敞开式隔离开关典型结构与故障分析

肖丹，彭诗怡，周涛涛

（1.云南电网有限责任公司昆明供电局，昆明650217；2.武汉大学电气工程学院，湖北武汉430072）

0前言

高压隔离开关是电力系统中使用量最大、应用范围最广的高压电器设备，在产品设计、选材、加工、安装调试等方面的把控均不够严格，而在检修方面，更是没有统一标准。总体来看，一方面，隔离开关质量不过关，另一方面，隔离开关用量大、工作范围广、而且往往在环境较为恶劣的户外，所以长期以来隔离开关故障频繁发生得不到解决[1-3]。本文意在从隔离开关的基本结构出发，归纳常用型号隔离开关的典型故障，分析不同型号之间隔离开关常见故障的异同，探究其故障背后的原因，为隔离开关的生产与检修提供参考。

1隔离开关典型结构与故障

隔离开关的型号虽然有所不同，但其基本构成相同，均包括开断元件、支撑绝缘件、传动元件、基座及操动机构五个基本部分，如图1所示，这五个部分之间相互关联。

其中开断元件主要包括触头部分，是开断电路的直接元件。由于接触部分存在接触电阻，其值与压力、接触面情况等因素均有关系，因此在实际运行中，常常容易由于生锈、脏污等各种原因导致接触电阻增大，由此引发接触部分发热严重甚至在触头上留下灼烧痕迹等。

支撑绝缘件主要是指支柱绝缘子，其作用是使导电部分具有可靠对地绝缘。由于支柱绝缘子连接各传动部分，在隔离开关分合闸操作过程中受到多种力的作用，所以在实际运行中常常发生倾斜或断裂等典型故障。

传动机构主要包括隔离开关各连杆、轴承、齿轮、拐臂等机械构件。主要作用是通过机械运动，完成力的传递，实现隔离开关分、合闸。因此其典型故障是各部件由于生锈等原因无法完成相对运动，或是由于力的作用发生形变和损坏。

基座一般是水泥底座、支撑钢件和底座槽钢等组成，其余各部分固定在基座上，由于基座主要是起支撑作用，受力较为稳定，所以发生损坏较少，但基座若安装不水平或者存在别的问题，容易影响固定在其上面其它部分的受力，造成其他基本结构的元件发生损坏。

图1隔离开基本结构与对应故障

图2各类型隔离开关典型故障

操动机构主要包括驱动电机、控制回路和手动机构等。一般故障原因为二次元件不可靠或电动机故障等。

常见隔离开关的根据结构可分为双柱水平旋转式、单柱单臂垂直伸缩式、双柱水平伸缩式、三柱水平旋转式四种。各类型的隔离开关典型故障如图2所示。其中，各类型隔离开关发生瓷瓶断裂和操作机构故障基本相同。而触头故障和传动机构故障由于各类型隔离开关的触头结构和传动机构结构有所不同，表现形式也有所不同。

2共同故障分析

2.1绝缘子断裂故障分析

在高压隔离开关的多种典型机械故障中，支柱瓷绝缘子发生断裂对运行和人员安全带来的危害性最大[4]，对隔离开关来说是难以挽回的毁灭性破坏，只能进行整体更换。国家电网公司曾在2002年对高压支柱瓷绝缘子断裂事故进行了调查统计[5]，涉及隔离开关的事故比例高达81%。随着国家电网对于隔离开关完善化的高度重视和努力推进，近年来，支柱绝缘子生产工艺、隔离开关设计和安装工艺都有了显著提高，有关绝缘子断裂事故的报道大幅减少，但仍时有发生[6-7]。

支柱绝缘子发生断裂主要受到质量和作用力两方面影响，如图3所示。绝缘子的质量主要与绝缘子的制作工艺和安装工艺相关，质量不良主要体现在以下几个方面：

1）瓷质的致密度差。烧制过程中温度控制不合理、还原时间或气氛不够、干燥过程过快或过慢都会对绝缘子的瓷质产生巨大影响，使得瓷体内部存在大量的气孔和微观裂纹，机械强度极低，在应力的作用下极易断裂[5]；

