摘要：本文介绍了西开公司生产的ZF9-252kV型SF6封闭式组合电器开关CQ6型气动操动机构工作原理。结合深圳换流站GIS开关气动操作机构空气系统部件故障率统计，分析空气系统结构及薄弱环节，并提出相应改进措施。
关键词：开关 气动机构 空气系统 逆止阀 截止阀
 
0 前言
         操作机构是高压断路器的重要组成部分，它由储能单元、控制单元、和力传递单元组成。高压SF6断路器的操动机构有多种型式，如弹簧操动机构、气动机构、液压机构、液压弹簧机构等。
         深圳换流站220kV GIS设备开关西开公司生产的ZF9-252kV型SF6封闭式组合电器，开关使用CQ6型气动操动机构，是一种以压缩空气做动力进行分闸操作，辅以储能合闸弹簧完成合闸操作的操动机构。如果空气系统动力出现问题，开关重合闸将被闭锁，严重时将导致开关分闸闭锁。
         1 关气动弹簧操作机构原理分析
         西开公司生产的ZF9-252kV型SF6封闭式组合电器使用的CQ6型气动操动机构，是一种以压缩空气做动力进行分闸操作，辅以合闸弹簧作为合闸储能元件的操动机构。压缩空气靠产品自备的压缩机进行储能，分闸过程中通过气缸活塞给合闸弹簧进行储能，同时经过机械传递单元使触头完成分闸操作，并经过锁扣系统使合闸弹簧保持在储能状态。合闸时，锁扣借助磁力脱扣，弹簧释放能量，经过机械传递单元使触头完成合闸操作。
         气动-弹簧操动机构控制压缩空气的阀系统为一级阀结构。合闸弹簧为螺旋压缩弹簧。运行时分闸所需的压缩空气通过控制阀封闭在储气罐中，，而合闸弹簧处于释放状态。这样分，合闸各有一独立的系统。储气罐的容量能满足这样设计的弹簧操动机构，可满足开关O-0.3 sec -CO-180 sec -CO操作循环。
         气动-弹簧操动机构是由活塞和气缸组成的驱动机构，还包括控制压缩空气的控制阀，由电信号操纵的合闸和分闸电磁铁、以及合闸弹簧，缓冲器，分闸保持掣子、脱扣器等其它零部件。
         1.1 分闸动作过程分析
         图1所示状态为开关处于合闸位置，由控制阀内弹簧在连板上产生的顺时针方向的力矩被掣子在连板上产生的逆时针方向的力矩抵消，使控制阀不能动作，控制阀将压缩空气封闭在储气罐中，使压缩空气罐内的压缩不能通过．产品在合闸弹簧作用下保持合闸位置。

                                                                                             图1 开关在合闸位置
         在合闸位置由控制阀内弹簧在连板上产生的顺时针方向的力矩被掣子在连板上产生的逆时针方向的力矩抵消，使控制阀不能动作，使压缩空气罐内的压缩不能通过．产品在合闸弹簧作用下保持合闸位置
         分闸操作过程如下： 
         1.分闸信号使分闸电磁铁通电；
         2.分闸电磁铁的动铁芯向下运动,撞击掣子。掣子由两个连杆和三根短轴组成，白色轴连接着两个连杆，两根黑色轴将两个连杆分别连在机架上。掣子右侧的连杆在铁芯的撞击下顺时针旋转，左侧的连杆反时针旋转，因而连板和掣子的约束被释放。    
         3.连板顺时针转动，使控制阀在其内部弹簧力的作用下打开。
         4.压缩空气罐内的压缩空气进入气缸。
         5.压缩空气推动活塞向下与活塞相连的动触头被带动，断路器分闸。
         6.在分闸操作的最后阶段，连板被与活塞相连的凸轮下压，使控制阀又回到合闸位置状态。气缸内的空气通过排气口排出。最后轴被分闸保持掣子锁住，断路器分闸操作完成。在分闸操作时，合闸弹簧由活塞作功储能。

                                                                                                图2 开关分闸过程
         1.2 合闸动作过程分析
         图3所示状态为开关处于分闸位置。在分闸位置，断路器是由通过连接在机架上的分闸保持掣子在机械上锁住。分闸保持掣子受到由合闸弹簧力产生的反时针方向的力矩作用，此时其又与脱扣器和自身轴销构成“死点”结构产生顺时针方向力矩，保持产品的分闸状态。

                                                                                              图3 开关在分闸位置
         触头合闸需要的功是从合闸弹簧取得的。当轴被释放，活塞由合闸弹簧驱动向上经传动系统使动触头闭合。合闸操作过程如下：
         1.合闸信号使合闸电磁铁通电；
         2.合闸电磁铁的铁芯向下撞击脱扣器；
         3.脱扣器和分闸保持掣子之间的“死点’状态解除；
         4.分闸保持掣反时针转动，轴从分闸保持掣于的约束中释放；
         5.活塞和动触头由合闸弹簧驱动向上完成合闸。
         2 深圳换流站GIS开关气动操作机构空气系统部件故障率统计
         深圳换流站自投运4年以来，220kV GIS开关气动操作机构空气系统主要发生在截止阀、逆止阀、安全阀、减压阀和气路管道等部件上，其中影响较大的有，2010年06月，因第二气路截止阀漏气造成开关空气压力低，导致220kV安远甲线2138开关重合闸停用时间达172.85小时。下图是空气系统部件故障率统计图

