高压断路器液压机构内漏隐患分析及防治

【摘  要】液压操动机构在现今高压断路器的应用日趋广泛。本文以一起断路器因液压机构内漏闭锁开关分合闸的事件为引子，结合相关材料介绍了分析内漏缺陷的技术方法，并通过后台数据收集及测算介绍了挖掘液压机构潜在内漏隐患的方法。研究结果对于提前预防类似的内漏隐患，保障电力系统的安全稳定运行具有重要意义。

【关键词】液压操动机构;工作缸内漏;液压机构信号监测;后台大数据分析

0 前言

高压断路器是电力系统中输变电最重要的设备之一，在电力系统中起到控制和保护作用。断路器操作机构是供断路器使用的电气控制设备，其中液压机构是目前高压断路器配备较广泛的操动机构之一。据统计本单位在运的GIS设备中，110kV及以上配备液压机构的断路器占比达30.8%，220kV及以上配备液压机构的断路器占比达69.5%。而液压机构故障引发的重大及紧急缺陷中，以机构渗漏油、打压异常为主。统计近两年的生产管理系统液压机构缺陷中，上述两项占比达90%以上。

如机构存在内漏隐患并在较短时间内油压快速降低，造成机构发出“低油压报警”信号、“低油压闭锁”信号闭锁开关分合闸时则需要紧急临时停电处理，同时会造成扩大停电范围或解锁操作方能隔离。可见，针对液压机构内漏隐患的研究是有紧迫必要性的。本文针对内漏产生的原因及隐患发掘防治进行了探讨及分析。

1 事件引子

2018年9月6日，调度通知220kV某变电站#2主变变中1102开关后台发“低油压闭锁”、“低油压报警”信号。现场隔离后经检查发现机构显示未储能，并伴有明显烧焦味，机构箱内未见渗漏油现象。经测量储能电机烧损，更换电机后打压至1/3时无法继续建压，综合判断机构存在内漏缺陷。该机构运回基地解体后，检查其管路间的密封部位及密封O型圈并无明显的结构性破损，进一步检查发现工作缸体内部有两处裂纹，分别在碟簧与工作缸体连接处，及高压油路节流阀处。

2 液压机构内漏分析方法

液压机构出现内漏，即因高低压油路间的密封不良而导致。而高低压油路的直接导通则会引起如上述事件的压力短时间内快速下降而电机长时间运转而无法建压，开关闭锁分合闸的情况。上述机构经解体后，发现其缸体上的两处裂纹，裂纹深度是否贯穿导致了高低压油路的导通，此处缺乏检测并不能断定。但通过对历史的内漏缺陷的分析，并结合相关文献，可以总结有效的分析方法及思考方式。

2.1排查设计原因

首先，需排除工作缸厚度或组件设计缺陷的干扰。因现有设备液压机构的工作缸多为进口的集成式一体化缸体，而合资厂方配置不同的组件会导致其密封不良或局部过压，如ABB原厂针对110kV液压机构HMB-2系列液压机构的碟簧配置为6片，而国产厂家的碟簧配置为7片，可合理怀疑上述碟簧与工作缸体连接处是因裂纹若管路间夹层厚度设计与碟簧配置失配，导致其缸体的无法满足在储满压状态下碟簧连接处的应力。长期挤压式缸体产生裂纹并逐渐加深形成内漏。

2.2检查油路密封件

在对该型机构（ABB HMB-2）进行拆解的过程中，发现高压油路的密封件由聚四氟乙烯（PTFE）密封圈以及尼龙平垫构成。聚四氟乙烯密封圈因其化学稳定性、热稳定性、抗摩擦性及自润滑性良好而杯广泛应用于液压密封中。但当油质劣化或存在杂质以及操作中的局部过压易导致其密封件损坏，从而导通高低压油路。例如在活塞杆密封部位，其上下两端在分闸位置时两端分别承受高低压力，一旦密封件损坏则内漏直接导通高低压油路而发生压力快速下降直接闭锁开关的事件。因此当机构发生内漏解体检查时，需检查机构油路密封处的密封件是否存在结构性破损。

2.3检测缸体铝合金材质

机构油路管壁材质为7系铝合金材质，7系铝合金为锌铝合金，其中加入了少量的镁和铜，有很高的硬度，常用于飞机构架及高强度配件。但如铝合金材质不合格则会导致强度、硬度不足导致其无法长期承受油路高压，并产生裂纹。，此时需检测本批次产品的金属成分，并对其进行机械、物理、化学、腐蚀、磨损试验和无损检测以及工艺性能试验，而在发生内漏后，如需确定该裂纹是否贯穿并导致了内漏隐患，需对裂纹进行金相组织检测[2-6]

