ZN65A-12型真空斷路器拒分原因分析與處理

薛建根

（鹽城發(fā)電有限公司，江蘇鹽城224003）

ZN65A-12型真空斷路器拒分原因分析與處理

薛建根

（鹽城發(fā)電有限公司，江蘇鹽城224003）

斷路器拒分故障的后果是極其嚴(yán)重的，文中針對ZN65A-12型手車式真空斷路器在安裝調(diào)試及投運初期所頻繁出現(xiàn)的拒分故障，對其外部控制系統(tǒng)、內(nèi)部電氣控制回路和機構(gòu)傳動部分進行了全面的分析研究，查明引起該批次斷路器拒分的根本原因為真空斷路器機構(gòu)的初始分閘力矩過小，并采取了調(diào)整主軸拐臂角度的有效改進措施，保證了其分閘的可靠性，徹底消除了真空斷路器拒分的重大安全隱患。

真空斷路器；拒分；力矩；機構(gòu)；可靠性

ZN65A-12型真空斷路器較好地保持了ZN12-10系列產(chǎn)品設(shè)計上的優(yōu)越性、零部件通用性，布局合理、結(jié)構(gòu)緊湊、傳動桿系受力均勻、傳動效率高、機構(gòu)壽命長［1］，維護工作量小，已廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)中。某廠于2005年在2臺150 MW機組6 kV廠用輔機系統(tǒng)中安裝了46臺國產(chǎn)ZN65A-12型手車式真空斷路器。為提高斷路器的性能，專門配裝了滅弧性能更好的VS12040R型西門子真空滅弧室，配套完備可靠的“五防”裝置［2，3］。開關(guān)柜配置了綜合保護裝置，可進行就地手動、電動分閘、合閘，也可進行就地手動機械分閘、合閘，遠(yuǎn)方則采用DCS自動控制方式進行操作。在安裝調(diào)試期間，多次出現(xiàn)拒分現(xiàn)象［4］，安裝單位多次檢查，未能查明拒分的真正原因，廠家技術(shù)人員到現(xiàn)場對機構(gòu)進行檢查、調(diào)整，也未能查明拒分的真正原因，斷路器的拒分故障依然存在。

1　斷路器拒分故障的排查

1.1機構(gòu)工作原理

ZN65A-12型斷路器的操動機構(gòu)主要包括合閘功能單元、分閘功能單元、傳動功能單元和輔助功能單元等4個單元。其合閘功能單元在接到合閘命令后打開合閘凸輪制動架，在合閘儲能彈簧的彈性勢能作用下，合閘凸輪旋轉(zhuǎn)下壓合閘連桿使主軸沿合閘方向轉(zhuǎn)動，如圖1所示。

圖1　分閘狀態(tài)示意圖

在主軸轉(zhuǎn)到合閘位置后，通過分閘連桿下端分閘動塊。將斷路器有效保持在合閘狀態(tài)。合閘過程的同時，分閘彈簧被壓縮儲能，為斷路器分閘提供足夠的分閘能量。其分閘功能單元在接到分閘命令后，在分閘電磁鐵或手動機械按鈕的作用下，分閘連桿的上、下段連接銷軸向內(nèi)側(cè)運動，分閘連桿下端向上提升帶動分閘動塊旋轉(zhuǎn)并脫離主軸，在分閘儲能彈簧的彈性勢能作用下，主軸沿分閘方向轉(zhuǎn)動，斷路器分閘，如圖2所示。

圖2　合閘狀態(tài)示意圖

1.2拒分故障現(xiàn)象

正常情況下，運行人員進行送電操作，都應(yīng)將斷路器手車搖至試驗位置，進行就地試分、試合，以判斷斷路器本身動作是否正常。初步安裝調(diào)試結(jié)束后，輔機逐步開始試轉(zhuǎn)，在試轉(zhuǎn)期間，時常出現(xiàn)斷路器拒分故障，經(jīng)安裝人員多次處理，其拒分現(xiàn)象未能消除，在問題難以解決的情況下，聯(lián)系設(shè)備廠家來人處理。經(jīng)廠家技術(shù)服務(wù)人員全面檢查后，短時間內(nèi)連續(xù)進行十余次循環(huán)合閘、分閘操作，卻未出現(xiàn)拒分現(xiàn)象。但是，隨著斷路器保持合閘狀態(tài)較長一段時間以后再行分閘，卻又重復(fù)出現(xiàn)拒分的現(xiàn)象。為此，再度擴大了故障查找范圍，從控制流轉(zhuǎn)程序開始逐步開展了下列檢查。

1.3DCS系統(tǒng)的檢查與分析

DCS系統(tǒng)由操作員站（人機接口界面）、軟件邏輯組態(tài)運算、數(shù)字輸入輸出、模擬輸入輸出模塊等幾大部分組成。操作員根據(jù)需要，在操作員站進行操作，將指令輸入電腦，DCS系統(tǒng)經(jīng)過軟件邏輯運算，并通過數(shù)（模）模塊輸出指令。經(jīng)過對相關(guān)的46臺設(shè)備歷時6個月的跟蹤分析，對DCS指令的輸入、輸出對應(yīng)關(guān)系進行核對，由操作員輸入的指令，均能通過DCS輸出繼電器準(zhǔn)確地輸出。由此說明，斷路器拒分故障與DCS控制系統(tǒng)無關(guān)。

