宝泉电站SFC启动母线隔离开关合闸故障分析及改造处理

康晓义，武 磊，郭玉春

（河南国网宝泉抽水蓄能有限公司，河南省新乡市 453636）

宝泉电站SFC启动母线隔离开关合闸故障分析及改造处理

康晓义，武 磊，郭玉春

（河南国网宝泉抽水蓄能有限公司，河南省新乡市 453636）

宝泉电站SFC启动母线隔离开关在运行过程中出现了操作电机与机轴传动齿轮打滑故障。本文详细分析了传动齿轮与机轴打滑的原因，并对机轴与传动齿轮间的固定配合方式进行了研究，在此基础上研制了新型结构的传动齿轮，经过实际应用，新的齿轮结构在可靠性、耐用性、经济性以及维护便利性等方面取得了显著效果。

抽蓄电站；启动母线分段隔离开关；传动齿轮；固定配合

0 引言

宝泉抽水蓄能电站工程位于河南省新乡市辉县境内，为国家重点建设项目，总装机容量4×30万kW。宝泉电站位于电网负荷中心，地处华中电网、华北电网、西北电网的交叉点和支撑点上，承担电网调峰、填谷、调频、调相以及事故备用等任务。与常规机组相比，启动母线隔离开关是抽蓄电站特有设备，在机组抽水方向启动过程中起到电气轴建立的关键作用，随着抽蓄电站在电网调节中作用的日益重要，启动母线分段隔离开关伴着机组抽水启动频次的增加而频繁分合，其操作可靠性直接关系到机组抽水工况启动的成功率及隔离开关设备的安全健康运行水平。

1 SFC技术与启动母线隔离开关设备功能简述

静止变频启动装置（SFC）是大型抽水蓄能电站的关键电气设备，变频启动是抽水蓄能电站的关键技术之一。SFC带动可逆式机组作为同步电动机运行启动平稳、迅速可靠、不存在失步问题，具有优异的调速性能，且成功率高、维护量小、自诊断能力强。大型抽水蓄能电站采用SFC启动为主、背靠背启动备用的混合启动方式能获得较高的可靠性和经济性。

宝泉电站配备1套SFC拖动设备由1～4号机组公用，一次接线见图1。SFC通过启动母线分别同各机组建立电气连接，构成一次拖动回路。其中1、2号机共用一单元启动母线，3、4号机组共用二单元启动母线。SFC至1、2号机组与3、4号机组间对称各设置一套启动母线分段隔离开关60GEV001JS、60GEV002JS。

SFC一次只能拖动一台机组，在SFC拖动机组过程中，启动母线隔离开关设备同SFC输入输出开关、SFC输出隔离开关、机组被拖动隔离开关一样，参与机组拖动流程，是SFC与被拖动机组一次拖动回路即电气轴建立的必要环节之一。此外，启动母线隔离开关还能起到电气隔离作用，当1、2号机组侧或3、4号机组侧任一侧启动母线或相关设备故障时，相应分段隔离开关可将故障点隔离，避免另一侧机组抽水方向启动受到影响。

图1 宝泉电站一次接线图Fig.1 Baoquan power station electrical wiring diagram

2 故障经过

11月11日4号机组抽水调相启动过程中监控报警：

03∶40∶19 60GEV_002JS_DT_C 002JS CLOSG ORD OVERTIME；

03∶40∶29 04GTA_001XV_DI_TRP UNIT MASTER TRIP GTA-001XV TRIPPED；

即启动母线3/4机侧隔离开关合闸超时，电气轴建立失败，机组转紧急停机。

现地检查发现启动母线3/4号机侧分段隔离开关60GEV_002JS控制柜面板上合闸与分闸指示灯均不亮，机械位置指示显示隔离开关本体既不在“分”位也不在“合”位，通过分段隔离开关观察窗发现隔离开关动触头在形成中间位置，隔离开关确未合上，母线内连杆机构未现异常，走近控制柜听到有电机转动的声音，打开盘柜后门透过间隙发现皮带处于松弛状态，电机机轴上传动齿轮脱落。由此判断，操作电机机轴传动齿轮脱落是造成本次隔离开关合闸失败的直接原因。

3 故障分析

SFC启动母线隔离开关操作联动机构包括控制盘柜、操作电机、传动齿轮、传动皮带、操作连杆、动静触头组成，见图2。隔离开关分合是由操作电机电动机轴传动齿轮旋转经皮带将动力传送至尺寸较大的中间传动齿轮，中间传动齿轮带动操作连杆机构带动隔离开关动触头动作实现隔离开关分合。

对脱落的机轴齿轮检查发现其尺寸较小（内径14mm），齿轮与机轴的固定连接主要依靠齿轮轴套与机轴在尺寸上的过盈配合实现固定传动，由于齿轮尺寸小，齿轮轴套较薄，而在机轴上开出的键槽（见图3左）对应轴套位置并没有固定键与之对应（见图3右），如此使得齿轮与机轴在键销固定方面存在设计及工艺上的缺陷，该工艺和设计缺陷是本次故障的最根本原因。

