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两类220kV SF6开关运行中出现的重要问题及对高压开关有关问题的探讨 |
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| 两类220kV SF6开关运行中出现的重要问题及对高压开关有关问题的探讨 |
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作者：佚名 文章来源：不详 点击数： 更新时间：2008-9-24 9:22:50  |
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摘要：介绍了沈阳高压开关厂LW11-220和ABB HPL245两类SF6开关在韶关电厂使用中出现的拉杆断裂、自动合闸、拒合等重要问题。其中LW11-220开关的一些重要问题是通过高频保护的误发信号和分析故障录波图以及开关特性试验时及时发现的，避免了事故的发生，发现过程具有启发性。针对这两类开关在使用中出现的问题分析了原因，对高压开关的管理和维护、操作机构等有关问题进行了探讨，提出了加强高压开关管理，转变维护方式的建议。
关键词：SF6开关 高频保护 故障录波图 开关管理 操作机构
韶关电厂从1996年开始使用220kV SF6开关。早期因进口开关价格昂贵，因此选用了三台沈阳高压开关厂生产的LW11-220型SF6开关，分别用于韶关电厂老厂220kV升压站的母线联络开关、韶田线开关和韶曲丙线开关。1998年后，因进口SF6开关的价格与国产SF6开关的价格已具有可比性，因此此后的10台开关选用了ABB HPL245型开关，其中早期的3台是原装进口，后期的7台是北京ABB在国内组装。这两类开关投运后，先后出现了拉杆断裂、自动合闸、储能齿轮破裂、缓冲机构变形、拒合等重要问题，特别是LW11-220型开关，险些酿成重大事故。
1 LW11-220开关的重要问题及其发现过程
1.1 连杆断裂问题
2002年1月20日，韶关电厂准备用220kV母联开关对检修后的#3主变进行充电。220kV升压站进行倒闸操作，在已经空出一组母线后，跳开母联开关。此时四条220kV出线的高频保护的收发信机突然都启动长期发信，而且无法复归。运行人员当即停止倒闸并将母联开关合上，所有保护均恢复正常。为查清所有高频保护同时突然启动发信的原因，再次将母联开关跳开，上述异常情况再次出现，但继续将母联开关一侧的刀闸拉开后，上述异常又全部消失。根据上述情况，估计所有高频保护同时发信是由同时作用于各条线路的干扰所引起，而引起这一现象的直接操作来自母联开关，因此判断母联开关内部有问题。于是立即将此开关停运并进行检查。停运后，开关在分闸状态下用2500伏摇表测绝缘，B相断口间绝缘为0。对该断口加压，70伏时即发生击穿。这些试验说明B相未完全分开。解体B相，发现绝缘拉杆与操作机构之间的黑色连杆已经断裂。此连杆使用的材质为A3钢，经按原尺寸用#45钢制作新的连杆换上，调整各项数据合格后投运。
由于连杆断裂，母联开关在分闸时B相并未彻底分开，实际只分开了很微小的距离，导致动静触头间产生强烈放电，放电产生的强烈干扰通过B相母线传送到所有出线，引起4条采用A、B相高频保护的线路的收发信机均启动发信，在母联处于分闸位置时干扰信号一直存在，故收发信机无法复归。而开关合上或将开关两侧的任一组刀闸拉开时，放电消失，干扰消除，保护自然恢复正常。若用此开关对#3主变进行充电，由于B相连杆断裂，开关机械特性已发生很大变化，充电时的励磁涌流很可能引发事故。
约半年后，这台开关的A相连杆又发生断裂。这次是在定期试验测时间时，发现A相合闸时间缩短而分闸时间加长，经反复调整仍不能合格，而且A相分闸越来越慢。于是对开关解体，发现其连杆已断裂。但从断裂痕迹看出，一开始连杆的两个平行锣孔并未全部断裂而只是单边发生了断裂，因此在这次停运倒闸过程中并未出现异常，但单边断裂后绝缘拉杆的中心已发生偏移，触头在运动时产生轻微卡涩，分合闸时间已经出现异常。在试验时几次操作后全部断裂。
鉴于此型开关已有两相出现连杆断裂，韶关电厂已逐步将三台LW11-220开关的这种连杆全部更换为#45钢连杆。
1.2 自动合闸问题