表 1 液压缸体铝合金材质检测方法

通过对裂纹样块进行金相分析，在高倍数显微镜下观察其裂纹的走向以及延申的趋势。可直观的观察出其是否贯穿。[3]

2.4开展机械特性试验、检测分合闸应力云图

通过查阅相似情形的分析报告，可见550kV开关的液压机构合闸状态下，工作缸等效应力都分布集中在高压腔内壁，平均应力为130Mpa 左右，最大应力为283Mpa左右，分闸状态下，平均应力为130Mpa 左右，最大应力为250Mpa左右。

液压机构高压油路因分合闸过程中进行开关特性试验可检测开关在分合闸过程中的瞬间速度并计算其操作功以辅助判断，或如上述分析报告中以检测分合闸过程中的应力云图的方式，如操作功过大使机构长期受应力是有可能导致产生局部过压而使管路产生裂纹。[7]

2.5检测活塞杆及工作缸中心长孔加工公差

高低压油路在工作缸中心长孔的密封尤为关键，发生过因活塞杆应力磨损损坏密封后后产生内漏的相似事件，而工作缸中心长孔主要由长孔的加工及活塞杆的加工为主。加工管路或活塞杆时，车床刀头产生震动或偏移以致油路前后端管径存在形位公差，使管路产生应力不均并发展成内漏。该类公差的测量可由摆仪以及千分尺工具进行测量，测量活塞杆或工作缸中心长孔的管径是否在公差允许范围内，并检查其前后端加工时是否存在偏心。

3 内漏隐患排查及防治方法

电力设备的状态检修和设备运行的可靠性、经济性密不可分。电网运行中，需要依据电力设备运行大数据来分析設备可能发生故障情况，进而执行对应的状态检修策略，来保证电力设备稳定可靠的运行。

3.1应用大数据分析的意义

在大数据时代背景下，为科学的分析、判断设备运行状态，需要收集大量的设备正常运行及故障状态下的基础数据。结合目前生产运行数据，计划针对断路器设备的重要运行状态信息进行收集。

但现有的数据样本及能处理的数据信息仍有不完整，人工统计存在滞后性等问题。无法对于多数据进行监控以及预警。

以下是通过手工统计分析的单一站点的数据资料，重点分析了该站220kVGIS液压机构的两方面性能：

（1）电机打压的效率、频度：电机回路主要由延时继电器SJ、热偶RJ对电机起保护作用。此处主要统计分析电机打压的效率（每次打压的时间）、以及电机启动的频度（单位时间内打压的频次），以上数据的收集和监控对于电机的工况能更好的监视，并能反映机构潜在的内漏隐患。

（2）机构保压性能：对于存在内漏隐患的液压机构，从侧面来说统计电机打压的频度不足以具体的展现其保压性能的优劣，通过机够两次打压间隔时间，并通过打压启动及复归的压力值或现场实测的碟簧形变量数据可以测算出漏压速率可以更具体的反应机构的保压性能。

3.2样本设备信息

为了进一步分析液压机构的运行工况，及时的发现设备隐患，并采取有针对性的策略。在此选取了220kV某站北京宏达日新的开关设备作为数据样本进行统计。在此需要说明的时，ABB液压机构低油压报警压力低于电机启停泵压力，而电机启停泵信息未接入后台，因此无法作为样本进行数据分析，而北京宏达日新的液压机构电机启泵压力与低油压报警压力一致，因此数据分析的样本具有可参考性。

3.3样本信息采集方法

3.4打压频度统计分析结果

统计该站2018年全年后台该站数据统计，存在以下两个打压频繁的#1主变变高2201开关及220kV1M、2母联2012开关间隔。其中在年度总打压次数偏高，平局日打压次数超出了技术标准中的液压机构部分的“24h打压次数不超过6次”的条款[1]，因此针对这两个开关间隔进行了进一步分析。

