方家山核电500kV GIS DS、ES连接机构非全相动作分析及改造

承 澄

（中核核电运行管理有限公司 维修二处，浙江 嘉兴 314300）

0 引言

近年来，随着国家电网建设的快速发展，500kV 超高压开关站大量增加，国内外各电厂对500kV 开关设备的智能度及可靠性的要求也越来越高。隔离开关和接地开关作为高压开关站的重要设备，在开关站自动化程度越来越高的进程中，对其安全运行要求也越来越高，若是发生故障，将可能影响输电线路的正常运行，损坏重要设备甚至威胁人员的生命安全。其机构设计结构、装配工艺的不到位和缺陷必须得到及时的、有针对性的根本性解决，这样才能保证电厂运行的健康与稳定，保证整个区域电网的正常输配电，保障人员的安全。

1 系统机构概述

1.1 方家山500kV超高压系统

方家山500kV 超高压开关站作为发电和输电的连接枢纽，与华东500kV 电网相连接，经主变和厂变供给电站厂用设备。开关站设有3 回出线（2 回至王店变，1 回至由拳变），2 回进线，采用西开ZF8-550 型整体GIS 设备，布置在TB 厂房内，按“一个半断路器”接线方式设计，由母线、断路器、隔离开关、接地开关、电流互感器、电压互感器、避雷器等设备组成。

1.2 方家山ES、DS电动连接机构

方家山500GIS 开关站GIS 隔离刀和接地刀均采用CJG6 型电动机操动机构：CJG6 电动机操动机构的外形及内部结构如图1 所示，机构的整个传动部分和电气部分都置于一方形机构箱内。

图1 电动操动机构Fig.1 Electric operating mechanism

电机通电高速转动，通过小直齿轮驱动离合器装置，由离合器出轴上的小齿轮带动直齿轮相继转动，从而带动机构的主轴旋转，使机构主轴上的伞齿轮带动机构输出轴转动，实现机构的操动。在主轴旋转的同时，通过其上的小直齿轮带动机构的控制齿轮转动，在机构操作到位时，控制齿轮上的凸台刚好挡住主轴上大直齿轮上的凸台，使主轴停止转动。此时，辅助开关轴上的切换拐臂通过控制齿轮及小弹簧装置将辅助开关切换，从而切断电机回路，使电机断电，而电机在断电后的转动惯量因主轴被控制轮上的凸台挡住而全被离合器吸收，直到电机停止转动。

CJG 6 操作机构只能带动A 相开关动作，B、C 相通过鼓形齿轮与尼龙齿轮的配合与A 相连接，接受CJG6 电动操作机构的扭矩；内部通过伞形齿轮带动开关机构分闸或合闸。其一侧凸出，一侧凹进，矩形管夹夹紧轴与连接轴，防止轴向连接轴内部窜动，并在连接机构外部通过连接套和补偿器连接防护壳。连接机构内部有锁杆，可在检修时防止机构误动作。如图2 所示。

图2 连杆机构装配结构示意图Fig.2 Schematic diagram of the assembly structure of the linkage mechanism

1.3 连接机构的缺陷及其隐患

开关分、合闸指示以及至NCS 的分、合闸指示均来自其装于A 相的驱动机构，不能反映B、C 两相动作情况。再加上B、C 相联动机构未有可靠的机械指示，所以当开关进行分合闸操作时，就地和远方的可视信号和指示实际上是A 相开关的动作反映，并不能完全反映B、C 相开关动作的实际情况，若内部发生故障，很有可能出现三相动作不一致的情况，导致无法及时从外部机械指示与NCS 监控发现问题和做出判断，从而引起一系列运行事件，甚至是带电合接地开关的恶劣事故。这对电厂的正常运行，对设备和人员的安全都存在严重的隐患。

2 相关事件的排查与分析

2.1 方家山500kV GIS开关站隔离开关50136分闸事件

2012 年12 月13 日，方家山调试队电气组在进行方家山500kV GIS 开关站启动试验时，发现500kV GIS 开关站隔离开关50136 分闸后，其后端电压互感器0GEW137TU的B、C 两相仍有298kV 相电压的异常情况。此时，5012开关及5013 开关均合闸带电运行，隔离开关50136 NCS监控及就地均显示在分闸位置，正常情况下，隔离开关50136 后端的电压互感器0GEW137TU 三相电压应接近0V。

排查发现1 号主变500kV 避雷器B、C 两相泄漏电流表计均有约2 mA 的泄漏电流；断开电压互感器0GEW137TU 二次侧空气开关，测得该PT 二次侧B、C 相仍有约60V 电压；隔离开关50136 的就地分、合闸指示以及至NCS 的分、合闸指示均来自其驱动机构，此时就地及NCS 均指示其已分闸。

