EIB机构真空断路器主轴故障分析探讨.pdf

292023.08.DQGYCHINA ELECTRICAL EQUIPMENT INDUSTRYPRODVCT AND TECHNIC产品与技术EIB 机构真空断路器主轴故障分析探讨张晓东（天一同益电气股份有限公司）摘要：户内交流真空断路器作为一种重要的绝缘灭弧装置，因其具有体积小、燃弧时间短、恢复速度快等优点，在配电网层面得到较多应用。由于断路器在工作环境中的动作频次较高，容易引起机械部分磨损及电气元件损坏，这是真空断路下无法常合、分闸的重要原因。在变电站停电检修中，常发现真空断路器无法分闸或者分闸不到位的现象。本文首先介绍真空断路器的结构、功能和工作原理，随后经过实验测试分析断路器故障原因，并提出解决此类故障的方案与措施，以确保企业安全生产。关键词：真空断路器；真空灭弧室；弹簧操动机构；主轴故障；合分闸0 引言真空断路器是指灭弧介质和灭弧后触头间隙的绝缘介质均为真空的一种断路器。作为电力设备、工矿企业动力设备的保护和控制单元，户内交流高压真空断路器的用途多样，能够安装在固定柜、中置柜以及双层柜中。作为开关电器中最关键的一种电气设备1-2，高压断路器适用于要求在额定工作电流下的频繁操作，或多次开断短路电流的场所。本文针对 EIB 真空断路器频繁操作导致的开关分合闸不到位问题进行分析，经过实验发现主轴右侧分闸弹簧脱落是引起断路器分合闸不到位故障的原因，提出加装调整垫片的改进措施，保障断路器正常工作，对企业生产安全建设具有一定参考意义。1 真空断路器的结构真空断路器主要包括真空灭弧室、操动机构以及支架等部件。1.1 真空灭弧室真空灭弧室又名真空开关管，其工作原理为利用管内真空介质的良好绝缘性，使中高压电路电源切断后能够迅速熄灭电弧和切断电流，主要结构如下。（1）气密绝缘系统气密绝缘系统是一个真空环境的密闭容器，其主要构成部分有气密绝缘筒、动端盖板、定端盖板、不锈钢波纹管。为了保证气密性，封接式上的操作工艺较严格，此外还需要本身透气性极低的材料，内部放气量也需要限制到极小值。（2）导电系统导电系统主要由定电极和动电极组成，其中，定电极包括定触头、定导电杆、定跑弧面，动电极包括动触头、动导电杆、动跑弧面。其触头结构类型大致可分为带螺旋槽跑弧面的横向磁场型、纵向磁场型2023-08期电器工业杂志排版设计和印刷发排.indd 292023-08期电器工业杂志排版设计和印刷发排.indd 292023/8/8 下午2:492023/8/8 下午2:49302023.08.DQGYCHINA ELECTRICAL EQUIPMENT INDUSTRYPRODVCT AND TECHNIC产品与技术和圆柱形。操动机构通过动导电杆的运动，使两触头闭合，完成电路接通。（3）屏蔽系统屏蔽系统主要由屏蔽筒、屏蔽罩及其他装置组成。目前常用的屏蔽罩包括波纹管屏蔽罩、围绕触头的主屏蔽罩等类型。其中，主屏蔽罩能够降低局部场强，改善灭弧室内部电场分布均匀性，有利于真空灭弧室朝小型化方向发展；同时，主屏蔽罩能够防止燃弧过程中电弧生成物喷溅到绝缘外壳的内壁，使外壳的绝缘效果不受电弧放电影响；主屏蔽罩还能够吸收电弧能量，冷凝电弧生成物，加快弧后间隙介质强度恢复3。1.2 操动机构不同形式的断路器采用不同的操动机构。常用的操动机构有弹簧操动机构、EIB 弹簧储能操动机构、CT8 弹簧储能操动机构、CT19 弹簧储能操作机构、CD10电磁操动机构、CD17电磁操动机构4等。其中，弹簧操动机构具备体积小、合闸电流小、可靠性高等优点，目前广泛应用于不同电压等级的开关设备中5。2 真空断路器功能及原理2.1 功能及特点在正常使用条件下，符合技术参数范围内的真空断路器，就可保证其安全、可靠地运行于相应电压等级的电网中。