500 kV开关储能机构异常打压故障分析

李子由，赵银山

（中国南方电网超高压输电公司大理局，云南 大理 671000）

0 前言

高压开关可灵活投切线路、电气设备，配合电网运行方式，快速切除隔离电网故障部分，是电力系统中最重要的控制和保护设备[1]。

液压机构作为一种操作机构，广泛应用于高压断路器中[2]。开关的动作特性直接取决于操动机构，500 kV 开关液压弹簧机构采用差动式工作缸，弹簧储能液压连杆混合传动方式，集成液压回路无外接油管[3]，工作特性基本不受温度变化影响。设备运行过程中，受制造、装配、安装、环境等多种因素影响，液压弹簧机构可能出现闭锁、误动、拒动、无法储能、频繁打压等故障问题[4]。

HMB-8 型储能机构为ABB 公司高压开关的典型操作机构，该液压弹簧机构具有结构紧凑、可靠性高、液压回路集成化程度高且输出功率大、分合闸动作快及安装方便的特点[5]。无外接管路，采用叠型弹簧作为储能元件， 取代传统液压机构的氮气储能方式， 提高了可靠性[6]。弹簧液压机构在有诸多优点的同时也存在结构复杂、加工精度要求高、对材料要求高以及维护工作量大等缺点[7]。长期运行中可能会出现频繁打压、液压油渗漏等问题，现场检修耗时长、处理难，严重影响供电可靠性，应引起足够重视[8]。本文通过±800 kV H 换流站投运以来多起HMB-8 型液压弹簧机构因密封引起异常打压故障的深入分析，详细介绍了异常打压现象、机构动作原理及机构解体后检查情况并提出了机构异常打压的根本原因与防范建议。

1 开关异常打压概况

±800 kV H 换流站地处8°基本地震烈度区，平均海拔2300 多米，2017 年投运，站内共配置了48 台（相）罐式开关，用于交流滤波器场区域，投运至今，通过巡视和每月开关打压次数多维度分析，累计发现了11 起该类型开关储能机构打压异常情况，其中有3 台开关在断开电机电源开展保压试验时，储能机构压力在1～7 min 之间缓慢降至零压，其余8 台开关每天打压3～5 次，每次打压2 s 左右。

2 开关储能机构打压原理

液压机构由储能部分（储压器、油泵和电动机等）、执行元件（工作缸）、控制元件（阀门）和辅助元件四部分组成[9]。如图1，当机构未储能或者是储能不足时，液压弹簧行程开关S1 动作，电机启动，液压弹簧开始储能，当弹簧形变量达到一定值，行程开关复归，电机回路断开，机构打压停止。储能马达启动值为83 mm，停止为84 mm，而过压定值为85 mm，相对行程仅有1 mm，当开关行程开关在启动及停止的行程内反复移动或控制出点反复闭合，产生开关频繁打压现象。

图1 弹簧行程限位开关S1定值示意图

机构高低压油路如图2、3，密封原理采用静密封和动密封两种结构。分、合闸状态下，液压油压力如图所示（红色为高压油，蓝色为低压油）。动作时，机构通过柱塞泵（储能模块内）对机构内液压油加压，推动储能模块活塞运动，压缩碟簧储存能量。开关分合闸动作时，通过合闸电磁阀控制模块内油路，使控制模块内一级阀动作（动作原理与主活塞杆动作原理一致，为压差控制）从而控制主活塞内油路变化。当二级换向阀在高压油的作用下转换到分闸位置时，合闸阀口关闭，转换通道（Z 通道）与常低压通道（T 通道）导通，工作缸活塞下部高压油经过二级阀的分闸阀口返回到低压油箱，工作缸活塞下部形成低压，于是活塞杆在压差的作用下向下运动，带动开关完成分闸动作。当二级换向阀在压差的作用下转换到合闸位置时，合闸阀口导通，转换通道与常低压通道导通，工作缸活塞下部与上部同为常高压状态，由于压强相同但受力面积不同，推动活塞向合闸方向移动，带动开关完成合闸动作。

