高压隔离开关机械故障刚柔耦合动力学分析

高压隔离开关机械故障刚柔耦合动力学分析

朱庆

国网山西省电力公司超高压变电分公司   山西太原  030000

摘要：当前，针对高压隔离开关故障检测方法大多基于两类。一类以物理模拟试验数据检测为基础，即以通过建立试验平台模拟分接开关操作、运行过程中的电机电流、振动或噪声等状态量，研究隔离开关故障状态下各类状态量的变化规律，从而建立基于上述状态量的隔离开关故障检测方法。另一类从仿真分析角度出发，即基于多物理场耦合分析方法模拟隔离开关不同故障类型，获取故障特征量与故障类型间的关联关系。

关键词：隔离开关;刚柔耦合;动力学仿真;故障诊断

引言

高压隔离开关是电力系统中使用规模最大的开关设备，隔离开关机械故障多发，但缺乏有效的诊断方法。为此介绍了动力学仿真原理与数值计算方法，并建立了GW5-126型隔离开关动力学仿真模型。通过对GW5-126型隔离开关合闸过程进行刚柔耦合动力学仿真，得到了GW5正常状态、卡涩、三相不同期状态下的仿真结果，分析总结了操动杆转矩在不同机械状态下的变化规律。对比了隔离开关正常与故障状态下的起始转矩、啮合转矩、啮合时间、转矩峰值、转矩峰值时间等特征量，对隔离开关机械故障诊断具有一定的参考价值[1]。

1高压隔离开关主要作用

高压隔离开关是变电站隔断电流的一种设备。目前这种开关设备广泛应用在自动化运行的无人变电站。在电力系统中，高压隔离开关的功能是通过隔断电流完成系统的自动跳闸，以保护高压电器设备安全运行[2]。它只能起隔断作用，而不能直接切断电流。

2多体动力学理论多体

动力学理论在航天器研究、机械设计等方面运用广泛[3]。隔离开关主要起到隔离电源、倒闸操作、连通和切断小电流电路的作用，属于电网中为数不多的需要频繁动作的设备，其主要结构既包括绝缘支柱、导电臂等刚性体，也包括开关触指等柔性体。因此，多体动力学方法是模拟隔离开关的分合闸过程的理论基础。

2.1多刚体动力学理论

多体动力学中，广义坐标的选择对动力学方程的求解速度影响巨大，可用刚体构件的质心笛卡尔坐标和反映方位的欧拉角作为公共参考坐标系。

2.2刚柔耦合多体动力学理论

在工程实际中，复杂的机械系统中的部分构件采用弹性材料，将构件全部作为刚体进行研究已经无法合理地解释系统复杂的动力学问题，因此在对多体系统进行多体动力学分析时必须同时考虑构件的大范围运动和构件本身的变形，这类系统被称为刚－柔耦合多体系统。

2.3多体动力学求解方法

对于动力学方程的数值计算主要使用积分算法，其主要步骤是如下。

步骤1根据泰勒展开式和隐含向后差分的Gear积分多项式估计tn+1时刻的状态向量yn+1。

步骤2将估计出的状态变量带入系统方程，如满足系统方程，则估计出的状态向量yn+1为系统在tn+1时刻的状态;若不满足系统方程，则用牛顿拉夫逊法进行迭代，直至精度满足要求[4]。

步骤3对状态向量的预测值与校正值进行比较，根据其误差是否满足要求来判断是否接受该解，并对其积分步长进行优化。

步骤4重复上述过程，直到求解时间达到所设置的时间。

3高压隔离开关机械故障分析

3.1瓷瓶断裂故障

瓷瓶断裂与瓷瓶的烧制质量以及高压隔离开关的操作方法有直接的关系。烧制瓷瓶时，如果技术控制不当，比如在操作分合隔离开关时力度控制不当，或者操作失误，就可能导致成品存在质量缺陷，如水泥胶装不良、夹生、致密性差等等。如果在质量验收时故意“放水”，存在缺陷的瓷件成品被装配到电力系统中，就可能对整个电力系统的日常运行造成严重的安全威胁[5]。

3.2导电回路过热

如果静触指压紧弹簧因长期使用逐渐失去弹性，或者静触指单边接触以及长期运行接触电阻增大，就可能造成导电回路通电后不正常发热。实际运行中需要不定期检修，以免产生这类问题。