3.5打压频次统计分析结果

进一步对上述两个开关单日的打压次数进行统计可发现，两个开关均有单日打压次数超过30次的情况，并随着时间推移并没有逐渐增高的趋势。但其打压频度的数据可进行进一步分析，由于220kV液压机构为分相式，但后台数据并没有对单相机构的打压数据进行统计。同时电机打压的频度与机构内部压力有关，其用于发信过程关并非ABB型的通过碟簧型变量及丝杠挤压行程开关，而是压力开关易受温度的压力开关，同时操作及检修等因素的对于数据统计也有一定影响。需进一步结合以上因素对数据进行补偿、优化。

开关打压次数偏高与内外部油路密封性息息相关。持续观察并在周期性检修维护工作中，对于此类存在隐患的开关进行保压测试，并可结合表2中的方法进行实测数据参数计算漏压速率

3.6保压性能统计分析结果

两次打压时间间隔使对于液压机构保压性能的直观体现，同时两次打压时间间隔的可以帮助测量漏压速率，两次打压的时间间隔越短说明其漏压速率越快。而漏压快的机构其电机打压也越频繁，越容易出现储能电机的故障并因此形成类似上述事件的设备隐患，影响电力系统的可靠运行。针对打压次数较多的2012开关间隔进行了两次打压间隔时间的统计，如其间隔时间逐渐降低则说明其保压性能存在劣化趋势，而在2012开关的统计中并未发现该种趋势但其间隔时间仍不容乐观。

3.7 打压时间统计分析结果

通过后台数据报警信号的动作复归时间做差，可得出各间隔储能电机在报警动作复归过程的打压时间。电机是储能模块的重要元件，如电机故障则会导致在操作后无法顺利建压，打压时间的长短是对电机性能的考量，打压时间过长的电机可能因电机性能、电源参数不佳导致故障。而单间隔打压时间的曲线也可反应电机运行过程中的老化程度，由下表可见各间隔电机打压时常均在正常范围。

但由于各个间隔报警动作复归压力区间的大小存在差异，对于在这个区间内的打压效率也不尽相同，不足以具体的体现该间隔电机的实时工况。下面进一步对单一间隔的打压时间进行了统计分析，可以发现油泵电机在单位压力差内的打压时间有逐渐增加的趋势，但整体仍在正常范围内。

4 结论

通过对于内漏缺陷分析方法的探讨，加深了对于液压机构集成式一体化缸体缺陷的分析深度，丰富了分析的方式方法。并为内漏缺陷的自主探索提供了渠道，使诸如此类的缺陷分析不会止步于发现结构性损坏、发现裂纹的层面。

而通过上述的数据分析，结合后台数据针对液压机构的统计分析，有助于挖掘出潜在的内漏隐患。

通过日打压次数超标可挖掘打压频繁的设备，通过两次打压操作的间隔时间能反映其机构保压性能的优劣，通过电机储能时间的测算能检查其电气元件、二次回路是否存在异常或工况恶化。为挖掘潜在的液压机构内漏隐患提供依据，并为运维人员在检修维护的过程中提供数据参考，同时针对性的开展更详尽的试验以验证其开关机构的可靠性。

以上统计介绍了相关的方法并进行的统计测算分析，测算数据存在干扰项。其中开关分合闸操作、220kV机构三相未独立信号、ABB液压机构无电机启停泵信息、人工测算存在滞后性等因素均需在此种测算方式的基础上对后台信号、测算算法进行优化和改良，并得出更准确的监测数据。

参考文献：

[1]GB/T 2879-2005，液压缸活塞和活塞杆动密封 沟槽尺寸和公差[S]，北京：中国标准出版社，2005

[2]GB/T 231.1-2018，金属材料 布氏硬度试验 第1部分：试验方法[S]，北京，中国标准出版社，2018

[3]GB/T 3488.2-2018，硬质合金显微组织的金相测定 第2部分：WC晶粒尺寸的测量[S]，北京，中国标准出版社，2018

[4]GB/T 4340.1-2009，金属材料 维氏硬度试验 第1部分：试验方法[S]，北京，中国标准出版社，2009

[5]GB/T 228.1-2010，金属材料拉伸试验 第1部分：室温试验方法[S]，北京，中国标准出版社，2010

[6]GB/T 17432-2012，变形铝及铝合金化学成分分析取样方法[S]，北京，中国标准出版社，2012

[7]吴德新，550KV GIS弹簧液压机构的研究[D]，硕士学位论文，沈阳工业大学，2002

作者简介：

傅川岳（1993-），深圳供电局有限公司助理電气工程师，本科，从事变电设备检修及运维工作。

（作者单位：深圳供电局有限公司）