根据以上检查情况，基本确定隔离开关50136 的A 相已分闸，但B、C 两相未分闸，或者分闸未到位，初步推断分闸未到位可能是连杆齿轮处存在问题。

检查也发现证实了在B 相处A、B 两相之间连杆鼓形齿轮从尼龙齿轮中脱落，致使A 相连杆无法联动B、C，即CGJ6 电动操作机构在进行分闸动作时，只带动了A 相开关机构分闸，其扭矩未传递到B 相、C 相。导致隔离开关50136 从远方分闸时A 相动作，但B、C 两相不动作，如图3 所示。

图3 尼龙齿轮松脱Fig.3 Loose nylon gear

其根本原因为：在现场更换分支母线水平段支撑架时，隔离开关50136 处相间距有所增大，导致鼓形齿轮从尼龙齿轮中脱开，脱开的鼓形齿轮被连接轴的防护壳及补偿器所包裹，外观检查时无法发现该缺陷，且隔离开关50136的就地分、合闸指示以及至NCS 的分、合闸指示均来自其装于A 相的驱动机构，在以上事件连接机构松脱的情况下不能反映B、C 两相动作情况。再加上B、C 相联动机构未有可靠的机械指示，因而就地及远方操作时也无法发现该缺陷。

2.2 三峡电厂事件

三峡电厂左岸、右岸和地下电站500kV GIS 设备也采用了ZF8-550 型整体开关设备，其类似结构隔离开关出现了刀闸不同期的情况。81061 刀闸出现过C 相在进行合闸操作后，仍处于分闸状态，而A、B 两相均已合闸的情况。主要是由于联动杆B 相至C 相段靠C 相一侧的固定螺栓松动，导致C 相操作机构与联动杆滑脱，从而造成C 相未合闸。

81031 在合闸过程中出现过异常声音，解开传动杆发现B、C 两相的合闸位置与A 相不一致，这也是由于传动齿轮松脱打滑引起的。

2.3 事件分析结论

通过上述事件不难看出，装配工艺的不到位会给传动机构的正常扭矩传递带来极大影响，而B、C 相未有可靠的机械电气分合信号更是在传动机构发生故障时严重影响了故障判断与处理的效率。虽然以上事件为设备故障未对主设备造成损坏，对系统未产生影响，未引起严重后果，但都是依靠专业人员及时测量、分析与拆解排查，才能及时发现这些故障，才避免了事件的进一步扩大。这种情况与开关站高度自动运行的宗旨与需求是大相径庭的，大大浪费了人力、物力。如若相因缺陷故障未得到及时的发现和控制，很可能发生隔离开关未分而带电合地刀的严重后果，带来的不仅是设备的损坏与财产的损失，更有可能危及人员的生命安全。

所以，必须对此套连接机构进行可靠的、可行的优化改造，解决装配工艺的不足以获得B、C 相可靠的机械电气分合指示。只有消除这一安全隐患，才能确保500kV GIS设备以及整个电厂的可靠安全运行。

3 机构的可行性改造

3.1 机构间隙优化

调整连接轴左右间隙，使连接处的鼓形齿轮和尼龙齿轮能够紧密贴合，并且保证有左右伸缩的余量。首先，需使整改间隔停电，使此间隔两端可靠接地。将开关设备各相操作至分闸“O”位置；其次，拆卸连接机构的防护壳、补偿器和连接套等，后将锁杆插到锁盘中，使之不能随意转动。

松开矩形管夹的螺钉但不要取下，直到轴能够在连接轴中窜动，最后取出整个连杆装配。从取下的连杆装配中取下防护壳、保护罩、连接套等零部件，然后重新将鼓形齿轮、轴和连接轴安装在连接机构上，并调整轴和连接轴的连接长度，标记下装配位置。调整连接机构一端的鼓形齿轮端面贴紧尼龙齿套底部，紧贴齿套外端面在齿轮的外圆上画红色标记线如图4 所示。

图4 连接轴装配1Fig.4 Connecting shaft assembly 1

对于另一端，先将鼓形齿轮端面贴紧尼龙齿套底部，贴紧齿套外端面在齿轮的外圆上划蓝色标记线，然后将轴及鼓形齿轮往外拉，当蓝色标记线与尼龙齿套端面距离为3mm～5mm 时，在鼓形齿轮外圆端面画红色标记线如图5所示。

图5 连接轴装配2Fig.5 Connecting shaft assembly 2

确保两端红色标记线位置不动，调节连接轴，连接机构两侧的轴和连接轴端面间隙S 应相等，确保左右对称受力均匀。在轴上划线做好标记以确定钻孔位置时定位。将鼓形齿轮和矩形管拆下，按照所做的标记连接轴上确定钻孔位置，并钻通孔，如图6 所示。