图2 分段隔离开关操作联动机构图Fig.2 Section disconnector operating linkage diagram

图3 机轴与传动齿轮拆分图Fig.3 Shaft and transmission gear split figure

4 处理方法探讨

传动齿轮常见的固定方式有采用过盈配合的热套工艺固定或者用键销固定也有用齿轮胶固定。其中过盈配合的热套固定方式工艺复杂，需要有专用的热套设备，在使用中一旦滑脱，用户因为缺少专业设备和专业技术人员，很难自行修复，只能通过更换备件来消除缺陷，并且需要将电机及齿轮一并更换，极大增加了消缺成本。同时，该种固定方式故障发生前期隐秘性较强，不易通过日常巡视检查提前发现故障隐患。使用键销固定方式，对于小型部件来说加工难度大，并且抗扭强度小，可靠性差。使用齿轮胶固定方式，最为便利，但在传动强度及耐用性上存在不足。由此得出，在现有的处理手段和条件下均不能达到设备运行高可靠的要求。必须通过改造来彻底消除现有的设计与工艺缺陷。

5 改造方案

鉴于以上三种工艺弊端和生产实际要求，该公司自行设计了新型的齿轮样式。新型的防滑脱传动齿轮装置，充分利用现有电机机轴存在键槽的现有结构，在原有齿轮结构基础上增加用于螺栓固定的齿轮台阶，如图4（左为设计图、右为实体图）结构所示，其中齿轮内侧的螺钉与机轴上的键槽配合可实现齿轮与机轴在轴切向的把固，同时在机轴轴端增加螺钉与垫片，实现齿轮的轴向固定。机轴传动齿轮改造前后装配对比如图5所示。

图4 新型机轴传动齿轮设计及实体图Fig.4 New machine shaft drive gear design and solid modeling

图5 机轴传动齿轮改造前后装配对比图Fig.5 Front and rear shaft drive gear assembly transformation comparison chart

6 新型齿轮优点

（1）克服了机轴与齿轮常规的键槽与销钉配合方式无法在小尺寸设备上有效应用所带来的设计与工艺难题。

（2）加工工艺简单，安装与维护便利，对人员技能及安装维护工具要求低，能够实现通过定期检查维护提前发现并消除齿轮打滑的潜在隐患。

（3）实现了机轴与齿轮在机轴轴向和切向的双向把固，极大提高了传动的可靠性和耐用性水平。

（4）当电机故障或齿轮故障时只需更换其一，极大节约了消缺成本。

7 结论

改造后的新型机轴传动齿轮装置优点突出，在运行一年多的时间里，没有发生过齿轮松动的现象，印证了其高可靠性。SFC启动母线分段隔离开关具有机械操作连杆机构器件多、操作频繁、对机械耐用性要求较高等特点，抽蓄行业曾出现过分段隔离开关运行中因轴套磨损，传动轴与固定件打滑、联动杆变形等动作故障。作为运维人员，唯有通过定期的检查维护以及必要的改造方能减少乃至避免故障的发生。

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［3］方书博，娄彦芳.宝泉抽水蓄能电站直流系统结构及运行方式分析［J］.水电与抽水蓄能，2016，2（1）：85-91.FANG Shubo,LOU Yanfang.Analysis of DC System Configuration and Operation Mode at Baoquan Pumped Storage Power Station［J］.Hydropower and Pumped Storage,2016,2(1):85-91.

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康晓义（1988—），男，大学本科，助理工程师，主要研究方向：抽水蓄能电站机电设备运行、维护、检修。E-mail：xiaoyi_kang1988@163.com

武 磊（1980—），男，大学本科，工程师，主要研究方向：抽水蓄能电站机电设备运行、维护、检修。E-mail：bqwul@126.com

郭玉春（1985—），男，大学本科，助理工程师，主要研究方向：抽水蓄能电站机电设备运行、维护、检修。E-mail：yuchun_guo@163.com

Baoquan Power Station SFC Start Closing Busbar Disconnector Failure Analysis and Transformation Process

KANG Xiaoyi, WU Lei, GUO Yuchun
(State Grid Henan Baoquan Pumped Storage CO.LTD, Xinxiang 453636, China)

Baoquan Power Station SFC start operation of the motor busbar disconnector appeared and transmission gear shaft slip fault during operation.This paper analyzes the transmission gear and shaft slip reasons fixed manner and with the shaft and transmission gears were studied, on this basis, developed a new type of gear structure, through the practical application of the new structure in gear reliability, durability, economy and ease of maintenance and achieved remarkable results.

pumped storage power station; start bus sectioning disconnector; gear; fixed

TV734.2+1

A 学科代码：570.2510

10.3969/j.issn.2096-093X.2016.05.013