拐臂脱离后隔离开关机械性能试验研究*

张宏伟

(国网甘肃省电力公司 金昌供电公司，甘肃 金昌 737100)

0 引 言

GW□-800 型隔离开关传动连接部件防松脱措施不足，仅采取备帽及顶丝防松脱，在持续大风、强风等特殊天气情况及特殊运行方式下容易发生松动、脱落[1]。 同时，超高压隔离开关整体尺寸较大，高空部件距离地面超过9 m，日常运行维护及常规巡视难以发现防松脱型缺陷。

正常运行中，隔离开关操作连杆机构的端关节轴承与拐臂连接螺母松脱，自润滑杆端关节轴承与拐臂间用螺纹连接后，需再背一螺母锁紧，然后在拐臂侧面设计顶丝，进一步巩固螺纹，从而实现四连杆机构对隔离开关分闸位置的锁定。 当杆端关节轴承与拐臂连接螺纹松脱，会使四连杆机构无法控制导电闸刀，导电闸刀处于自由状态，遇大风等恶劣天气，极易造成设备事故。

笔者通过分析三柱水平翻转式隔离开关传动连接部件松动脱落故障，结合保护和安全自动装置动作情况，分析和论证类似故障产生的原因，提出针对性的改进措施，对保障电网安全运行具有重要意义。

1 事故概况

某750 kV 变电站750 kV 系统采用3/2 接线方式，2021 年6 月18 日16 时32 分，受大风影响，该变电站处于分闸状态的GW□-800ⅡD 三柱水平翻转式隔离开关A 相向合闸方向发生位移，造成该相隔离开关动触头对地放电。 由于放电位置处于2 号主变压器差动保护范围内，导致2 号主变压器三侧断路器跳闸。 事故造成某省南部5 个市(州)220 kV 电网与省级主电网解列运行，对南部电网安全稳定运行造成极大影响。

1.1 隔离开关概况

本次故障隔离开关型号为GW□-800ⅡD 型，三柱式水平旋转，两侧均附有接地刀闸，系某高压开关有限公司自主研发生产，2020 年5 月出厂，2020 年11 月投运。 参数如表1 所列。

表1 隔离开关参数表

该型号隔离开关由主导电、绝缘子、底座、支座等部件组成，采用全装配式模块化、翻转式刀闸设计，具有低操作力矩、高触头压力、自清洗触头、破冰能力强等优点[2]，安装、检修方便。

1.2 故障概况

事故当日天气晴，气温31 ℃左右，风力9 级。750 kV 系统3/2 接线第Ⅱ串7521(边)和7520(中)断路器停电检修，752027 接地刀闸(7520 与7522 断路器间)处于合闸状态，7522(边)断路器运行。 16 时32 分，受大风影响，75202A 相隔离开关向合闸方向发生位移，由于752027 接地刀闸处于合闸状态，造成75202A 相隔离开关动触头对地放电。 因放电位置处于2 号主变压器差动保护范围内，造成主变压器差动保护动作跳闸，南部电网与省级主电网解列运行。

2 号主变压器三相本体外观未发现异常，三侧设备外观无异常、三侧避雷器未动作。 分析继电保护及安全自动装置动作情况，750 kV 母线经7522 断路器流向故障点短路电流为8.5 kA，2 号主变压器750 kV侧流向故障点短路电流为2.074 kA，故障点短路电流共计10.574 kA。

2 原因分析

现场检查，发现75202 隔离开关(7520 断路器靠近7522 断路器侧)三相位置不一致，B、C 两相处于正常分闸状态，而A 相动触杆在风力作用下水平摆动。

进一步检查，发现75202A 相隔离开关传动瓷柱上端与动触杆传动盒之间的拐臂连接脱离，如图1 所示。 造成A 相隔离开关动触杆处于自由活动状态，在风力作用下发生水平旋转并接近静触头，因752027 接地刀闸处于合闸状态，导致75202A 相隔离开关动触头对地放电。

