断路器弹簧操作机构储能异常分析与处理

徐仕林 王明江 朱一昕 晏庆丰

摘要：本文通过对一起±500kV某换流站交流滤波器小组断路器分合闸过程中弹簧操作机构轴承断裂导致储能异常进行分析，结合现场拆卸观察和返厂解体检查，并在现场进行相关试验，验证了此次储能异常的原因，并提出了相应的改进措施，从而为避免再次发生类似事故提供一定的指导作用。

关键词：断路器;弹簧机构;储能异常

前言

在高压直流输电系统中，断路器不仅能完成不同运行方式的转换，发生故障时还能可靠地切断故障电流，是电力系统中最重要的控制和保护设备。实际的运行经验表明，断路器的故障大多数都和其操作机构有关，同时操作机构也是断路器比较容易出现问题的附件之一，表1为部分统计数据。而弹簧操作机构为断路器的正常运行提供必需的动力，储能电机作为弹簧操作机构的动力来源，它的稳定性和可靠性与否直接关系到断路器能否正常工作。本文通过一起交流滤波器小组断路器弹簧操作机构储能异常的故障情况展开分析，对弹簧操作机构储能电机的输出特性提出适应性更强的新要求。

1 故障情况

±500kV某换流站561交流滤波器561断路器B相在开展检查断路器分、合闸回路工作期间进行试分合试验时，在断路器完成合闸后弹簧机构储能过程即将完成时出现异常声响，检查发现合闸缓冲器轴承断裂，机构箱底部有金属零件掉落，储能后冲角出现超标（要求不大于120°即可见齿数不超过25齿）。

2 原因分析

故障断路器弹簧操作机构采用西门子（杭州）产的3AP2-FI型断路器FA5弹簧操作机构，其工作原理如图1所示。机构在储能过程中，储能电机通过齿轮传动装置带动顶杆转动，顶杆推动储能小凸轮逆时针转动，当顶杆运动到顶部时由三角凸轮完成机械离合，随后储能限位开关动作，储能结束。现场拆卸观察除合闸缓冲器轴承有明显断裂痕迹外，机构箱铸件壳体未出现可见裂纹，储能电机运行正常。对故障机构开展返厂解体检查：（1）储能小凸轮尖角处发现有明显磨损，曲柄凸轮反向运动时与合闸缓冲器轴承接触面处也有明显磨损痕迹;（2）合闸缓冲器轴承断裂，铝拨叉上表面有明显磨损痕迹。结合现场拆卸观察和返厂解体检查，认为故障机构发生机构“反打”现象——当顶杆与储能小凸轮啮合不充分而提前滑脱时，曲柄凸轮在合闸弹簧作用力下将往回拉，合闸弹簧释能同时造成机构“反打”，直接造成合闸弹簧操作功全部作用于固定在机构壳体上的合闸缓冲器轴承。机构“反打”的根本原因在于机构储能过程中动能较大，导致顶杆与储能小凸轮之间产生较大的过冲而无法可靠啮合，进而发生提前机械离合现象，造成机构“反打”。

3 改进措施

衡量储能过冲程度的标准为检查机构后冲角度，即储能结束时，由于电机自身惯性，储能小凸轮仍会继续向后转动一个角度，示意图如图2所示。故障机构使用的是转速随转矩的增加而下降速率很快的串励电机，但储能结束时电机处于空载或轻载运行，串励电机依然存在很大的惯性，并保持较高转速，有造成储能后冲角度有超标的风险。而复励电机的机械特性较串励电机更软，其功率输出特性较为平稳，对电机储能过冲的控制效果明显，更有利于顶杆与小凸轮的可靠接触，因此将原来的串励电机更换为复励电机，原串励电机及现复励电机参数特性如表2所示。并在现场针对断路器储能机构的机械特性（包括速度），低电压动作特性进行多次试验，试验结果均合格。

4 结束语

通过对一起3AP2-FI型断路器FA5弹簧操作机构储能异常展开分析，当使用串励电机的弹簧操作机构出现以下情况：（1）现场后冲角度检查超过120°，即可见齿数超过25齿;（2）小凸轮尖角磨损;（3）曲柄凸輪反向运动时与合闸缓冲器轴承接触面磨损;（4）合闸缓冲器轴承断裂。本文笔者认为电机储能过冲可能是主要原因，在满足现场运行的技术要求下，建议将原来的串励电机更换为复励电机，可以有效规避弹簧操作机构后冲角度超标的风险。

参考文献：

[1]西门子股份有限公司。西门子550kV 3AP2-FI型断路器操作说明书，2017年。

[2]中国南方电网有限责任公司。500kV瓷柱式高压交流六氟化硫断路器技术规范，2011年。

[3]李发海，朱东起。电机学（第五版），2020年。

作者简介：徐仕林（1994年12月），男，电气助理工程师，从事换流站运行维护工作，云南电网有限责任公司楚雄供电局;

王明江（1995年5月），男，电气助理工程师，从事换流站运行维护工作，云南电网有限责任公司楚雄供电局;

朱一昕（1994年10月），男，电气助理工程师，从事换流站运行维护工作，云南电网有限责任公司楚雄供电局;

晏庆丰（1987），男，学士，工程师，云南电网有限责任公司楚雄供电局变电运行所，从事变电运行与维护方面的研究工作。