图6 连接轴装配3Fig.6 Connecting shaft assembly 3

重新装入连杆装配，调整鼓形齿轮和连接轴的相对位置，直至两者端面紧贴（否则由于间距原因装不进），将防护壳、补偿器以及连接套装配后，套入连杆装配，移动防护壳和补偿器的位置，露出所钻的孔，装入开口销，最后调整补偿器和防护壳位置，露出矩形管夹的位置，旋紧螺栓，调整补偿器与防护壳的相对位置，检查确认装配合格后，移除锁杆，补偿器与防护壳之间以及连接套与补偿器之间使用喉箍扎紧。

此方案调整了两侧鼓形齿轮和尼龙齿轮间隙，使其能够紧密贴合传递扭矩，并且采用开孔插销的方式，这样即使当矩形管夹松动无法固定轴时，轴也不会在连接轴内窜动从而再次引起鼓形齿轮和尼龙齿轮间的松脱。

3.2 机构分合闸指示优化

3.2.1 机械部分优化

为了获得B、C 相各自分合状态，必须获得其开关独立的分合的可靠信号，此信号应为开关分合自身机械动作所带发的信号。又考虑到连接机构盒的空间结构与连接传动为机械转动这一特点，可以将旋转运动转换为直线运动，然后触发行程开关获得分合信号，而此信号点必须可靠，可将选择机构盒支座内远离伞形啮合齿轮的一侧作为这一信号触发点，此信号点信号不会受鼓形齿轮和尼龙齿轮松脱或者电动操作机构故障的影响产生偏差。行程开关可以选择触点式微动开关，可设置两个，通过固定板固定在支座内壁上，分别触发分合信号。其触发方式可以通过轴带动丝杠，丝杠带动带有上部驱动杆的圆柱滑块，驱动杆可通过微动开关所在的固定板所开直线导向槽左右平移，从而触动左右两侧微动开关，进而产生分合信号如图7 所示。考虑到500kV GIS 设备为室内设计，不会有雨水问题，可在不透明防尘外壳上按照适当尺寸开孔安装透明有机玻璃盖板，并分别在两微动开关上方喷涂O、I，这样能够在就地看到可靠机械指示以及分合状态及内部动作状态，也便于日常的巡检维护如图8 所示。

图7 微动结构Fig.7 Micro-motion structure

图8 就地分合机械指示Fig.8 Local opening and closing mechanical instructions

3.2.2 信号部分优化

考虑到A 相机构开关动作由电机正反转带动，其本身的辅助开关就具备分合转换这一特点，可以将其也视为具备分合两开关，将A、B、C 三相的分合信号分别都设置成“与”的逻辑，所以可分别将三相的合开关串联、分开关串联。这样只有三相开关触点都到位闭合才会输出信号，如图9 所示。设A1a、A2a、B1a、B2a、C1a、C2a 分别为A、B、C 三相常开端子号，为DS/ES 分位；A1b、A2b、B1b、B2b、C1b、C2b 分别为A、B、C 三相常闭端子号，为DS/ES 合位。

图9 信号逻辑Fig.9 Signal logic

在接线上，由于增加了4 个微动开关，考虑使用软电线引出信号，在原电动操作机构箱内把端子排加长，增加4 片端子，再利用原有A 相辅助开关端子，A1a、A1b 不动，C2a、C2b 接入原A2a、A2b 位置，重新按照新的逻辑分别串联相接。B、C 相8 根出线可由电缆桥架从A 相机构箱原有呼吸器位置接入。这样一来，满足了新的信号逻辑，并且三相位置信号串接后引出的信号，从原A 相位置信号所接的接点上引出，不会对现有机构的外部连接电缆产生任何变动。

3.2.3 注意事项

丝杠与滑块必须保证充分润滑，可考虑低温润滑脂。对于微动开关的位置应精确调校，确保在开关分合时触点能充分被接触，但又要留有空隙，确保微动开关不受冲击从而产生位移，重新接线后，复查端子接线与图纸一致。

在回装防护罩前，需进行机构分、合操作若干次，每次操作完后检查确保显示屏上分合状态均与机构实际状态一致，然后再回装防护罩。

4 结语

方家山500kV GIS 开关站GIS 隔离机构的故障是由于装配工艺引起的，而其设计上的分、合闸指示信号均来自其装于A 相的驱动机构，无B、C 相就地机械指示等因素均给故障的判断和处理带来了极大的不便。以上对其连接机构的机械电气改造，不仅解决了连接齿轮间隙过大导致松脱的问题，而且使三相均输出可靠分合信号，从就地机械位置也有直观准确的指示，消除了运行的安全隐患，保障了人员和设备安全，也大大提高了日常维护的便捷性，使电厂生产更加稳定健康。