高壓斷路器液壓機構(gòu)內(nèi)漏隱患分析及防治

【摘??要】液壓操動機構(gòu)在現(xiàn)今高壓斷路器的應(yīng)用日趨廣泛。本文以一起斷路器因液壓機構(gòu)內(nèi)漏閉鎖開關(guān)分合閘的事件為引子，結(jié)合相關(guān)材料介紹了分析內(nèi)漏缺陷的技術(shù)方法，并通過后臺數(shù)據(jù)收集及測算介紹了挖掘液壓機構(gòu)潛在內(nèi)漏隱患的方法。研究結(jié)果對于提前預(yù)防類似的內(nèi)漏隱患，保障電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行具有重要意義。

【關(guān)鍵詞】液壓操動機構(gòu);工作缸內(nèi)漏;液壓機構(gòu)信號監(jiān)測;后臺大數(shù)據(jù)分析

0?前言

高壓斷路器是電力系統(tǒng)中輸變電最重要的設(shè)備之一，在電力系統(tǒng)中起到控制和保護作用。斷路器操作機構(gòu)是供斷路器使用的電氣控制設(shè)備，其中液壓機構(gòu)是目前高壓斷路器配備較廣泛的操動機構(gòu)之一。據(jù)統(tǒng)計本單位在運的GIS設(shè)備中，110kV及以上配備液壓機構(gòu)的斷路器占比達30.8%，220kV及以上配備液壓機構(gòu)的斷路器占比達69.5%。而液壓機構(gòu)故障引發(fā)的重大及緊急缺陷中，以機構(gòu)滲漏油、打壓異常為主。統(tǒng)計近兩年的生產(chǎn)管理系統(tǒng)液壓機構(gòu)缺陷中，上述兩項占比達90%以上。

如機構(gòu)存在內(nèi)漏隱患并在較短時間內(nèi)油壓快速降低，造成機構(gòu)發(fā)出“低油壓報警”信號、“低油壓閉鎖”信號閉鎖開關(guān)分合閘時則需要緊急臨時停電處理，同時會造成擴大停電范圍或解鎖操作方能隔離?？梢姡槍σ簤簷C構(gòu)內(nèi)漏隱患的研究是有緊迫必要性的。本文針對內(nèi)漏產(chǎn)生的原因及隱患發(fā)掘防治進行了探討及分析。

1?事件引子

2018年9月6日，調(diào)度通知220kV某變電站#2主變變中1102開關(guān)后臺發(fā)“低油壓閉鎖”、“低油壓報警”信號?，F(xiàn)場隔離后經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)機構(gòu)顯示未儲能，并伴有明顯燒焦味，機構(gòu)箱內(nèi)未見滲漏油現(xiàn)象。經(jīng)測量儲能電機燒損，更換電機后打壓至1/3時無法繼續(xù)建壓，綜合判斷機構(gòu)存在內(nèi)漏缺陷。該機構(gòu)運回基地解體后，檢查其管路間的密封部位及密封O型圈并無明顯的結(jié)構(gòu)性破損，進一步檢查發(fā)現(xiàn)工作缸體內(nèi)部有兩處裂紋，分別在碟簧與工作缸體連接處，及高壓油路節(jié)流閥處。

2?液壓機構(gòu)內(nèi)漏分析方法

液壓機構(gòu)出現(xiàn)內(nèi)漏，即因高低壓油路間的密封不良而導(dǎo)致。而高低壓油路的直接導(dǎo)通則會引起如上述事件的壓力短時間內(nèi)快速下降而電機長時間運轉(zhuǎn)而無法建壓，開關(guān)閉鎖分合閘的情況。上述機構(gòu)經(jīng)解體后，發(fā)現(xiàn)其缸體上的兩處裂紋，裂紋深度是否貫穿導(dǎo)致了高低壓油路的導(dǎo)通，此處缺乏檢測并不能斷定。但通過對歷史的內(nèi)漏缺陷的分析，并結(jié)合相關(guān)文獻，可以總結(jié)有效的分析方法及思考方式。

2.1排查設(shè)計原因

首先，需排除工作缸厚度或組件設(shè)計缺陷的干擾。因現(xiàn)有設(shè)備液壓機構(gòu)的工作缸多為進口的集成式一體化缸體，而合資廠方配置不同的組件會導(dǎo)致其密封不良或局部過壓，如ABB原廠針對110kV液壓機構(gòu)HMB-2系列液壓機構(gòu)的碟簧配置為6片，而國產(chǎn)廠家的碟簧配置為7片，可合理懷疑上述碟簧與工作缸體連接處是因裂紋若管路間夾層厚度設(shè)計與碟簧配置失配，導(dǎo)致其缸體的無法滿足在儲滿壓狀態(tài)下碟簧連接處的應(yīng)力。長期擠壓式缸體產(chǎn)生裂紋并逐漸加深形成內(nèi)漏。

