LW10B型断路器密度继电器校验组件优化设计及测试

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(国网江西省电力公司检修分公司，江西　南昌　330029)

1　引言

SF6断路器作为新型高压电器开关设备，以其优越设计和稳定性能，在电力系统中得到了广泛的应用。SF6断路器气体回路的关键部件SF6气体继电器、校验阀由于设计、安装、维护等因素，导致环境温度改变而造成气体压力变化、波纹管损坏，造成密度继电器误动作，严重威胁设备的安全运行[1]。因此电力部门制定行业标准DL/T295-2012《SF6气体密度继电器校验规程》和国家电网公司发布的Q/GDW168-2012《输变电设备状态检修试验规程》规定：SF6气体设备使用单位，按照基准周期进行校验[3]。目前SF6气体密度继电器检验工作已经在电力系统广泛普及，但要求相应电气设备必须停运、采样信号线构成闭合回路、拆卸校验造成漏气等问题[3]。为了确保电力设备安全运行，《国家电网公司十八项电网重大反事故措施》规定：断路器满足不拆卸校验密度继电器及户外安装密度继电器应设置防雨罩要求；密度继电器必须与断路器本体处于相同运行环境[7]。

因此对现场SF6气体密度继电器检验工作的改进，提高电力生产效率重要手段，具有重要现实意义。

2　LW10B型SF6断路器校验接头现状分析

2.1　LW10B型断路器密度继电器基本结构

LW10B型断路器密度继电器，由于气体泄漏而造成压力下降时，仪表的指示也将随之发生变化；直至继电器触点接通，上传报警和闭锁信号。断路器SF6的密度继电器及接头与相应的操作机构箱单元处于联通状态，与断路器本体运行环境温度不同。当环境温度变化时，断路器内SF6气体压力产生变化；由于机构箱中加热器及密封保温措施，仪表内的温度补偿元件对其变化量进行补偿，使仪表指示与实际不同。现场如需校验或更换密度继电器，要将外罩拆除后(见图1)，把与断路器相连三通阀球阀关闭，然后将密度继电器从三通连接头上拆卸即可[8]。

图1　LW10B型断路器密度继电器

2.2　LW10B型SF6断路器密度继电器存在问题

LW10B型断路器SF6气体密度继电器组件设计复杂，且校验装配接头与断路器的充气口、微水测试口以及气体关断阀都在同一位置[9]。在日常运行检修及校验过程中，技术人员根据现场使用经验，总结出存在如下隐患：

(1)密度继电器校验装配接头校验过程，需要额外对气道进行开闭操作，存在阀门未开启的误操作，影响SF6密度继电器不起作用的安全隐患[10]。

(2)对密度继电器进行校验和断路器充气、微水测试等，拆解接头触动断路器SF6气路密封，存在增加断路器气路渗漏点隐患。

(3)SF6断路器密度继电器与机构箱处于同一密闭环境中，机构箱中有加热器及保温措施。当外界温度变化时，密度继电器会因为补偿而误报警和动作。

3　LW10B型SF6断路器校验接头改良设计

3.1　LW10B型SF6断路器校验组件设计

针对上述问题，经过检修人员设计与试验，最终确定采用以下方法对断路器密度继电器连接组件进行改良设计。首先、取消原断路器机构箱上密度继电器结构框架和箱罩，在液压机构箱上设计过渡板(含有4 个φ12尺寸安装孔)。其次、需对原密度继电器校验装配接头结构进行改造。再者、在密度继电器外增设防雨罩。上述文中校验组件装置设计，主要由连接管路及校验接头、密封橡胶板、防雨罩等方面组成。改造整体结构设计如下：

(1)连接管路及校验接头设计。在液压机构箱上将原孔由φ10 扩钻成φ12，用于安装SF6气体密度继电器与断路器本体连通管路(见图2)。与此同时，在扩孔处采用O型密封圈，避免连通管和阀体连接的气路导致断路器机构箱进水受潮；另外，将面板焊装固定在机构箱侧板后；还需在面板开φ75孔用于穿密度继电器信号电缆。

图2　连接管路及校验接头结构图

本文中设计的开闭式校验接头[11](见图3)，具有自动校验功能，可以彻底防止误操作，无需另行对气道进行开闭操作，就可以实现对密度继电器进行校验，同时可取消开启和关断标识，使得试验人员现场校验不需要拆卸密度继电器；所有阀门式接头均按照LW10B型SF6断路器接口尺寸设计，确保阀门开关可靠和通用，还能够在同一接口对LW10B型SF6断路器补气和气体成分测试，减少断路器SF6气体系统连接面，保证电力设备可靠性和提高电气作业安全性。

(2)过渡面板设计。断路器设备在户外运行，在取消原密度继电器外罩后，采用过渡面板可保证断路器机构箱在运行时不受外界潮湿环境的影响和安装固定断路器密度继电器校验接头。因此在断路器机构箱与SF6气体密度继电器间特制过渡板并在四周涂抹密封胶的措施，在过渡板内垫橡胶密封圈。投制过渡板(材料钢板)尺寸如图3所示。

通过设计4个φ11的螺栓固定孔将过渡面板安装在机构箱上； 为了将密度继电器校验接头装配固定在过渡面板上，另行设计4 个φ10的接头连接孔。根据表计电缆尺寸，电缆波纹管接线端子安装在过渡面板上，在面板连接处按“开孔位置及尺寸” 设计、安装O型密封圈。改造后的结构使得密度继电器外露，能够有效的防止密度继电器处于原结构的箱罩形成的小环境，能够消除昼夜温差较大，造成密度继电器误报警现象[13]。