2）支柱绝缘子中有夹层夹渣。在挤制过程中，因挤刀过于光滑，使支柱绝缘子产生夹层，但在外面不容易发现，就可能在夹层处断裂。夹渣引起断裂是因为夹渣周围必然有微小裂纹，这种微小裂纹在外力的作用下产生应力集中，使裂纹发展，最后断裂。

3）浇注质量差。现场对瓷柱绝缘子解剖表明胶装质量问题较多，例如有的未加缓冲垫，有的定位木楔用后断在里面未拿掉，有的只胶装了法兰口一圈，里面没有胶装剂[9]；有的水泥胶装不实，有间隙空洞缺陷，会造成应力分布不均，操作后松动、进水等不良后果。由于支柱绝缘子根部受到的应力最大，当法兰和支柱绝缘子浇注质量较差或两者不垂直时，都有发生断裂的隐患。另外，绝缘子的破坏负荷与胶装比有近正比的关系。（胶装比为胶装深度与瓷件直径之比，一般为0.6）[8]。

图3瓷瓶断裂故障原因

但即使在出厂检验中合格、安装工艺也符合标准的绝缘子也存在断裂事故，主要原因是受到超出预期正常大小的力，主要来源包括：

a.胶装剂和绝缘子还有金属部件三种材料具有很大的差异性，在较大温差下易由于膨胀系数不同导致形变，产生相互之间的挤压和作用力[9]；

b.操作方法不当、用力过猛，使得支柱绝缘子受到过大横向冲击力；

c.安全系数取值偏低。绝缘子选型采用传统理论计算未考虑风压，但如果所处位置在较高风口处，风压较一般地面也应增大20%～50%，给绝缘子带来较大横向力。

另外，在隔离开关长期的运行过程中，由于机械部件存在疲劳性，本身的机械强度易降低，连接处也可能出现松动导致受力不平衡，而且在实际中发现隔离开关投产时间与支柱绝缘子生产日期存在较大差异，甚至有的支柱绝缘子的生产日期比隔离开关实际投运时间要早两年，这使得绝缘子的实际使用寿命比预计的使用寿命要短[10]，因此应当注意对于隔离开关绝缘子的检查与检测。

2.2操动机构故障分析

常见隔离开关操动机构型号主要有CJ 型、MH93型和CMM 型等。不同型号的隔离开关操动机构分合闸控制回路虽有所不同，但其分合闸控制基本原理相似[11]。

按操作实现情况分类，操动机构可分为四类：无法远控分合闸，但可实现就地分合闸；无法就地分合闸，但可实现远控分合闸；无法远控及就地分合闸，按接触器磁吸可分合闸；仅可手摇操作分合闸。具体故障表象包括：

1）隔离开关拒动；

2）在隔离开关动静触头到位后，隔离开关辅助接点不能正常切换，电机不停止运行；

3）电机空转但隔离开关不运动；

4）机械联锁失灵。

造成这些故障的主要原因有：

a.机构箱内微动开关、热继电器、接触器等二次元件易出现接触不良[12-13]；

b.造成原因为隔离开关的位置信号是采用操作机构箱内的辅助接点进行转换的。由于这些辅助接点受运行环境、电机运行状况、传动装置、金属部件锈蚀影响较大，常常转换不可靠[15]；

c.丝杠、丝母故障较多[18]。丝杆与丝母加工精度不够。两者装配调整不当，以及长期工作后出现螺纹损伤(丝母为铸铜件,承力后螺纹碎裂脱落)，丝杠、丝母螺纹间隙增大等问题，都会导致丝杆与丝母不啮合，丝母空转无法带动输出轴做功[12]；

d.不按联锁的操作顺序、强行操作造成联锁板损坏变形；接地隔离开关的联锁板与主隔离开关的联锁板之间有间隙，接地隔离开关的联锁板固定螺钉松动使闭锁角度变化均会导致闭锁失灵。

3常见隔离开关结构与故障

3.1双柱水平旋转式

GW 4型隔离开关是典型的双柱水平旋转式隔离开关，三相之间通过水平拉杆连接传动。主要用于220 kV 及以下的线路当中。

图4水平双柱式隔离开关示意图

其工作机理如图4所示，由操动机构带动垂直连杆转动，垂直连杆通过连杆带动主动级转动，主动级通过柱间交叉连杆和相间连杆带动同相的从动级和其他相的主动级转动，其他相的主动级再带动从动级，实现整体的转动，带动上部触头的转动，最终实现合闸与分闸过程。