2.2檢查油路密封件

在對該型機構(gòu)（ABB?HMB-2）進行拆解的過程中，發(fā)現(xiàn)高壓油路的密封件由聚四氟乙烯（PTFE）密封圈以及尼龍平墊構(gòu)成。聚四氟乙烯密封圈因其化學(xué)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性、抗摩擦性及自潤滑性良好而杯廣泛應(yīng)用于液壓密封中。但當(dāng)油質(zhì)劣化或存在雜質(zhì)以及操作中的局部過壓易導(dǎo)致其密封件損壞，從而導(dǎo)通高低壓油路。例如在活塞桿密封部位，其上下兩端在分閘位置時兩端分別承受高低壓力，一旦密封件損壞則內(nèi)漏直接導(dǎo)通高低壓油路而發(fā)生壓力快速下降直接閉鎖開關(guān)的事件。因此當(dāng)機構(gòu)發(fā)生內(nèi)漏解體檢查時，需檢查機構(gòu)油路密封處的密封件是否存在結(jié)構(gòu)性破損。

2.3檢測缸體鋁合金材質(zhì)

機構(gòu)油路管壁材質(zhì)為7系鋁合金材質(zhì)，7系鋁合金為鋅鋁合金，其中加入了少量的鎂和銅，有很高的硬度，常用于飛機構(gòu)架及高強度配件。但如鋁合金材質(zhì)不合格則會導(dǎo)致強度、硬度不足導(dǎo)致其無法長期承受油路高壓，并產(chǎn)生裂紋。，此時需檢測本批次產(chǎn)品的金屬成分，并對其進行機械、物理、化學(xué)、腐蝕、磨損試驗和無損檢測以及工藝性能試驗，而在發(fā)生內(nèi)漏后，如需確定該裂紋是否貫穿并導(dǎo)致了內(nèi)漏隱患，需對裂紋進行金相組織檢測[2-6]

表?1?液壓缸體鋁合金材質(zhì)檢測方法

通過對裂紋樣塊進行金相分析，在高倍數(shù)顯微鏡下觀察其裂紋的走向以及延申的趨勢?？芍庇^的觀察出其是否貫穿。[3]

2.4開展機械特性試驗、檢測分合閘應(yīng)力云圖

通過查閱相似情形的分析報告，可見550kV開關(guān)的液壓機構(gòu)合閘狀態(tài)下，工作缸等效應(yīng)力都分布集中在高壓腔內(nèi)壁，平均應(yīng)力為130Mpa?左右，最大應(yīng)力為283Mpa左右，分閘狀態(tài)下，平均應(yīng)力為130Mpa?左右，最大應(yīng)力為250Mpa左右。

液壓機構(gòu)高壓油路因分合閘過程中進行開關(guān)特性試驗可檢測開關(guān)在分合閘過程中的瞬間速度并計算其操作功以輔助判斷，或如上述分析報告中以檢測分合閘過程中的應(yīng)力云圖的方式，如操作功過大使機構(gòu)長期受應(yīng)力是有可能導(dǎo)致產(chǎn)生局部過壓而使管路產(chǎn)生裂紋。[7]

2.5檢測活塞桿及工作缸中心長孔加工公差

高低壓油路在工作缸中心長孔的密封尤為關(guān)鍵，發(fā)生過因活塞桿應(yīng)力磨損損壞密封后后產(chǎn)生內(nèi)漏的相似事件，而工作缸中心長孔主要由長孔的加工及活塞桿的加工為主。加工管路或活塞桿時，車床刀頭產(chǎn)生震動或偏移以致油路前后端管徑存在形位公差，使管路產(chǎn)生應(yīng)力不均并發(fā)展成內(nèi)漏。該類公差的測量可由擺儀以及千分尺工具進行測量，測量活塞桿或工作缸中心長孔的管徑是否在公差允許范圍內(nèi)，并檢查其前后端加工時是否存在偏心。

3?內(nèi)漏隱患排查及防治方法

電力設(shè)備的狀態(tài)檢修和設(shè)備運行的可靠性、經(jīng)濟性密不可分。電網(wǎng)運行中，需要依據(jù)電力設(shè)備運行大數(shù)據(jù)來分析設(shè)備可能發(fā)生故障情況，進而執(zhí)行對應(yīng)的狀態(tài)檢修策略，來保證電力設(shè)備穩(wěn)定可靠的運行。