3.3机构问题

操作失灵是常见机构问题，主要是在倒闸时拒动或分合闸失灵。

3.4传动困难

传动系统生锈使得传动阻力增加，如果锈蚀严重，传动系统就彻底卡顿。高压开关在使用中就出现过底座轴承生锈不能分合的现象。通过检查发现。传动轴承脏污、黄油干涸以及主轴铜套干涩是导致传动系统锈蚀的主要因素。

4高压隔离开关机械故障改进措施

隔离开关存在设计问题或者出现故障，其成因比较复杂，比如选材失误、生产制造环节工艺或技术措施控制不当、检修不严格等等。因此，必须从开关设备生产质量上加以控制，通过质量的提高确保其在使用中能够安全运行。

4.1严格按设计要求选型

在生产制造环节，要严格按照隔离开关的使用要求选择相应材质的材料，同时注结构设计及整体质量的把控。

4.2加强技术改进

4.2.1彻底整治瓷瓶断裂现象

要确保隔离开关结构设计符合使用要求，同时在生产制造环节加强对瓷瓶烧制技术的控制，选择有资质、有诚信的制造企业，可通过委托制造合同约定制造瓷瓶的材料、材质及烧制质量标准等等。另一方面，应该引入无损探伤技术定期检验瓷瓶质量。在运行环节，现场人员要重点检查瓷瓶胶合面是否符合质量要求，并且严格按照操作规范进行技术操作，切忌强行操作。

4.2.2隔离开关导电回路发热和瓷瓶闪络

隔离开关带电回路发热严重影响着设备的安全运行。可以更换静触指压紧弹簧为不锈钢弹簧，采用不锈钢螺栓或热镀锌高强度螺栓并用力矩扳手紧固；调整触头插入深度和清洁接触面，或采用类似西门子公司的自清洁触头。同时采用红外测温技术定期检测导电部位的发热情况，发现问题及时处理。

针对瓷瓶闪络现象，可以采取带电清扫加强清扫力度、给隔离开关瓷瓶增加硅橡胶伞裙以增大爬距和利用RTV涂料的憎水性喷涂RTV。

4.2.3定期防锈

定期进行防锈处理，对各传动部位加润滑剂，特别是使用性能优于黄油的二硫化钼润滑剂。黄铜轴套更换为钢基表面烧结青铜加改型聚四氟乙烯复合轴套，外表面及端部镀锡以防止锈蚀。机构箱采用质量优良的不锈钢产品，对隔离开关底座进行改造，在底座上钻孔，运行中定期加二硫化钼，确保轴承不生锈。

4.3加强状态检修

隔离开关传统的检修方式是定期检修，如隔离开关的大修周期为6年，在规定的检修周期时间到达后按计划对设备进行检修。如果未到检修期限开关设备存在潜在故障，那么在下次检修之前设备会一直带“病”运行。如果开关没有任何故障只是单纯的为了执行制度而检修，则是一种资源浪费。

5结束语

随着电网自动化程度的越来越高和无人值班站的广泛推行，对高压隔离开关的安全运行要求也越来越高，只有充分了解了高压隔离开关在运行中可能出现的各种故障现象及其故障原因，进行足够的重视，并加强工艺质量管理，根据设备自身结构灵活处理，对于日常的巡视和检查应做好记录，掌握设备的运行状况，才能保障变电站的安全可靠运行。

参考文献

[1]王艳利.浅析高压隔离开关故障原因及检修措施[J].中国新技术新产品，2016（07）.

[2]王伟宏，相亚楠，刘涛.高压隔离开关常见缺陷及处理分析[J].电子技术与软件工程，2015（12）.

[3]杨军.浅谈高压隔离开关的故障处理[J].中国新技术新产品，2013（24）.

[4]张赛鹏，冯世涛，赵春明，等．基于威布尔分布和蒙特卡洛法的高压隔离开关可靠性研究［J］．高压电器，2021，57(6):86-93，101．

[5]刘春来，周涛涛，马宏明，等．基于力矩与转角检测的GW4-126型隔离开关典型机械故障诊断［J］．高压电器，2020，371(2):238-245．