2003年4月16日，220kV韶田线线路单相永久故障，开关重合后跳开，线路停运检修。第二天，当继保人员打印出故障录波图时，却发现韶田线开关在4月16日的故障中A相重合了两次。首先怀疑保护装置有问题，经对保护装置全面检查却未发现异常。模拟单相故障，重合闸动作正常。三次模拟相间故障时，两次未重合，有一次A相又发生了一次重合，但并无重合闸信号出现。于是判断问题可能不在保护装置本身。为确定问题是在保护装置及其外部回路上，还是在开关本身的操作机构上，将开关合闸后，在开关的就地操作箱上将合闸电源拆除，再模拟相间故障传动，A相仍然发生了一次重合。由此证实，开关机构本身存在自动合闸的严重问题。
LW11-220型开关采用气动分闸，弹簧合闸。当压缩空气将开关分闸时，合闸弹簧同时储能，具备了合闸的能量。开关分闸后能否可靠保持在分闸位置，从机构上来看，取决于分闸复位弹簧能否将挚子复位于扣板中。若分闸后能将挚子复位于扣板中，则开关可靠保持在分闸位置；反之，若挚子不能复位于扣板中，则由于分闸后分闸的气动回路已关闭，而合闸弹簧已储能，挚子处于自由状态，则开关必然不能保持在分闸位置而又将合闸。
经过检查，发现复位弹簧已疲劳，弹力已明显不足。该弹簧在开关合闸运行中长期受压老化，复位时弹力不足，不能将挚子复位于扣板中，引起了A相的自动合闸，这在切除故障时将可能引起开关的多次跳跃，而这种跳跃由于是开关机构本身引起的，是各种防跳措施均无法防范的，因此是十分危险的。
有鉴于此，一方面要及时检查开关复位弹簧的老化情况，及时更换，必要时可增加垫片增大弹簧压缩量，增加复位弹力，但关键是要选用优质弹簧。
1.3 缓冲机构变形问题
缓冲机构变形问题的发现是在进行分合闸时间测试时发现的，开关三相的分合闸时间经调整后均在合格范围内，但相间同期超标，C相的合闸时间比另外两相明显较长。经反复调整，C相合闸时间调整元件已调至尽头，但合闸时间仍然偏大。最后经反复检查，发现位于开关底部的分闸缓冲机构外壳已经断裂歪斜。拆下外壳，发现主缓冲杆已变形，缓冲器内已没有缓冲油。由于这种缓冲器靠油和弹簧进行缓冲，每次分闸，缓冲油受到强烈撞击压缩而有部分挥发。多次操作后，缓冲油已挥发完，失去缓冲效果，结果造成缓冲器受到分闸时的过度冲击，外壳断裂，主缓冲杆变形，导致开关传动系统偏离中心，运动产生卡涩，必然引起开关时间特性的变化。
2 ABB HPL245开关的问题
2.1 机构问题
用于韶关电厂#10机组高压侧出口处的220kV ABB开关在机组尚在调试未正式投运时就发现有一相机构的主齿轮破裂。同样是这台开关，后来又出现了储能小齿轮断齿的情况。用于#10机组启动变的另一台同型开关，出现了拒合情况。经将操作机构整体运回厂家检查，发现机构主轴已扭曲，导致合闸机构机械性闭锁。而用于#5机组高压出口侧的另一台同型开关，在机组检修打开C相三角箱进行检查时，发现箱内有许多银白色丝状铁屑。进一步检查发现，三相联动的主传动杆与C相自身的提升杆在三角箱内十字交叉布置，本来相互间应有一定间隙，但由于制造安装不良，相互间紧贴在了一起，这样开关每次动作时产生摩擦，导致铁屑，提升杆已被磨出银白色。而这台开关是原装进口的。
2.2 拒合
韶关电厂有两台220kV ABB开关在投运后出现过拒合问题。除一台将机构箱整体返厂解体查明是由于主轴变形引起合闸闭锁外，另一台多次出现拒合问题但原因一直未查明。由于这台开关是300MW机组出口侧开关，在机组启动时开关拒合将造成机组无法并网发电，造成巨大的经济损失。
厂家多次来人就拒合问题进行分析。按此型开关机构原理，每次开关合闸后，电动机带动弹簧开始储能，储能完毕后，合闸脱扣器的挚子复位到衔铁的半圆形开口槽内，为下一次合闸作准备。合闸时，合闸脱扣器的电磁铁接收到合闸信号，吸引衔铁抬起，释放合闸挚子，开关合闸。由于开关机构紧密布置，现场又不具备解体条件，拒合时能看到的只有合闸脱扣器的异常。一种情况是合闸衔铁已有部分抬起，但抬起高度不够，挚子未释放，开关未合闸。这种情况人为将衔铁抬起时开关仍能合闸；第二种情况是挚子在释放位置，但开关拒合。第一种情况，厂家先是判断部分零件的光洁度不足引起卡涩，对部分零件进行了打磨，但后来仍出现过拒合；进而怀疑合闸电源偏低，合闸时电磁铁动作功率不足，但合闸时实测电磁铁两端电压正常。第二种情况，一种可能是弹簧储能完毕后，合闸挚子被卡住未能复位；另一种可能是出现了异常的机械闭锁，合闸挚子虽已释放，但机构被闭锁住。这两种情况，都只能手动释放合闸能量，使挚子复位。手动释能需要手摇储能机构数百圈。
对于这台开关的拒合问题，真正原因一直未查明，但机构上肯定存在问题。后来在就地和现场连续进行了40多次操作却又正常，遂投入运行。