3.1應(yīng)用大數(shù)據(jù)分析的意義

在大數(shù)據(jù)時代背景下，為科學(xué)的分析、判斷設(shè)備運行狀態(tài)，需要收集大量的設(shè)備正常運行及故障狀態(tài)下的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。結(jié)合目前生產(chǎn)運行數(shù)據(jù)，計劃針對斷路器設(shè)備的重要運行狀態(tài)信息進行收集。

但現(xiàn)有的數(shù)據(jù)樣本及能處理的數(shù)據(jù)信息仍有不完整，人工統(tǒng)計存在滯后性等問題。無法對于多數(shù)據(jù)進行監(jiān)控以及預(yù)警。

以下是通過手工統(tǒng)計分析的單一站點的數(shù)據(jù)資料，重點分析了該站220kVGIS液壓機構(gòu)的兩方面性能：

（1）電機打壓的效率、頻度：電機回路主要由延時繼電器SJ、熱偶RJ對電機起保護作用。此處主要統(tǒng)計分析電機打壓的效率（每次打壓的時間）、以及電機啟動的頻度（單位時間內(nèi)打壓的頻次），以上數(shù)據(jù)的收集和監(jiān)控對于電機的工況能更好的監(jiān)視，并能反映機構(gòu)潛在的內(nèi)漏隱患。

（2）機構(gòu)保壓性能：對于存在內(nèi)漏隱患的液壓機構(gòu)，從側(cè)面來說統(tǒng)計電機打壓的頻度不足以具體的展現(xiàn)其保壓性能的優(yōu)劣，通過機夠兩次打壓間隔時間，并通過打壓啟動及復(fù)歸的壓力值或現(xiàn)場實測的碟簧形變量數(shù)據(jù)可以測算出漏壓速率可以更具體的反應(yīng)機構(gòu)的保壓性能。

3.2樣本設(shè)備信息

為了進一步分析液壓機構(gòu)的運行工況，及時的發(fā)現(xiàn)設(shè)備隱患，并采取有針對性的策略。在此選取了220kV某站北京宏達日新的開關(guān)設(shè)備作為數(shù)據(jù)樣本進行統(tǒng)計。在此需要說明的時，ABB液壓機構(gòu)低油壓報警壓力低于電機啟停泵壓力，而電機啟停泵信息未接入后臺，因此無法作為樣本進行數(shù)據(jù)分析，而北京宏達日新的液壓機構(gòu)電機啟泵壓力與低油壓報警壓力一致，因此數(shù)據(jù)分析的樣本具有可參考性。

3.3樣本信息采集方法

3.4打壓頻度統(tǒng)計分析結(jié)果

統(tǒng)計該站2018年全年后臺該站數(shù)據(jù)統(tǒng)計，存在以下兩個打壓頻繁的#1主變變高2201開關(guān)及220kV1M、2母聯(lián)2012開關(guān)間隔。其中在年度總打壓次數(shù)偏高，平局日打壓次數(shù)超出了技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中的液壓機構(gòu)部分的“24h打壓次數(shù)不超過6次”的條款[1]，因此針對這兩個開關(guān)間隔進行了進一步分析。

3.5打壓頻次統(tǒng)計分析結(jié)果

進一步對上述兩個開關(guān)單日的打壓次數(shù)進行統(tǒng)計可發(fā)現(xiàn)，兩個開關(guān)均有單日打壓次數(shù)超過30次的情況，并隨著時間推移并沒有逐漸增高的趨勢。但其打壓頻度的數(shù)據(jù)可進行進一步分析，由于220kV液壓機構(gòu)為分相式，但后臺數(shù)據(jù)并沒有對單相機構(gòu)的打壓數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計。同時電機打壓的頻度與機構(gòu)內(nèi)部壓力有關(guān)，其用于發(fā)信過程關(guān)并非ABB型的通過碟簧型變量及絲杠擠壓行程開關(guān)，而是壓力開關(guān)易受溫度的壓力開關(guān)，同時操作及檢修等因素的對于數(shù)據(jù)統(tǒng)計也有一定影響。需進一步結(jié)合以上因素對數(shù)據(jù)進行補償、優(yōu)化。

開關(guān)打壓次數(shù)偏高與內(nèi)外部油路密封性息息相關(guān)。持續(xù)觀察并在周期性檢修維護工作中，對于此類存在隱患的開關(guān)進行保壓測試，并可結(jié)合表2中的方法進行實測數(shù)據(jù)參數(shù)計算漏壓速率