真空断路器的机械寿命约 20000 次，满容量短路电流开断次数 50 次，在工作电流范围内可进行频繁的操作或多次开断短路电流。高压真空断路器具有高可靠性、全工况、免维护、功能齐全、互换性好、通用性强等优点，能够适用于各种特性的重合闸操作。真空断路器采用立式的绝缘筒和固体绝缘结构集成固封极柱，能够防御各种特殊环境的影响，且免于维护。同时，真空断路器具有多种使用方式，可以固定式安装，也可移开式使用，还可安装于框架上使用。2.2 原理介绍当真空断路器的动、静触头带电分闸时，触头间会产生真空电弧，电弧使触头表面温度升高，进而使触头表面出现金属蒸汽。基于触头比较特殊的形状，当电流通过时，在其产生的磁场作用下，电弧沿触头表面切线方向快速运动，弧柱内的金属蒸汽和带电质点不断向外扩散，金属蒸汽和带电质点的密度不断下降，当电弧自然过零时，触头间的介质由导体迅速恢复为绝缘体，电流被切断，电弧熄灭3。3 故障原因归纲及分析分析真空断路器由于频繁操作出现无法分闸或分闸不到位情况，现场检查发现开关主轴右侧端部螺栓脱落导致右侧分闸弹簧掉落，同时卡住了主轴，机构分闸仅靠主轴左侧的分闸弹簧，致使开关分闸不到位，尽管该故障发生的概率较小，但是该故障的出现仍可能引起生产安全事故，必须对故障原因进行分析，排除安全隐患，以确保安全生产。4 解决方案、验证方案EIB 机构断路器开关主轴两侧固定分闸弹簧的螺丝为普通的螺丝+弹垫（见图 1），经过多年频繁操作开关，主轴右侧用于固定分闸弹簧的螺丝受到震动脱落，导致右侧分闸弹簧掉落，同时卡住了主轴，机构分闸仅靠主轴左侧的分闸弹簧，致使开关分闸不到位。经过现场勘查，发现主轴右侧花键轴与外部套管轴向长度间存在约 4mm 差距，端盖已向内变形凹陷（见图 2）。针对本次发生的故障，由于合分闸主轴端部螺栓松脱导致分闸弹簧脱落发生断路器故障的事件，为了验证，随后重新组装一台相应结构断路器进行故障模拟：1）调整本台模拟断路器主轴右侧花键轴与外部2023-08期电器工业杂志排版设计和印刷发排.indd 302023-08期电器工业杂志排版设计和印刷发排.indd 302023/8/8 下午2:492023/8/8 下午2:49312023.08.DQGYCHINA ELECTRICAL EQUIPMENT INDUSTRYPRODVCT AND TECHNIC产品与技术套管轴向长度，使之存在约 4mm 间隙（见图 3），并使用扭力扳手按 45Nm 扭力锁紧。推入机械磨合室进行机械磨合。初始计数器次数 26 次，锁紧后端盖有些微凹陷现象。过程如图 4 所示。当计数器计数次数达到 2252 次时，端盖固定完好，无发生位移，取下后发现端盖有明显变形（见图 5）。综上所述，在规定扭矩 45Nm 情况下，即使轴套与花键轴轴向长度达到 4mm，即使端盖凹陷变形，至 2200 余次仍然固定良好，转入阶段二验证。2）调整本台模拟断路器主轴右侧花键轴与外部套管轴向长度，使之存在 4mm 间隙，并使用扭力扳手按 35Nm 扭力锁紧，并使用阶段 1 凹陷变形端盖，划线标记。推入机械磨合室进行机械磨合，初始计数 2252。综上所述，在扭矩 35Nm 情况下，即使轴套与花键轴轴向长度达到 4mm，即使端盖凹陷变形，至 1887余次仍然固定良好，转入阶段三验证（见图 6）。3）调整本台模拟断路器主轴右侧花键轴与外部套管轴向长度，使之存在4mm间隙，并使用扭力扳手按20Nm扭力锁紧，并使用阶段三凹陷变形端盖，划线标记。推入机械磨合室进行机械磨合，初始计数4139（见图7）。