机构断路器例行试验的过程中，要加强对于断路器分、合闸速度的测试试验，通过分、合闸速度试验数据判断分、合闸弹簧的疲劳程度，对于分、合闸速度不合格的断路器应该及时调节操作弹簧预拉长度或更换相应弹簧。
对于运行时间较长的弹簧操动机构断路器，要加强对于断路器操作弹簧的抽检工作，及时发现问题进行处理，预防由于分、合闸弹簧长期受力性能下降所造成的断路器故障。
5.结语
通过以上的分析可以发现，GIS断路器弹簧操动机构中，由于操作弹簧长期处于压缩或拉伸的变动载荷下工作，随着断路器服役年限的延长，机构操作弹簧疲劳影响断路器机械特性和开断能力的问题将逐渐突出。轻者造成操动机构不能合闸，影响电力系统供电；重者分、合闸速率达不到标准要求，引起断路器爆炸等事故。所以为了保障电力系统的可靠运行，杜绝此类事故的发生，需要加强入网设备操作弹簧的品质管控，强化对于弹簧操动机构的检查维护，重点做好操作弹簧的测试、抽检工作，对老旧设备进行定期更换，确保设备安全可靠运行。
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论文作者:龚彬,徐华泽,袁松,周鑫阳,江辉
论文发表刊物:《基层建设》2017年第36期
论文发表时间:2018/4/3
标签：弹簧论文; 断路器论文; 机构论文; 应力论文; 曲线论文; 储能论文; 操作论文; 《基层建设》2017年第36期论文;