3.1.1触头故障

GW 4型的导电臂包括左右两个部分，分别为触指侧触头与柱型触头侧触头，如图5所示，这两侧触头分别固定在两个瓷柱上，做水平分合闸，通过导电臂前段的触指与柱型触头在两个瓷柱中间接触完成导电。

图5触头结构示意图

常见的触头故障包括闭合时触头顶住触指、柱形触头顶住外壳、触头与触指单边接触等引起的分合闸不到位或两侧触指变形相差较大。在挂母线后，未保证触头的插入深度、合闸时两导电臂不呈直线，分闸时两导电臂呈八字形，以及触头接触不良，导致发热严重。现场发现很多大负荷线路的隔离开关的触指尾部定位端子和定位槽或多或少都有烧熔的痕迹[14]。造成原因主要包括：

1）隔离开关在合闸位置时，触指完全靠弹簧的拉紧作用来保证它与触头间有足够的接触压力和较小的接触电阻，弹簧长期处于受拉状态而疲劳，导致合闸不到位[14]；

图6触头分合闸不到位

2）条形触指排列不整齐，各触指张开角度大小不一样，当电动闭合时，靠近触头中心线的条形触指被顶住使隔离开关闭合不到位；

3）触指进水生锈，导致触头无法运动至规定位置，出现分合闸不到位；

4）长期运行中接触面表面氧化、脏污等原因导致接触电阻过大并引起发热等；

5）分闸困难时，触头部分可能产生电弧，造成发热，严重时甚至烧毁触头。3.1.2传动问题

由GW 4型的结构可知，传动机构主要包括电机至某相的主动级，主动级与从动级之间交叉连杆，各相之间连杆。常见故障主要包括操作费力、转动过程卡滞并伴有严重晃动的卡涩现象；传动系统部件发生如接头脱焊、拐臂断裂、连杆弯曲等的不可逆的部件损坏；由于传动机构配合不合适引起的三相分合闸不同步。造成原因可归纳为安装工艺、设计问题、密封问题、寿命问题四类：

1）安装工艺。主要是在安装过程中未达到标准与规范，例如相间和同相的水平传动拉杆与接头未焊接在同一中心线上、三相间的联运水平转动轴不在同一中心线上、转轴上的扭力弹簧拧得太紧、转动部位没上润滑剂均会导致操作费力。操作绝缘子下面的法兰与输入拐臂角度三相不一致,操作绝缘子上面的法兰与输出拐臂(与连杆连接处)角度三相不一致会导致三相分合闸不一致。

2）设计问题。主要是指隔离开关在设计上存在易导致问题的缺陷，例如分合闸定位螺钉、辅助开关及限位开关的行程设置不合理导致分合闸不到位或者三相不同期故障；两种金属接触的地方形成原电池，易生锈[5]；滚动轴承表面没有设计补油孔，时间长了润滑剂干枯会导致转动轴承滚珠转动不灵活，造成卡涩甚至拒动。

3）密封问题。密封不严导致机构箱及轴承部位进灰进水。进灰易导致藏污，传动机构阻力增大；进水易导致生锈，造成锈死或传动困难，且积水冬天结冰，不仅会冻住部件，无法运动，而且因为体积膨胀易引起积水部位的部件损坏，产生裂纹。

4）寿命问题。主要带来的是部件生锈、磨损、变形与损坏。长时间运行时，弹簧长期疲劳易导致失效，操作时的冲击作用易使传动系统的销子变形，轴孔因磨损而扩大、限位螺母松动、分合操作限位螺钉机械磨损。

3.2单柱单臂垂直伸缩式

单柱单臂垂直伸缩式(例如：GW 10 GW 16 GW 20 GW 22等),GW 10型隔离开关包括上下两导电臂，其运动过程主要包括下导电管完成的折叠运动和上导电管完成的夹紧运动两部分复合而成。