图1 拐臂连接脱离图

2.1 主导电闸刀传动原理

主导电闸刀如图2 所示。

图2 导电闸刀示意图

隔离开关合闸时，由操动机构带动中间操作绝缘子做旋转运动，通过四连杆机构带动固定在中间支柱绝缘子上的导电闸刀，使导电闸刀随之同步旋转70°，动触头旋入静触头，中间操作绝缘子继续旋转，通过连杆带动使导电闸刀翻转45°。 如图3 所示。

图3 主导电闸刀传动原理图

传动四连杆机构主要由操作绝缘子上方的拐臂1、支柱绝缘子上方的拐臂2、自润滑杆端关节轴承和拉杆等部件组成，自润滑杆端关节轴承一端固定在拐臂上，另一端与拉杆连接。 如图4 所示。

图4 传动四连杆机构原理图

2.2 抗风载荷能力计算验证

该变电站地处亚欧大陆腹地山间盆地，四面环山，属于典型的大陆性暖温带荒漠气候，日照充足，热量丰富但又极端干燥，大风频繁且降雨稀少，以“风库”著称[3]。

基于其大风频繁的气候特点，必须对导电闸刀的传动及锁定结构的抗风载荷能力进行计算验证[4]。抗风性能检测需模拟风荷条件，在风荷环境下对试件施加均匀风荷载[5]，对其变形情况及连接固定等整体进行评估。

(1) 隔离开关所受风压

风压是指垂直于气流方向的平面所受到的风的压力[6]。 根据伯努利方程得出风-压关系[7]，计算出隔离开关所受风压如下[8]:

式中:wp表示风压，kN/m2；ρ表示空气密度，kg/m3；v表示风速，m/s。

由于空气密度ρ和重度γ的关系为:γ＝ρ×g，因此，可得:

式(2)为标准风压公式。 在标准状态下(气压为101.325 kPa，温度为20 ℃)[9]，空气重度γ＝0.012 25 kN/m3，纬度为45°处的重力加速度g＝9.8 m/s2。

需要特殊说明的是，空气重度和重力加速度随着纬度和海拔高度而变化，此处取标准状态和变电站所处纬度值[10]。 因此，可得:

该型号隔离开关的迎风面积为18 m2，其中导电杆处迎风面积约为2 m2。 9 级风属于烈风[11]，风速为20.8 ～24.4 m/s[12]，按隔离开关所能承受的风速34 m/s计算，则隔离开关所受风压为wp＝v2/1 600＝342/1 600＝0.722 5 kN/m2。

因此，受最大风力影响，隔离开关在分闸状态向合闸方向运动所受的力转换到四连杆拉杆上应为

0.722 5×2＝1.445 kN。

(2) 螺栓的惯性矩

材料抵抗弯曲的能力通常用几何量惯性矩来表示[13]。 截面惯性矩是衡量截面抗弯能力的几何参数[14]，是指截面各微元面积与各微元至截面上某一指定轴线距离二次方乘积的积分[15]。 圆形截面的惯性矩计算公式为:

式中:d表示截面的直径，m。

螺栓直径为d＝2 cm＝2×10-2m，则M20 螺栓横截面的惯性矩为:

零件截面形状或尺寸对零件受力、受弯矩、受扭矩等影响通常用截面系数来表示，用以计算零件、构件的抗弯强度和抗扭强度，或者用以计算在给定的弯矩或扭矩条件下截面上的最大应力[16]。 M20 螺栓截面系数为:

(3) 螺纹所受剪切应力

剪切应力是应力的一种，指单位面积上所承受的剪力，力的方向与受力面的法线方向正交[17]。 剪切应力的计算公式如下[18]:

式中:V表示计算截面上所受的剪力，kN，V＝1.445 kN；S表示计算截面面积，m2，S＝π×r2＝3.14×10-4m2。

则，M20 螺纹所受剪切应力为[19]:

即:τ＝46 020 kN/m2≈46 MPa

M20 螺纹材料为Q235A 碳素结构钢[20]，该材料的抗拉强度Rm＝375 MPa，其许用剪切应力[τ]＝150 MPa＞46 MPa[21]。

因此，根据上述计算结果，可以验证风力在9 级及以下时，不会影响GW□-800 型隔离开关的机械性能。

2.3 原因分析及结果确定

为防止螺纹松脱，自润滑杆端关节轴承与拐臂间用螺纹连接后，需再背一螺母锁紧，锁紧后在拐臂侧面设计有顶丝，用来进一步固定螺纹。

(1) 装配或调整过程中，锁紧螺母漏装或未完全紧固，多次操作后或长期风载的细微振动，最终导致螺纹间隙增大及螺母脱落，造成螺纹松脱。

(2) 顶丝紧固力矩不足，不能有效破坏杆端关节轴承螺纹部分牙形，没有起到其应有的紧固作用。 如图5 所示。

图5 顶丝紧固力矩不足图

(3) 对隔离开关解体检查，发现四连杆机构中，杆端关节轴承与拐臂1 连接螺纹松脱，导致四连杆机构无法控制导电闸刀，在支柱瓷瓶上的导电闸刀处于自由状态，受大风影响，隔离开关由分闸位置向合闸方向移动。 因此，此处螺纹脱落是造成此次故障的主要原因。

3 处理及改进措施

3.1 改进措施

经过分析讨论，确定解决GW□-800 型隔离开关操作四连杆机构的杆端关节轴承与拐臂连接螺母松脱的问题主要从更换自润滑杆端关节轴承螺母下部不锈钢开口销着手。

对自润滑杆端关节轴承进行改进，在螺杆上增加孔，以便于螺母背紧后，在螺母下部用不锈钢开口销进行固定，再增加一道防松措施，可以有效避免螺母脱落。 如图6 所示。

图6 自润滑杆端关节轴承增加孔图

3.2 预防措施

(1) 对发生故障的75202 隔离开关的B、C 相及其它同型号、同厂家的隔离开关进行全面检查，锁紧螺母紧固、导体未发现异常情况。

(2) 在螺纹连接体中，当螺栓中产生拉伸轴向力时，螺牙斜面上半径方面分力，螺母会产生弹性径向扩张；由于泊松比的关系，螺栓会产生弹性径向收缩[22]。 在交变载荷作用下，由于螺纹升角的影响产生沿螺纹牙斜面松弛滑移的趋势，从而使螺纹接触面摩擦系数逐渐减小，摩擦系数降到滑移条件[23]。

为防止因类似问题导致的故障，须增加防松处理，对于一些可拆卸的部位，用到的摩擦防松较多，它是靠增加摩擦角起到防松作用，其中螺纹处涂厌氧胶，固化后粘接在配合螺纹，达到防松目的。 对已经投运、在用的同型号隔离开关，在螺纹接触处涂厌氧防松胶[24]，如图7 所示。

图7 螺纹接触处涂厌氧防松胶图

(3) 在停电状态或保证安全的前提下，逐一检查锁紧螺母的紧固性。

(4) 加强设备巡查和监视，发现异常及时处理。运行中，应保证拐臂连杆无弯曲、连接无松动、无锈蚀，开口销齐全，轴销无变位脱落[25]。

(5) 隔离开关操作时，应严格按规范进行，如遇动触头不能插入静触头、卡滞或合闸不到位等问题，应停止操作，待专业检修人员处理。 动触头插入静触头后应检查插入深度是否满足要求、触指握手是否紧固、触头接触是否良好。

4 结 语

针对处于分闸位置的GW□-800 型高压隔离开关动触头向合闸方向偏移，导致动触头对地放电的故障，通过故障原因综合分析，结合隔离开关操动机构动作原理，采用增加隔离开关自润滑杆端关节轴承螺母下部开口销的方法，改进了GW□-800 型隔离开关传动连接部件防松脱措施，彻底解决了GW□-800型隔离开关防松脱型缺陷，具有典型借鉴和推广意义，为超高压翻转式高压隔离开关的安全运行提供了宝贵经验。