图3　过渡面板尺寸设计图

(3)防雨罩设计。由于上述改造，使得密度继电器在户外环境中安装运行。因此设置防雨罩将表计、控制电缆接线端子放入，防止指示表、控制电缆接线盒和充气接头进水受潮。本文中结合LW10B型断路器密度继电器测量外观尺寸设计出包裹住密度继电器表的外罩；防雨罩后部设由安装底座并配有安装螺丝(见图4)。通过安装螺丝将防雨罩、控制电缆固定于过渡面板，以防止运行中设备松动。另外防雨罩镂空设计，确保设备不受潮，还能在自然风对流下及时将继电器外表干燥；能很好解决户外SF6密度继电器及二次接线盒进水受潮的问题，提高设备运行的可靠性。

图4　防雨罩结构图

根据高压设备场地运行工况为边界条件，利用Solidworks软件建立防雨罩装配体有限元分析模型(见图5)，在基体法兰集成开发环境下对防雨罩装配体结构参数进行了优化设计，并分析了设计参数对防雨罩所受静态位移、剪切应力变形的影响[15]。结合现场结构及环境要求，对钣金特征参数目标优化后，防雨罩装配体最佳结构参数为厚度2mm，折弯半径15.24mm，释放槽比例0.5。

图5　防雨罩模型约束受力分析

本文改造设计效果(见图6)，取消原断路器机构箱密封框罩，将密度继电器置于与断路器本体温度相同的环境中，可解决机构箱内外温差过大发生密度继电器误报警的故障。通过将面板焊装固定在机构箱侧板上，接线端和气体管路安装在弯板上，箱体开孔处防止进水。由于密度继电器固定于机构箱外壁，防止感温包被日光直射，另行增加设计防雨罩，证了断路器的安全稳定运行。

图6　断路器密度继电器改造后效果图

3.2　密度继电器校验组件主要技术指标和性能

本文中所设计的方案中，SF6密度继电器自动校验装配接头不用拆卸就能对自动对SF6气体密度继电器进行方便校验或更换，微水和充气口设计人性化，可以方便的对SF6断路器进行微水测量和补气，为检修人员的操作带来方便。本设计方案中关键问题是装配接头必须采用多重密封[15]和密度继电器采用防雨罩，确保运行安全。同时，对断路器机构箱连接处采用保护密封面和密封圈的设计方式，不影响断路器机构箱二次元器件的环境性能要求，能确保SF6断路器的安全运行。其主要性能指标为：

(1)环境温度影响。当环境温度在-15℃～55℃范围内变化时，校验组件应能工作正常。

(2)机械振动。当振动频率在10～60Hz，振幅为0.15mm和60～500Hz、加速度为20m/s2情况下，校验组件在三个相互垂直的平面上各承受1h的振动，装配接头密封性能良好。

(3)冲击。当冲击的加速度为500mm/s2、持续11ms，校验组件在三个相互垂直的平面上各承受三次冲击情况下，校验组件无漏气。

(4)密封性能。装配接头在标准大气压力下年泄漏量不大于0.02g。

(5)运输环境温度。装配接头在运输包装条件下，经受高温为60℃和低温为-25℃的运输环境试验。试验后，装配接头的性能良好。

(6)外观。装配接头的表面光洁平整，颜色均匀，不应有明显伤痕缺损；装配接头的标志应鲜明、清晰；装配接头的紧固件不得松动、脱落。

(7)材质。采用材料具备抗氧化、防腐蚀能力；不应有虚焊﹑折裂和机械损伤等问题。

4　现场性能测试

笔者对文中改造方案结合现场多次研讨，根据现场多次运用和改进，最终对断路器密度继电器校验组件各部分设计生产成品(见图7)，充分解决LW10B型断路器密度继电器组件现在运行及校验存在问题。

图7　断路器密度继电器改造后现场运行图

现场校验运行设备时，将SF6气体密度继电器校验仪通电预热并静置30分钟，以使SF6气体密度继电器校验仪与被检SF6气体密度继电器的温度相一致。为了对比运行环境温度与密度继电器指示准确度等级，对压力指示值进行校验[15]，测量密度继电器主要技术指标，结果如表1所示。

温度补偿误差由式(1)计算得出：

Δ1=±(δ+K1Δt)

式中,Δ1为环境温度偏离20℃的温度补偿误差值；K1为温度补偿系数为0.0002℃；Δt=|t1-t2|；δ为指示准确度等级为1时，其允许误差±1%。

表1　不同环境温度下的气室校验结果

由现场测试结果，可以发现随外界温度变化时，由于断路器气室与密度继电器同一运行环境，不会因为补偿性能造成压力指示值偏差过大。现场校验操作简单、便利，同时也解决LW10B型断路器密度继电器原设计需要停电拆卸校验的局限性及连接面气体泄漏[15]问题。

5　结论

通过分析LW10B型断路器密度继电器校验组件结构，江西省电力公司检修分公司修试设计出了一种新型断路器密度继电器校验组件组件，对现存运行进行改良设计及完善化处理。一方面可以消除现场检验工作时拆卸SF6气体管道和接头工作量，即减少SF6气体泄漏的机率；另外从根本上解决密度继电器与断路器本体处于非同一运行环境，温度补偿造成误报警和动作的问题。

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