降低敞开式隔离开关卡涩缺陷的方法

杨旭东，翟 博，董肇晖，张金祥

（1.冀北电力有限公司检修分公司，北京 102488；2.北京大学，北京 100871）

0 引言

现代电力系统设备维护是为了提高设备的稳定运行系数，减少电网因为电力设备自身原因导致的停电检修作业次数，尽可能缩小电网停电对社会经济发展的影响。隔离开关作为电网一次系统中的重要组成设备，由于其结构形式及工作环境的特殊性，机械转动部位的卡涩缺陷成为影响该类设备稳定运行的主要缺陷。如何在带电状态下处理隔离开关卡涩缺陷，成为研究减少故障停电方法的主要方向。

1 隔离开关常见故障

在输变电设备中，高压隔离开关使用数量占比最多，通常是断路器的2～3 倍，虽然其结构比断路器简单，但传动部分及运动机构外露，长期运行后易因脏污、锈蚀、冰冻等因素，导致设备故障，运行可靠性为变电一次设备短板，影响电网的安全运行。

近年来，户外隔离开关运行中的问题主要集中在导电回路过热、金属锈蚀和转动卡涩3 个方面，对国网冀北电力检修公司运行数据分析发现，机械故障为主要问题。实际上，导电回路过热、金属锈蚀最终都会导致隔离开关转动出现卡涩或障碍。因此，卡涩缺陷已成为隔离开关安全运行的最大隐患［1］。

设备的卡涩缺陷是各类其他严重缺陷的诱发阶段，如果可以在卡涩阶段对设备进行及时、恰当的处理，即可消除设备隐患或有效延缓严重缺陷发生时间。同时，处理隔离开关卡涩缺陷也是技术、资金、人员占用最少、最容易实现的缺陷处理方式，可保证检修工作在投入最少时得到最好效果。因此降低隔离开关卡涩缺陷的发生率就成为提升电网安全运行的有效方法。

2 隔离开关卡涩成因分析

2.1 隔离开关设备自身原因

通过分析不同型号隔离开关现场缺陷原因可以发现，部分卡涩缺陷是由于隔离开关设备自身不合理的设计或连接形式加速了零部件的老化或易卡涩程度。

形式不合理。转轴密封形式不合理，导致隔离开关转动轴结部位容易从上部进入灰尘、雨水，而又不易从底部及时排出，导致润滑脂长期浸泡失效造成设备卡涩。例如北京地区安定500 kV 变电站内使用的西门子KR52-MM31 型隔离开关，其主传动杆与操作机构连接轴的密封轴套顶部设计时只依靠转动密封防雨未安装防雨罩，雨水沿传动杆与机构箱的安装连接处进入机构箱内部，导致了机构齿轮组严重锈蚀，使隔离开关在操作时出现卡涩缺陷［2］。

金属连接锈蚀。隔离开关各转动连接部位通常采用金属与金属连接，当接触部位密封及防锈措施不良时，易产生锈蚀，致使两连接金属相互粘连，失去自由度导致隔离开关不能正常操作，例如：GW16、GW17 系列隔离开关长时间运行后因部分零件锈蚀而可能造成运动卡滞或分、合闸不到位［3］。其主要原因为：隔离开关运动连接面采用电镀锌材质部件，此类部件在室外湿度较大情况下防腐蚀效果不佳；隔离开关拐臂转轴处担负传动及导电双重作用，转轴处的黄铜轴套在导电情况下，由电化学反应产生的锈蚀极易将轴套内运通间隙填满导致卡涩；部分铸件设计时没有考虑防水或渗水问题，导致一些部件在运动到位后开口向上并且底部未设置防水孔，极易发生雨水积存导致严重锈蚀。

润滑脂变质。敞开式高压隔离开关设备在电网系统中承担着产生明显电气断口的功能，因此其必须具备较大的物理运动行程，以便产生明显断开点，所以隔离开关设备都具有大量运动部件。早期隔离开关设备在出厂或现场检修时，一般使用钙基润滑脂对运动连接部位进行涂抹保护。但由于钙基润滑脂的融点低、凝固点高，在环境温度变化较低地区，经常会出现钙基润滑脂融化流失或者固化板结，更加阻碍隔离开关传动部件正常运动的现象。更为严重的是，高温融化后的该基润滑脂对空气中的粉尘具有极强的吸附性能，更加加剧隔离开关运动连接部位的脏污卡涩，造成操作时的巨大阻力，形成严重的卡涩现象。