3 对高压开关有关问题的思考
3.1 高压SF6开关的管理维护工作亟待加强
许多厂家都声称自己生产的SF6开关是免维护或15年或20年不用检修的，加之一些使用部门长期以来侧重于和习惯于检修而疏于设备管理，因此很容易导致使用部门放松对这些高压开关的管理与维护。事实上，所有开关不存在免维护，只有维护方式的转变。由以往的定期维护向状态维护转变，由大拆大换式的粗放维护向精细维护转变，前提都是作好对开关的运行管理。对于SF6高压开关，管理的重点在于对开关操作次数和分断电流的全面准确统计分析。操作次数对开关操作机构和导电回路的机械寿命有直接影响。达到一定的操作次数后，必然引起机件的疲劳、变形、断裂等问题。分断电流的大小及次数则直接决定着导电回路的电气寿命，分断电流达到一定幅值和次数将使触头烧损到需更换的程度。目前投运的SF6开关在操作次数和实际分断电流大小方面相差很多，必须区别对待，不能以同一标准来进行维护，因此更需要增强开关管理工作。调试中的机组的开关、母线联络开关、频繁调峰机组的开关，操作次数较多，容易提前出现问题。本文中出现重要问题的开关，一台是母联开关，一台是调试中机组的开关，操作都很频繁，都在机构上出现了重要问题。ABB公司提出了基于操作次数与切断故障电流幅值的公式，根据公式计算结果决定是否进行维护和进行何种维护，也反映了这种要求。但目前许多使用单位对开关的实际操作次数、分断电流的大小及次数并未进行准确的统计，从而使高压开关的良好维护失去了基础，一些开关未能及时得到维护，缺陷在运行过程中暴露出来，酿成险情。
另一方面，与以往的油开关相比，与SF6开关维护相关的规程制度尚十分欠缺，这在一定程度上与"免维护"思想的误导有关，这制约了SF6开关维护管理的规范化和制度化。
3.2 应高度重视高压开关的机构问题
高压SF6开关操作功率大，分合闸速度快，对机构的设计、材质、元件都提出了更高要求。韶关电厂有多台SF6开关的机构出现严重问题。从使用情况来看，许多开关的机械操作寿命达不到设计要求。目前的SF6高压开关几乎都声称机械操作寿命在一万次以上，而事实上许多开关远未到这样的操作次数就在机构上出现了严重问题。如本文中提到的几台开关。机构方面的问题体现在几个方面：第一，一些开关操作机构元件的强度不足，投运不长时间就出现变形、破损、断裂；第二，高压开关机构中普遍使用了小弹簧来进行复位、调节，一些对开关机械特性有重要影响的小弹簧材质不佳，过早失效，有些甚致锈蚀；第三，缓冲不良。是否有良好的缓冲对高压开关机构十分重要，一些开关缓冲不良，造成机件冲击过大。油缓冲器在多次操作后油会挥发，若不能及时补油，将直接降底缓冲效果，造成对机构的强烈冲击。本文中的LW11-220开关缓冲器断裂问题也与此有关。因此，必须十分重视对开关机构的检查、维护。
4 对开关操作机构有关问题的探讨
4.1 气动分闸方式的缺点较多
沈高厂LW11-220及其它部分厂家的高压SF6开关采用了弹簧合闸气动分闸。高压开关作为电力系统中最重要的控制电器，保证可靠分闸是第一位的，而采用气动分闸可靠性较低。以LW11-220为例，第一，气路要经过两级气阀控制，回路复杂，涉及元件较多；第二，压缩空气中普遍含水，容易造成元件锈蚀；第三，密封部位多，容易产生泄漏。这些原因导致的问题在韶关电厂都出现过。相比之下，采用弹簧分闸更为简单可靠。采用气动分闸弹簧合闸有些本末倒置。
4.2 过高的分合闸速度是否必须
LW11-220、HPL245及西门子三种220kV开关，HPL245的分合闸速度最快，LW11-220次之，西门子开关最慢。在具体数据上相差较大。HPL245的分闸时间在20MS直右，西门子的分闸时间在40~50MS。LW11-220和HPL245在韶关电厂都出现了较多的机构问题。分合闸速度过快，将对元件材质、强度和缓冲机构提出更高要求。国家有关标准并未对分合闸时间提出统一标准。厂家在设计时，选取过高的分合闸速度似乎并不必要。
5 结束语
SF6开关已大量投入运行。一方面，国产或进口开关仍存在不少质量问题，特别是机构问题仍较多；另一方面，使用部门存在较多"免维护"思想，维护方式发生转变后，设备管理没有跟上，使设备失去了正确的维护。这都使运行中的SF6开关出现一些重要问题。制造厂家应在设计、材质等方面进行改进，同时运行单位应切实转变维护观念，加强设备管理。
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