图7垂直伸缩式隔离开关

3.2.1触头部位故障

在隔离开关合闸过程中，当接近合闸位置（快要伸直）时，滚轮沿着齿轮箱斜面运动，带动顶杆克服复位弹簧作用力向前，并通过对称式滑块增力机构转换成触指的相对钳夹运动，当夹住后，滚轮继续运动，夹紧弹簧被二次压缩，使顶杆获得稳定推力，从而使触指获得稳定加紧力。分闸时滚轮反向运动，复位弹簧使顶杆带动触指张开[19]。

但在实际中，触头常出现合闸时夹不紧（例如GW 22-126达不到厂家标准中每片触头300N的压缩力要求[17]）、分闸时分不开、触指打不开等故障[16]，这会导致触头部位接触电阻变大，温度过高，在金属部件表面留下灼伤痕迹甚至损坏。造成故障的主要原因为：

1）夹紧弹簧疲劳或生锈导致夹紧力不够；复位弹簧生锈卡涩，导致分闸时无法推动顶杆使动触指张开，曳拉静触杆[18]；

2）动触头座密封不严，内部积有较多尘土，动触头操作杆涂抹的润滑剂干涸,与尘土混合后形成顽固的污渍,使操作杆运动阻力增大,大于复位弹簧提供的作用力，动触指不能有效张开[18]；

3）导电管防雨罩不防水。由于触头部分会进行夹紧和张开运动，因此防水和密封较为困难，雨水渗漏会引发导电管内部传动部件锈蚀[22]，且排水孔易被润滑剂堵塞，冬天时，积聚的雨水结冰后，设备也无法操作；

4）由于气温及部件的影响，会引起各部件及紧固螺栓的热胀冷缩，当各部件及紧固络酸的热胀冷缩系数不一致时，将会引起各连接螺丝松动，导致夹紧力不够[24]。

3.2.2传动机构故障

由于此累隔离开关为垂直运动，所以在合闸与分闸时重力有时是动力有时是阻力，因此存在一个平衡弹簧以平衡重力作用；上下导电臂的连接处主要通过齿轮、齿条与滚轮进行运动的传递。

这些特有的部件使得该类型隔离开关除了传统的锈蚀、损坏、老化等引起的卡涩等故障，还存在绝缘滚轮故障、滚轮接触不良过热稍微齿轮盒故障、导向轮与铜轴抱死导致卡涩、分合闸不到位甚至拒动等特有故障。造成原因包括：

1）滚轮材料不好，易变形、松动，在长期运行过程中磨损甚至破裂[21]；

2）齿轮盒在出厂时有排水孔，沙尘进入齿轮盒，使赤露收到验证磨损甚至发生打齿现象，导致分合闸中出现空行程，分合闸不到位[20]；

3）导电杆下部导向轮材质为环氧树脂，有时会发生导向轮与转轴抱死，造成导向轮不能转动，机构运动受阻[20]；

4）各部件弯曲变形或者磨损导致操作杆等效长度发生变化，齿轮与齿轮相对运动距离减小，转动角度不足，合闸不到位[19]。

3.3双柱水平伸缩式

双柱水平伸缩式(GW 11 GW 17 GW 21)与单柱垂直伸缩式工作原理类似，也包括两个导电部分，主要区别在于运动方向为水平方向。

图8双柱水平伸缩式隔离开关示意图

3.3.1触头部位故障

由于此类隔离开关触头也属于夹紧类，因此也存在夹紧力不够导致接触电阻过大的问题，又因为运动方向为水平方向，隔离开关快要合闸时,往往发现静触杆于夹叉明显不居中，或者隔离开关合闸完成后，四只夹叉中仅有对角两只静触杆夹紧。其余两只未与静触杆夹紧，甚至有间隙存在，以及夹紧时夹叉对静触杆两侧夹紧力不相同的情况；造成这些现象的主要原因为：

1）动、静侧底座安装尺寸有较大偏差,尤其是动侧底座安装时,尺寸稍有偏差,静触杆于夹叉不对中偏差就明显表现出来(偏差往往被放大10多倍)[23]；

2）动侧导电体中的内置大型铝铸件的位置度没有控制好[23]。使单边两只夹叉夹紧面不共面，或共面后与静触杆中心线不平行。上、下导电管配作定位螺柱孔时应特别引起注意；