2.2 隔离开关设备环境原因

部分变电站所在的运行环境污染较为严重，工业粉尘、金属碎屑、酸性物质都会对隔离开关造成严重腐蚀，从而导致金属传动部件卡涩或断裂［4］。

酸碱腐蚀。以廊坊地区霸州500 kV 变电站为例，其所在地区为5 级重度污染，周边有大量的炼钢厂、轧钢厂，所排放的硫氧化物、碳氧化物等多种废气会形成酸雨，对隔离开关设备造成严重腐蚀，导致金属部分开裂、剥落。同时，钢厂中扩散出的金属碎屑，由于变电站电磁作用，极易吸附在电力设备表面，在酸雨的作用下，会导致隔离开关转动间隙缩小或粘连，造成隔离开关操作过程中的卡涩现象，明显多于冀北地区其他同等级设备，详见图1。

图1 酸碱腐蚀影响对照

粉尘颗粒物堆积。唐山市丰润区姜家营500 kV变电站所在地区也为5 级严重污染地区，此地区的污染源主要为水泥生产企业排放的粉尘物质，姜家营500 kV 变电站内隔离开关设备经常发生因卡涩导致的分、合闸不到位甚至拒分、拒合的严重故障，分析故障原因，是由于水泥粉尘沉积在隔离开关表面及传动间隙中，粉尘虽对隔离开关金属部分腐蚀性较低，但是与水分结合后会牢固附着在隔离开关上，在隔离开关长时间静止后再操作时，严重影响隔离开关运动的流畅性，出现卡涩故障。

图2 粉尘影响对照

3 隔离开关卡涩缺陷处理方法

停电处理是现阶段电网系统检修作业和缺陷处理时的常用方式，传统的停电处理隔离开关卡涩缺陷一般包括：本体更换、金属部位停电除锈、传动关节停电润滑等内容。对冀北地区500 kV 变电设备近5 年检修数据统计发现上述处理方法成功率及作业时间统计如图3 所示。

图3 隔离开关缺陷处理成功率统计

可见锈及润滑作业能解决绝大部分锈蚀、卡涩缺陷，对于严重缺陷可以通过更换本体进行彻底解决。其优点是现场作业风险小、缺陷部位处理彻底。但是停电处理同时存在造成电网负荷损失、作业时间长、工作量大、资金投入大等缺点，同时由于停电处理方式中一般是将隔离开关设备进行解体或部分拆卸，也存在着解体拆装过程中对设备造成二次损坏的风险。

为了保证电网的稳定运行，减少停电时间，在检修工作中通过大量现场积累，研究了一种可以在带电状态下处理锈蚀、脏污隔离开关卡涩缺陷的专用装置及方法。如图4 所示，在带电处理专用装置基础上对隔离开关卡涩部位喷射除锈润滑剂，利用装置喷射压力强化除锈润滑剂效果，以达到对隔离开关金属部位除锈，脏污部位清理的作用。

图4 隔离开关带电润滑装置设计原理

3.1 外形设计

由于专用带电处理装置在使用时需要尽量靠近隔离开关卡涩部位进行操作，使用环境中又存在高电压、大场强等危险因素，所以需要带电处理专用装置具有良好的绝缘性能。带电处理专用装置整体外形使用纤维强化塑料（FRP）加工。该材料具备优异的电气绝缘性能，可以在带电环境下使用；具有耐化学腐蚀性能，可以装盛腐蚀性处理溶剂；使用该种材质制作装置外壳，具有同等体积下质量更轻的优点，利于提升无人机的有效质量搭载率；同时纤维强化塑料塑型后强度较大，便于在塑形加工时保证壳体所有顶角处都进行圆滑处理，进一步避免尖端放电的可能。

3.2 喷射机构

专用带电处理装置的喷射机构靠近隔离开关卡涩部位采用电动水泵提升并喷射润滑溶剂。基于润滑溶剂的特性，专用带电处理装置可以保证使溶剂顺利喷射至卡涩部位，并保证溶剂具有一定的初速度以到达冲击清理卡涩部位脏污的效果。经过多次试验确定在现场使用时专用带电处理装置需在距离卡涩部位20～30 cm 范围内使用，经过计算选用扬程为2 m 的水泵可保证喷射装置喷出的处理溶剂达到预计要求。水泵控制电路采用无线控制方式，利用无线发射器及单片机控制模块实现遥控控制水泵电路的通断。