图 1 厂内模拟示意图图 3 模拟现场断路器，投入机械磨合图 5 计数 2252 次，端盖固定完好，无位移图 6 35Nm 扭力锁紧，使用阶段一凹陷端盖，划线标记图 4 初始次数 26 次，缩紧后端盖有些微凹陷现象图 2 断路器两侧端盖变形2023-08期电器工业杂志排版设计和印刷发排.indd 312023-08期电器工业杂志排版设计和印刷发排.indd 312023/8/8 下午2:492023/8/8 下午2:49322023.08.DQGYCHINA ELECTRICAL EQUIPMENT INDUSTRYPRODVCT AND TECHNIC产品与技术试验过程中发现，当计数器为 551 次时，端盖相对初始开始少量转动（见图 11）；计数次数增加为 820 次时，端盖相对 551 次的位置有少量转动（见图 12）；计数次数为 1122 次时，肉眼可见分闸弹簧明显松动（见图 13）；计数次数增加到 1261 次时，分闸弹簧脱落（见图 14）。综上所述，在扭矩 20Nm 情况下，即使轴套与花键轴轴向长度达到 4mm，即使端盖 凹陷变形，至 1671 余次仍然固定良好，转入阶段四验证（见图 8 和图 9）。4）调整本台模拟断路器主轴右侧花键轴与外部套管轴向长度，使之存在 4mm 间隙，并使用扭力扳手按 10Nm 扭力锁紧，并使用阶段四凹陷变形端盖，划线标记。推入机械磨合室进行机械磨合，初始计数5810（见图 10）。图 7 计数器 4139（1887）次时状态，端盖固定完好，图 12 计数器 6630（820）次时状态图 8 20Nm 扭力锁紧，使用阶段二凹陷变形端盖，划线标记图 10 10Nm 扭力锁紧，使用阶段三凹陷变形端盖，划线标记图 11 计数器 6361（551）次时状态图 9 计数器 5810（1671）次时状态，端盖固定完好，未发生位移未发生位移2023-08期电器工业杂志排版设计和印刷发排.indd 322023-08期电器工业杂志排版设计和印刷发排.indd 322023/8/8 下午2:492023/8/8 下午2:49332023.08.DQGYCHINA ELECTRICAL EQUIPMENT INDUSTRYPRODVCT AND TECHNIC产品与技术力值。最终导致模拟断路器在扭力值低于 10Nm 以下时，两侧端盖开始加速松动，最终破坏了弹簧垫圈的防松效果的现象。为杜绝因端盖内凹产生的扭力削弱现象，调整工艺为整体装配后统一加装调整垫片配平，螺栓上加涂螺纹胶，并使用扭力扳手按 45Nm 扭力锁紧。加装调平垫片后，两侧端盖不再有悬空凹陷空间，端盖不会再因内凹塑性变形而逐步削弱紧固扭力值，在足额扭力值下可确保断路器寿命周期内运行稳定、可靠。5 整改措施1）对本次故障断路器，通过如图 15 所示加装调整垫片，使内部主轴端面与外侧套管配平后，使用螺栓锁紧，螺栓上加涂螺纹胶，并使用扭力扳手按45Nm 扭力锁紧。2）为杜绝此类小概率事件的发生，对已投运断路器进行全面排查，并相应加装调整垫片，确保已投运断路器能够正常可靠工作。6 结束语本文对高压交流真空断路器出现的分闸不到位情况，通过仿真分析和实验验证的方法，对分闸弹簧脱落原因进行分析，找到因主轴间隙引起端部垫片变形，再经过长期合分闸震动，使分闸弹簧脱落，从而使断路器无法分闸，为此提出解决方案并详细论证方案的可行性，提出相应的整改措施，从而排除故障，恢复高压真空断路器正常使用，保障企业正常生产。图 13 计数器 6932（1122）次时状态图 14 计数器 7071（1261）次时状态图 15 真空断路器整改效果图综上试验过程：EIB 弹簧操动机构的主轴设计采用比利时 EIB 公司设计，各拐臂定位准确后两侧使用螺栓在规定扭力值下紧固，利用弹簧垫圈摩擦作用进行防松，弹簧垫圈材料为弹簧钢，装配后垫圈被压平，其反弹力能使螺纹间保持压紧力和摩擦力。该种主轴结构设计形式及防松措施在西高所的机械寿命型式试验中被证明是可靠的。