3.6保壓性能統(tǒng)計分析結(jié)果

兩次打壓時間間隔使對于液壓機構(gòu)保壓性能的直觀體現(xiàn)，同時兩次打壓時間間隔的可以幫助測量漏壓速率，兩次打壓的時間間隔越短說明其漏壓速率越快。而漏壓快的機構(gòu)其電機打壓也越頻繁，越容易出現(xiàn)儲能電機的故障并因此形成類似上述事件的設(shè)備隱患，影響電力系統(tǒng)的可靠運行。針對打壓次數(shù)較多的2012開關(guān)間隔進行了兩次打壓間隔時間的統(tǒng)計，如其間隔時間逐漸降低則說明其保壓性能存在劣化趨勢，而在2012開關(guān)的統(tǒng)計中并未發(fā)現(xiàn)該種趨勢但其間隔時間仍不容樂觀。

3.7?打壓時間統(tǒng)計分析結(jié)果

通過后臺數(shù)據(jù)報警信號的動作復(fù)歸時間做差，可得出各間隔儲能電機在報警動作復(fù)歸過程的打壓時間。電機是儲能模塊的重要元件，如電機故障則會導(dǎo)致在操作后無法順利建壓，打壓時間的長短是對電機性能的考量，打壓時間過長的電機可能因電機性能、電源參數(shù)不佳導(dǎo)致故障。而單間隔打壓時間的曲線也可反應(yīng)電機運行過程中的老化程度，由下表可見各間隔電機打壓時常均在正常范圍。

但由于各個間隔報警動作復(fù)歸壓力區(qū)間的大小存在差異，對于在這個區(qū)間內(nèi)的打壓效率也不盡相同，不足以具體的體現(xiàn)該間隔電機的實時工況。下面進一步對單一間隔的打壓時間進行了統(tǒng)計分析，可以發(fā)現(xiàn)油泵電機在單位壓力差內(nèi)的打壓時間有逐漸增加的趨勢，但整體仍在正常范圍內(nèi)。

4?結(jié)論

通過對于內(nèi)漏缺陷分析方法的探討，加深了對于液壓機構(gòu)集成式一體化缸體缺陷的分析深度，豐富了分析的方式方法。并為內(nèi)漏缺陷的自主探索提供了渠道，使諸如此類的缺陷分析不會止步于發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)性損壞、發(fā)現(xiàn)裂紋的層面。

而通過上述的數(shù)據(jù)分析，結(jié)合后臺數(shù)據(jù)針對液壓機構(gòu)的統(tǒng)計分析，有助于挖掘出潛在的內(nèi)漏隱患。

通過日打壓次數(shù)超標(biāo)可挖掘打壓頻繁的設(shè)備，通過兩次打壓操作的間隔時間能反映其機構(gòu)保壓性能的優(yōu)劣，通過電機儲能時間的測算能檢查其電氣元件、二次回路是否存在異常或工況惡化。為挖掘潛在的液壓機構(gòu)內(nèi)漏隱患提供依據(jù)，并為運維人員在檢修維護的過程中提供數(shù)據(jù)參考，同時針對性的開展更詳盡的試驗以驗證其開關(guān)機構(gòu)的可靠性。

以上統(tǒng)計介紹了相關(guān)的方法并進行的統(tǒng)計測算分析，測算數(shù)據(jù)存在干擾項。其中開關(guān)分合閘操作、220kV機構(gòu)三相未獨立信號、ABB液壓機構(gòu)無電機啟停泵信息、人工測算存在滯后性等因素均需在此種測算方式的基礎(chǔ)上對后臺信號、測算算法進行優(yōu)化和改良，并得出更準(zhǔn)確的監(jiān)測數(shù)據(jù)。

參考文獻：

[1]GB/T?2879-2005，液壓缸活塞和活塞桿動密封?溝槽尺寸和公差[S]，北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2005

[2]GB/T?231.1-2018，金屬材料?布氏硬度試驗?第1部分：試驗方法[S]，北京，中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2018

[3]GB/T?3488.2-2018，硬質(zhì)合金顯微組織的金相測定?第2部分：WC晶粒尺寸的測量[S]，北京，中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2018

[4]GB/T?4340.1-2009，金屬材料?維氏硬度試驗?第1部分：試驗方法[S]，北京，中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009

[5]GB/T?228.1-2010，金屬材料拉伸試驗?第1部分：室溫試驗方法[S]，北京，中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2010

[6]GB/T?17432-2012，變形鋁及鋁合金化學(xué)成分分析取樣方法[S]，北京，中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2012

[7]吳德新，550KV?GIS彈簧液壓機構(gòu)的研究[D]，碩士學(xué)位論文，沈陽工業(yè)大學(xué)，2002

作者簡介：

傅川岳（1993-），深圳供電局有限公司助理電氣工程師，本科，從事變電設(shè)備檢修及運維工作。

（作者單位：深圳供電局有限公司）