1.4開關(guān)柜外圍系統(tǒng)的檢查與分析

順著邏輯傳遞關(guān)系，對DCS輸出繼電器接點至開關(guān)柜之間的電纜及接線進行全面檢查，所有接線正確，絕緣良好；繼而又對DCS指令輸出至開關(guān)柜相應(yīng)電纜接線端子進行監(jiān)測，同樣，經(jīng)過對相關(guān)的46臺設(shè)備歷時6個月的跟蹤檢測，由操作員輸入的分閘指令，通過DCS輸出繼電器輸出后，在電纜接線端子上均能測量到電壓從220 V→0 V。由此說明，外回路接點已按分閘指令要求準(zhǔn)確接通，指令傳遞正確，斷路器拒分故障與DCS系統(tǒng)及外回路無關(guān)。

1.5開關(guān)柜內(nèi)部電氣回路的檢查與分析

排除了開關(guān)柜外部電氣回路故障的可能，根據(jù)開關(guān)柜出廠原理接線圖進行詳細(xì)的分析研究，對開關(guān)柜的內(nèi)部接線進行了全面檢查，并采用就地控制方式對其動作狀態(tài)進行監(jiān)視，所有分閘、合閘時電磁線圈控制電源電壓均符合要求，動作也正常；同樣經(jīng)過歷時6個月的跟蹤檢測，由操作員輸入的分閘指令，通過DCS輸出繼電器輸出后，經(jīng)仔細(xì)辨別，在開關(guān)柜上能聽到分閘鐵心動作的聲音。由此可以說明，斷路器拒分故障與開關(guān)柜內(nèi)部電氣回路無關(guān)。

2　斷路器分閘機構(gòu)的檢查與分析

經(jīng)過上述各個方面的排查，基本可以判定拒分故障可能與斷路器機構(gòu)本身的某種缺陷相關(guān)。起初認(rèn)為斷路器拒分是由于機構(gòu)的潤滑性能差，但經(jīng)加強潤滑后，斷路器拒分現(xiàn)象依然發(fā)生；通過復(fù)測行程、調(diào)整斷路器合閘緩沖裝置尺寸、測量斷路器的合閘電壓、分閘電壓，均在正常范圍之內(nèi)［3］，仍未能查出故障原因。如果隱患繼續(xù)存在，一旦負(fù)載出現(xiàn)故障，保護發(fā)出切除故障指令而斷路器拒分必將引起事故的擴大，其后果是十分嚴(yán)重的。在安裝人員和設(shè)備生產(chǎn)廠家都無法查明斷路器拒分故障原因的情況下，某廠技術(shù)人員深入探索和研究分析，終于發(fā)現(xiàn)了故障出現(xiàn)的2個規(guī)律：

（1）當(dāng)斷路器發(fā)生拒分故障后，如果連續(xù)重復(fù)操作，基本不會出現(xiàn)斷路器拒分故障現(xiàn)象。

（2）斷路器拒分故障一般出現(xiàn)在斷路器處于合閘狀態(tài)一定時間之后，時間越長，越易出現(xiàn)拒分情況。

根據(jù)這些特征，對出現(xiàn)頻次相對較高的10甲凝泵斷路器本體進行深入檢查試驗，通過解鎖，打開開關(guān)柜門，卸下斷路器手車正面封板，觀察機構(gòu)的動作情況，并捕捉到一個極其重要的狀態(tài)：執(zhí)行分閘指令時，分閘鐵心已動作，通過分閘連桿的連動已打開鎖塊的鎖定功能，如圖3所示。鎖塊與軸銷之間已有明顯的間隙，這足以說明，斷路器的拒分故障與整個電氣控制回路、斷路器本體的電氣部分均無關(guān)系，問題僅存在于機構(gòu)本身。進一步分析，分閘鐵心已動作，分閘機構(gòu)已打開鎖塊（如圖3中右邊部分所示），這又說明分閘功能單元已執(zhí)行分閘指令，完成分閘功能；分閘鎖扣已打開，但未能使斷路器分閘，初步分析可能是分閘彈簧的彈力不足而引起斷路器的拒分故障。

圖3　機構(gòu)拒分時分閘鎖塊狀態(tài)圖

針對這種設(shè)備存在的缺陷，首先嘗試在分閘彈簧頂端逐步添加平墊片，即增加彈簧的壓縮行程，達(dá)到加大彈簧彈力的目的，經(jīng)過長達(dá)3個月的試驗，拒分故障仍未能得到有效控制。又對斷路器機構(gòu)原理進行了深入分析，分閘力矩的大小，除受分閘彈簧的彈力大小影響外，主要與分閘有效力臂的長短直接相關(guān)。斷路器不能分閘，說明分閘力矩偏小，但通過增加彈簧的彈力對增加分閘力矩十分有限，只有增加有效力臂才能增加分閘力矩。而力矩的大小既與力臂的實際長度有關(guān)，又與力臂的角度有關(guān)，如圖4所示。