EIB 机构主轴早期工艺为工人装配时需通过调整不同公差等级套管来配平尺寸，装配质量因人而异不易把控，断路器主轴装配后由于存在累积误差，内部花键轴与外部套管轴向长度间存在一定的误差，致使螺栓按规定扭力锁紧后，两端盖中间会向内部悬空凹陷，由于两侧端盖为非弹簧钢类弹性材质，变形后无法恢复，加之主轴在工作过程 中的冲击造成的主轴套管蠕动，有小概率会逐渐削弱螺栓旋紧的扭力值，且扭力值削弱到一定程度前螺栓、端盖等紧固件并无明显变化，加之常规检修时普通扳手很难施加足额的扭（下转第 42页）2023-08期电器工业杂志排版设计和印刷发排.indd 332023-08期电器工业杂志排版设计和印刷发排.indd 332023/8/8 下午2:492023/8/8 下午2:49422023.08.DQGYCHINA ELECTRICAL EQUIPMENT INDUSTRYPRODVCT AND TECHNIC产品与技术2.5 光电法使用电磁和电光传感器的组合方法在一系列LC70/35型聚合物绝缘体上进行测试。在研究过程中，作者发现了 HVI 中最常见的缺陷这些缺陷是对芯壳的损坏和对“芯端连接”接触的损坏。确定了局部放电的复杂特征，这使得检测所研究绝缘体 PD 脉冲强度和数量的相位分布差异成为可能。此外，发现一些特征具有与所考虑的缺陷相对应的分布，其形式为电瓷制成的模型样品中的裂纹或 HVI 磁芯表面的缺陷。“核心-端连接”缺陷的 PD 具有特殊的特性：辐射相位间隔的偏移，这些相位间隔的扩大，负电压半周期内放电次数和幅度的增加，以及形状的变化。在这种类型的缺陷中，接触击穿发生在气隙中。在这种情况下，由于垂直于间隙的场分量，通过从电极（阴极）发射电子，由电极、间隙和芯组成的接触击穿发生在气隙中。由于电子轰击电介质芯表面，形成密度高达 10-6-10-5C/cm 的感应带电离子场。3 结束语高压绝缘子在复杂的高压电力设备中占有特殊的地位，需要在运行过程中进行故障诊断。许多高压输参考文献12345张琦，王旌.低成本完善的智能家居 SCAD 系统 J.大数据分析，2021，11（8）：17-21.吴帅，谭泽.基于电光晶体倍增器的光学电压传感 J.高电压技术，2017，10（9）：21-22.杨鹏.基于极大似然估计的变电站超高频局部放电到达方向估计方法 J.发电工程，2017，7（19）：34-37.韩胜，王旌.基于同时检测高频、超高频和局部放电信号的电力变压器在线声发射监测系统J.大数据分析，2020，12（9）：17-28.梁旌.一种用于多实例多标签图像分类的深度多模态 J.物联网分析，2018，10（8）：11-21.（收稿日期：2023-03-09）电线路或变电站都受到强电场、光场和热场梯度、电动力学和机械学的复杂影响。所有这些都为缺陷的发生创造了条件，从而不可避免地导致复杂电力系统的各种故障甚至事故。实验研究的结果证实了所提出的方法在工作电压下对高压绝缘设备状态的非接触远端诊断的工业应用可行性。（上接第33页）参考文献123徐国政，张节容，钱家骊，等高压断路器原理和应用 M北京：清华大学出版社，2000周文，李建兵，赵峰等.高压真空断路器主轴系统优化研究 J.高压电器，2013，49（4）：60-65，70.何建华，满宏超.真空断路器在电力系统中的应用与分析 J.中小企业管理与科技（下旬刊），452011（8）：221-222.苑 舜高压断路器弹簧操动机构 M北京：机械工业出版社，2001孙栎翀，刘晓明，陈海，等.10kV 真空断路器弹簧操动机构合闸传动优化设计 J.真空科学与技术学报，2021，41（8）：745-750.（收稿日期：2023-04-08）2023-08期电器工业杂志排版设计和印刷发排.indd 422023-08期电器工业杂志排版设计和印刷发排.indd 422023/8/8 下午2:492023/8/8 下午2:49