图2 液压机构高、低压油路状态（合闸位置）

图3 液压机构高、低压油路状态（分闸位置）

3 开关异常打压原因

对于液压碟簧操动机构而言，其极易发生渗漏故障，这主要是由于其密封不良引起的，其泄漏会分为内漏和外漏[10]。根据该类型开关储能机构结构及原理，推测开关储能机构异常打压原因主要有以下几点：

3.1 储能模块及工作缸内漏

1）储能模块活塞以及工作缸活塞密封处采用特殊密封圈密封，当密封圈出现细微裂纹，在没有贯穿之前，打压次数是正常的，在长时间的压力作用下，裂纹会慢慢的张开最后形成贯穿，从而影响打压的次数，此情况下卸压打压多次后，裂纹重新弥合，打压重新保持正常，但或在运行一段时间后此现象会反复重新出现。

2）储能模块活塞、工作缸、主活塞密封、或操作杆存在划痕，导致密封下降，在高油压的作用下使得活塞无法正常保证压力，导致开关异常打压。

3）储能模块及工作缸密封破坏：液压机构在生产、组装、运行过程中产生金属碎屑，在运行过程中，随着开关分合及开关储能动作，金属碎屑在机构内壁造成划痕，破坏储能模块内壁及工作缸密封，使得高压油向低压油缸泄漏，造成异常打压。

4）在制造过程中，由于材质或工艺原因，工作缸内部或存在强度薄弱处，在长时间高压工况下，由于开关动作产生的振动，导致缸体内部出现裂纹，使得高压油向低压油缸泄漏，造成异常打压。

3.2 开关液压油异常

油内有杂质，杂质附着在各模块密封圈上使得密封系统密封不严，导致频繁打压，如果操作几次，或卸压打压多次后，液压油经过自滤系统或将机构内的油重新过滤，或换新油可以消除此现象。

油内含有气体，当气泡进入储能模块活塞缸内，在机构打压过程中气泡逐渐被压缩直至打压停止，当停止打压后被压缩的气体相比液压油会更快恢复体积，行程开关会很快降低至与启动打压值非常接近的位置，由于液压机构本身存在慢渗现象，机构压力会慢慢地降低，在气泡的作用下会更快地到达打压启动值，从而产生异常打压现象。

3.3 控制模块异常

控制模块通过控制换向阀的导通与关闭，从而控制开关动作，当换向阀（二级阀）阀口的阀线有划痕、变形，阀门卡涩、异物堵塞或损坏时，高压油通过密封损坏处流入低压油室，造成开关异常打压。

控制模块线圈（一级阀）靠弹簧压迫钢珠密封，当阀口存在贯穿划痕、损坏，或弹簧发生错位、弹性疲劳时，导致密封不良，高压油向低压区渗漏，造成异常打压。

3.4 安全阀异常

安全阀（手动卸压阀）阀口有划痕、变形，现场安装位置不正确，或泄压阀弹簧疲劳时，也会导致高压油流入低压油室，造成开关异常打压。

安全阀把手顶块安装不到位，由于振动的作用使得安全阀误动作，导致压力下降至启动油泵压力，引起异常打压。

3.5 充压模块异常

柱塞泵内部止回阀损坏造成高压缸内油通过柱塞泵向低压缸渗漏，引起开关异常打压。

柱塞泵与油缸压接的密封圈损坏，导致高压油通过密封圈向低压缸渗漏，引起异常打压。

3.6 二次回路故障

行程开关凸轮与微动开关触点配合故障，导致储能开始与结束的行程距离小于1 mm，使得开关异常打压。

微动开关出现触点变形，或者触点弹片受潮氧化变质，失去原有弹性等状况。当机构内压力下降至启动值时，受环境温度变化或外界振动等因素影响，行程开关触点反复开断闭合，使得电机反复启动，造成异常打压。

行程开关、齿轮杆、压力释放阀（安全阀）配合故障，使得储能停止行程位置与压力释放行程位置过于接近，当压力释放阀在储能完成位置时或发生动作，使得开关短暂释能，行程开关行程靠近打压动作位置。