圖4力的分析示意圖

圖4中，B為主軸軸心，AD為分閘彈簧軸線及彈力F方向，BD為主軸拐臂，C為垂足。當(dāng)夾角β→0時，有效分閘力矩M=F×BC，則M→0，即進入“分閘死區(qū)”。

將這一分析意見反饋給設(shè)備生產(chǎn)廠家，得到廠家的認(rèn)可，斷路器機構(gòu)是按國產(chǎn)寶光真空滅弧室的尺寸設(shè)計的，其真空滅弧室開距為而實際使用的真空滅弧室改成西門子VS12040R型真空滅弧室，其真空滅弧室開距為，真空滅弧室的行程尺寸減小了3 mm，在滿足真空滅弧室開距、行程要求的前提下繼續(xù)套用原斷路器機構(gòu)，主軸及主軸拐臂的旋轉(zhuǎn)角度減小，直接引起拒分的主軸拐臂在合閘終了狀態(tài)下向逆時針方向旋轉(zhuǎn)了一個角度，圖4中的夾角β隨之減小、分閘起始力矩減小以致無法分閘。由于斷路器存在分閘起始力矩未充分避開死區(qū)，故斷路器合閘后，在一定時效作用下，機構(gòu)狀態(tài)發(fā)生變化，使得斷路器進入“分閘死區(qū)”，因此造成了上述“在斷路器處于合閘狀態(tài)一定時間后，時間越長，越易出現(xiàn)拒分情況”并反復(fù)出現(xiàn)的現(xiàn)象。雖然現(xiàn)場檢查處理分合閘循環(huán)試驗多達(dá)20多次，但由于未達(dá)到一定時效，所以未能查出故障原因。

3　問題的解決

經(jīng)分析研究查出了引起斷路器拒分故障的根本原因為斷路器起始分閘力矩過小，可以采取2套方案解決這一問題：（1）調(diào)整分閘彈簧的固定端位置，相當(dāng)于調(diào)整力的方向；（2）改變主軸與分閘彈簧相連的拐臂角度，相當(dāng)于調(diào)整有效力臂的大小。

根據(jù)該斷路器機構(gòu)的實際空間位置，決定采用調(diào)整力臂角度的第二種方案，即按調(diào)整后的拐臂角度重新加工軸系。經(jīng)更換新軸，調(diào)試合格投運后，再未發(fā)生過拒分現(xiàn)象，斷路器拒分這一重大安全隱患得到徹底解決。

4　結(jié)束語

（1）對該批次的同類產(chǎn)品，采取改變主軸與分閘彈簧相連的拐臂角度的方法，并重新設(shè)計主軸，更換新軸后，就能夠徹底消除斷路器的拒分故障。

（2）進行改進設(shè)計，在改用新部件時要全面考慮與其他部件協(xié)調(diào)關(guān)系，防止對整體性能帶來不利影響。

（3）當(dāng)設(shè)備存在重大安全隱患時，必須堅持不懈地查明故障原因；當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)技術(shù)性難題時，只要深入研究，搞清其原理，找出其內(nèi)在聯(lián)系，采用分段式排查法，終究能鎖定故障范圍，確定故障原因，直至攻克復(fù)雜的技術(shù)難題。

［1］葉常容，王晉生，李建基，等.電力設(shè)備實用技術(shù)手冊［M］.北京：中國水利水電出版社，2014：2260-2380.

［2］雷春明，范滿元.電力建設(shè)［M］.北京：中國水利水電出版社，2008：76-78.

［3］趙旭峰，朱學(xué)勇.變電站防誤閉鎖裝置的功能及應(yīng)用［J］.江蘇電機工程，2010，29（2）：59-61.

［4］張磊.一起由于10 kV線路拒動引起主變越級跳閘的事故分析［J］.江蘇電機工程，2012，31（2）：16-17.

Analysis and Treatment of the Fail-to-break of ZN65A-12 Type Vacuum Circuit Breaker

XUE Jiangen
（Yancheng Power Generation Co.Ltd.，Yancheng 224003，China）

The fail-to-break of circuit breaker is extremely serious to the power system.Considering frequently occurred fail-to-break，a comprehensive analysis on the external control system，internal electrical circuits and transmission mechanism of the ZN65A-12 hand trolley vacuum circuit breaker is introduced.The testing result shows that the initial opening moments of the vacuum circuit breaker mechanism is much less than normal，and it leads to the fail-to-break of circuit breaker.By adjusting the angle of the spindle moment arm，the switching off reliability of the vacuum circuit breaker is effectively improved，and then the serious potential safety hazard is eliminated.

vacuum circuit breaker；fail-to-break；moment；mechanism；reliability

TM561.2

B

1009-0665（2015）02-0018-03

2014-10-13；

2014-11-30

薛建根（1965），男，江蘇鹽城人，工程師，從事火電廠電氣設(shè)備檢修與維護技術(shù)管理工作。