                                                                                        图4 空气系统部件故障率统计图
         长期运行经验总结如下：
         1.空气系统中截止阀发生漏气故障概率最大；
         2.逆止阀故障均是无法向开关正常打压，未发生过逆止阀漏气故障；
         3.在目前管路配置下，有73%的异常缺陷会造成两气路同时压力下降，导致220kV GIS开关失去储能动力。
         4.正常时空气压力为1.5MPa左右，发现空气压力异常，可通过空气泄漏的异常声响查找漏气点，或利用液体泡沫对怀疑漏气的阀门进行检查定位漏气点。
         3 空气系统薄弱环节分析及气路改进措施研究
         3.1 空气系统结构介绍及薄弱环节分析
         目前宝安换流站220kV GIS开关空气系统管道设计简图如下。

                                                                                  图5 开关空气系统管道设计简图
         分析上图，可以发现正常运行时气路1和气路2其实是通过截止阀连通的，只要有一条气路上部件有漏气，两个气路压力均会降低，达不到互为备用的效果。
         出现漏气异常时，需关闭漏气气路上的所有截止阀，才能与另一气路隔离，逐渐恢复压力，但每条气路上有19个截止阀，且位置分散，安排人员关闭这些阀门，将浪费事故处理的大量宝贵时间，一旦在隔离故障点期间，发生开关跳闸，开关重合闸可能被闭锁，严重时将导致开关分闸闭锁，失灵保护启动跳整条220kV母线，造成事故扩大。
         3.2 气路改进措施研究

                                                                                    图6 开关空气系统管道改进设计简图
         针对上面设计缺陷，提出的改进措施是在气路上截止阀后端增加逆止阀，关闭气泵房内两气路连通的截止阀。如上图6。
分析此措施优点：
         1.现场及气泵房内任一气路漏气，不影响另一气路压力，也不影响开关正常储能，达到两气路正常备用效果；
         2.逆止阀1或逆止阀2或逆止阀3故障，均可通过关闭截止阀1或截止阀2来隔离故障，不需关闭整个气路上的截止阀，给运行隔离故障节约了时间。
         3.开关公共气路漏气，可通过关闭截止阀1或截止阀2来隔离故障，开关虽不能储能，但逆止阀1保持开关本体空气压力。
         4.截止阀1漏气时，由于逆止阀2的存在，开关公共气路压力不受影响，开关仍可通过气路2打压储能，截止阀2漏气情况类似。
         分析此措施缺点：
         1.增加了逆止阀2和逆止阀3，也增加了逆止阀的故障率；
         2.正常逆止阀打压压差为0.08～0.1MPa，按方案1配置，气路上有两层逆止阀，气路与开关气罐之间压差为0.16～0.2MPa才会打压。
         未考虑将截止阀1和截止阀2直接取消，换成逆止阀2和逆止阀3，因为这种方案虽然运行起来减少了截止阀漏气的概率，但如果要更换逆止阀，无法隔离逆止阀。通过运行数据分析，得知逆止阀故障均是无法向开关正常打压，未发生过逆止阀漏气故障，而逆止阀2和逆止阀3同时发生故障的可能性较小，故虽然逆止阀故障率会增加，但不会增加因逆止阀故障导致气压降低和开关无法打压储能的概率。
         另外，改造后气路与开关气罐之间压差为0.16～0.2MPa才会打压，可通过调整气泵房内减压阀提高气路1和气路2输出压力的方法，消除其影响。
         综合分析，改进措施可行性较高。
         4 结语
         本文详细阐述西开公司220kV GIS开关气动弹簧操作机构结构及原理，依据运行数据统计深圳换流站GIS开关气动操作机构空气系统部件故障率情况，有针对性分析了空气系统薄弱环节，提出了气路改进措施，对气动操作机构的开关运行和维护有非常实际的指导意义。

参考文献：
[1]  吴贻志,宝安站220kV GIS开关气动操作机构空气系统改进措施研究[R].广州:中国南方电网超高压输电公司广州局,2010.
[2]  朱家果.高压断路器.北京:水利电力出版社,1985.
[3]  苑舜.高压断路器弹簧操动机构.北京:机械工业出版社，2001.
[4]  252&363kV气体绝缘金属封闭开关设备(GIS)现场安装作业指导书[S].西安西开高压电气股份有限公司,2006..
[5]  深圳换流站图纸B3731S-D0105-09 220kV GIS空气系统图[Z].广州:广东电力设计院, 2006.
[6]  ±500kV 兴安直流输电系统宝安换流站运行生产日志[Z].广州:中国南方电网超高压输电公司广州局,2010.