3.3 润滑溶剂

根据金属腐蚀学原理以及隔离开关运动机构脏污导致卡涩的特性，需选用在常温状态下，具有除油污、溶锈、磷化、保护多种功效的复合清污润滑溶剂，通过对比选择了“四合一”磷化处理溶剂［5］。传统的具备除锈功能的溶液大多选用具有较强腐蚀性的盐酸或硫酸作为配比基液，此类除锈溶剂具有较快的溶锈功效，但对导电金属的镀银层及氧化保护膜也会造成严重的损伤，一定程度上加速了再次锈蚀的发生。“四合一”磷化处理溶剂中使用磷酸作为基液，磷酸溶锈能力不强，去除自然环境下金属连接部位的锈蚀所需时间较长，不便于快速处理电网设备紧急缺陷，为了加快处理溶剂的溶锈速度，在处理溶剂中加入了络合剂，使磷酸基液的除锈能力得到加强，在自然室温条件下也有快速的溶锈能力。

同时，为了防止隔离开关设备金属部件清污除锈作业后的二次锈蚀问题，需要在进行磷酸基液溶锈作业后对金属表面进行钝化保护处理。传统钝化方案一般采用重铬酸盐或亚硝酸盐，会对作业现场土壤造成污染并释放刺激性气体，不利于现场作业人员健康及环境保护。而“四合一”磷化处理溶剂采用钼酸盐或钨酸盐进行金属钝化作业，通过与磷酸在金属表面进行反应，可以有效改变磷化膜的结晶状态，在金属表面形成保护膜，不仅具有钝化作用，也具有减缓二次锈蚀的效果。根据上述原理和正交试验，得出“四合一”磷化处理液的最佳配方如表1所示。

表1 “四合一”磷化处理液配比方案

3.4 装载手段

专用带电处理装置用于处理敞开式隔离开关卡涩缺陷，高压隔离开关由于运行电压等级较高，所以高压敞开式隔离开关都装设在基础及绝缘子之上，一般距地面高度均在2 m 以上，所以需要采用装载手段将专用处理装置举升至隔离开关卡涩部位，如图5 所示。

采用无人机装载专用处理装置的方式主要应用于500 kV 电压等级隔离开关设备中，如图6 所示。利用无人机装载方式，选用直径900 cm 的绝缘材质六旋翼固定翼无人机，其载重能力为5 kg，用于搭载专用处理装置。采用无人机装载方式时需对专用处理装置进行调整，将专用装置外形调整为漏斗形，漏斗中心线与无人机中心线重合，有利于无人机操控；同时对专用处理装置的无线控制系统进行重新设计，与无人机遥控系统进行匹配，采用与非门模块搭载双稳态控制电路，利用与非门模块输出自保持特性，通过无人机遥控模块控制双高频通道分别驱动一个与非门模块的通断，以实现双稳态电路在正负电平间的切换，成功实现了对水泵电路的有效控制。无人机装载方式中利用自稳云台，将润滑装置喷嘴及视频瞄准设备固定于云台上，将无人机少量偏移与润滑装置隔离开，以保证润滑剂喷射的稳定性。

图6 采用无人机搭载润滑装置作业

4 结语

在冀北地区使用无人机搭载喷射润滑装置，带电处理隔离开关卡涩缺陷，缺陷解决率达到87.31%，证明使用新型带电处理方式，可解决大部分卡涩导致隔离开关操作不到位的缺陷。对比停电处理的方式，采用新式装置不需要停电及使用升降车，作业时间由225 min 降低到27 min，减少了88%；在作业人员方面，由原来4 人变为3 人，减少了25%；节约了车辆、设备租用的费用，消耗由700 元／次减少至50 元／次。

在使用新型带电处理方式时发现，无人机搭载喷射润滑装置不仅可以处理设备缺陷，还能进行一次设备特训，消除巡视死角、发现隐蔽隐患、提高巡视效果。此外，作业人员发现，如果能解决设备干扰、旋臂绝缘问题并提高无人机操作精度，无人机还能搭载轻型机械手臂或试验装置，实现多种带电作业无人化，降低作业风险，为高电压等级变设备运行、维护提供新思路、创建新平台。