4 现场检查情况

4.1 返厂机构解体情况

现场对在断开电机电源后，储能机构压力在1～7 min 之间缓慢降至零压的3 台开关储能机构返厂解体，开关储能机构解体检查结果一致：储能机构外观均无异常；储能机构的碟簧正常；储能机构的工作缸和工作缸活塞均无异常；储能模块中储能缸无异常，储能活塞的密封环存在不同程度损坏。

4.2 抽取的开关现场检查情况

现场抽取每天打压3～5 次，每次打压2 s 左右的8 台开关（累计开关动作次数在1262～1623次）进行液压机构储能模块拆解检查及维修，此外再抽取4 台打压正常的开关进行检查对比，结果显示：该8 台开关储能活塞的密封环均存在不同程度损坏，抽取的正常打压的4 台开关（累计开关动作次数在1332～1426 次），其储能活塞的密封环也存在较轻微的磨损，且随着操作次数的增加，开关储能活塞的密封圈损坏越严重。

5 检查结果分析

通过解体检查发现，储能活塞的密封环损坏导致机构内漏是造成此次500 kV 开关HMB-8型储能机构打压异常的原因。

无论是分闸还是合闸，储能机构碟簧均通过储能模块活塞将能量释放至液压系统中，储能模块内部结构如图4 所示，动作时活塞在储能模块缸内快速运动，其中，导向环用着动作润滑及导向，保护密封圈的作用，密封圈作为动密封，保持液压系统压力。如图5 所示，当储能缸内存在杂质或其他异常时，容易损坏储能模块活塞密封环，引起密封失效，导致机构打压异常出现。

图4 储能模块内部结构

图5 储能模块储能前后对比

造成储能活塞的密封环损坏的原因主要有以下几个：

1）装配工艺缺陷：活塞环在装配过程中首先将活塞环放在100℃液压中利用热胀冷缩的原理使其膨胀，然后安装在储能模块的活塞上，随着温度的变化使活塞环收缩在密封槽中（为了加速其缩变和定位可以使用工装）。活塞环若没有准确地安装在密封槽中，随着操作次数的增加，密封环损坏严重，引起储能模块中的活塞处高低压油泄露导致机构异常打压。

2）受力不均：如图6 所示，现场解体检查发现储能缸内活塞杆上部的密封环磨损较为严重，下部的密封环磨损比较轻微。储能模块活塞杆在储满能状态下与碟簧法兰盘连接，受碟簧和法兰盘的重力影响下，活塞杆密封环承受的上部压力大于下部压力，储能模块在来回分合储能过程中，密封环受力不均易导致密封不严。

图6 储能模块原理

3）材质缺陷：该类型开关机构储能模块活塞杆的密封环材质为丁晴橡胶，根据本次开关储能机构解体检查，其密封环均受到不同程度的磨损，情况严重时影响活塞杆储能过程中的主密封。其次随着开关动作次数的增加，磨损程度也会进一步加剧，因此判断密封圈的材质问题也是影响开关异常打压的因素。

6 结束语

机构频繁打压大多数是由于材料和制造工艺的问题[11]。为了提高该类型开关运行质量，一是要把控好活塞环的装配工艺质量，确保开关液压机构储能模块的活塞环要准确安装在密封槽中。二是要保障储能模块活塞环的材质质量，改善活塞环的材质，提高活塞环的使用质量和寿命。三是调整该类型开关的维护周期，对开关动作次数超过1500 次的储能模块活塞环进行检查和更换。四是做好开关的打压次数多维度分析工作，通过多维度分析，及时发现开关打压异常并及时处理，防止故障范围扩大。本文基于高海拔地区±800 kV H 换流站500 kV开关储能机构异常打压事件，经现场检修、机构解体及原因分析，认定机构储能活塞的密封环损坏是储能机构异常打压的原因，并在安装工艺、材质、运行维护等方面提出了防范建议，为今后类似典型故障的判断及检查处理提供可靠依据。