3）触头部位脏污生锈、静触头插入深度不合适；

4）由于做水平运动，当风垂直运动方向时，会对隔离开关产生较大作用力。因此此类隔离开关运行环境对风速也有一定要求，小于34 m/s的环境中。

3.3.2传动机构故障

此类隔离开关除了卡涩故障外，连轴节（即导电臼节）处易发生故障，值得重点关注。例如滚轮触点因发热而烧损，导致连轴节在运动时发生卡滞，致使分合闸不到位，同时连轴节防护罩不严密，造成内部锈蚀使导电闸刀在时发生卡滞，致使分合闸不到位。

3.4三柱水平旋转式

三柱水平旋转式(GW 7)的特点在于其合闸方式，如图9所示，先由导电杆绕着垂直连杆在水平面内旋转，插入到到指定位置后，触头弹出触刀接触静触头或触头绕导电杆自身旋转与静触头接触，完成合闸[29]。

图9三柱水平旋转式隔离开关示意图

触头部分常出现的故障包括动触头偏离，还未插入触刀就弹出或提前翻转，以及分合闸不到位和接触不良引起发热，甚至出现刀头断裂[28]等。造成原因为：

1）隔离开关导电杆自重大，750 kV 达10 m左右[30]，易于受风力温差、接线端子拉力等因素影响产生变化造成动触头偏离；

2）主闸刀系统刚性不够。原本触头翻转是因为受到限位件阻力左右，若刚性不够，则可能因为受到除上限位件阻力以外的异常阻力造成提前翻转[31]；

3）触头部分上下压缩量相差较大，单边触指压缩量过小，接触不良；

4）主拐臂与半月板紧固螺丝紧固不到位，垂直连杆拐臂板受力打滑，导致主刀合闸不到位；

5）触头内部积污使刀头转动困难，长期运行使刀头铸铝轴和轴上的扭力弹簧上承受的操作力过大而损坏[28]。由于水平旋转式是由一根主导电杆连接了三个绝缘子柱，此导电杆通常较长，需要的力较大，而且要求三点一线，才能够满足合闸要求，因此除了传统的生锈和润滑不够导致的卡涩故障，还易出现：

a.三绝缘子中心不成一直线，偏差＞10 mm，导致分合闸不到位；

b.以相间水平连杆弯曲断裂为典型的部件损坏[25-27]。造成原因主要是部件强度不够和调试不当，使得机构输出轴与主刀操作拐臂轴不同心，轴内部受力不均匀而变形甚至断裂，而且需要更大的力才能够进行正常转动，有可能因为手动操作力大，电动操作启动过载保护。

4 结束语

本文从结构出发，归纳了常见型号隔离开关的典型结构及其对应的故障和产生原因：

1）各类型隔离开关的操作机构故障与绝缘子断裂故障原因类似；

2）对于触头部分，钳夹式的隔离开关触头容易在触指张开与夹紧环节出现问题，水平双柱旋转式的配合较为重要，触指需要注意配合，否则容易出现触头抵住触指导致的分合闸失败现象；而三柱水平旋转式在导电杆先旋转触头再绕导电杆自身翻转的过程中容易受到干扰提前翻转而导致失败；

3）对于操动机构，除了典型的密封和生锈问题，伸缩式隔离开关存在连轴节将上下导电臂连接，此连接部位的齿轮、滚轮等小部件易出现磨损，连接处的防水与防锈蚀也更为困难，对于垂直运动的隔离开关，存在平衡弹簧以平衡重力作用，对于水平运动的隔离开关，装配上的小误差容易被放大造成夹叉不居中，无法准确合闸。

在之后隔离开关的检修与设计中，对于不同结构的隔离开关，需要重点注意的部分也不同，例如对于伸缩式隔离开关的连接处需要注重密封与防水，连接处滚轮与齿轮强度也需要重点考虑；对于三柱水平旋转式隔离开关，水平连杆强度更为重要；而对于钳夹式隔离开关，需要重点监测是否夹紧，即使目测已经合闸成功，也应注意是否达到预期夹紧力，以免出现发热事故。