一起110 kV斷路器合后即分故障及分析

孫董軍，鄭易谷，陳曦，錢國(guó)超，何順

（1.云南電力技術(shù)有限責(zé)任公司，昆明 650217；2.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，昆明 650217）

0 前言

高壓斷路器能夠關(guān)合、承載、開斷運(yùn)行回路正常電流，并能在規(guī)定時(shí)內(nèi)關(guān)合、承載、開斷規(guī)定的短路電流。它在電力系統(tǒng)中擔(dān)負(fù)著控制和保護(hù)雙重任務(wù)，其質(zhì)量好壞、性能是決定電力系統(tǒng)安全的重要因素[1-2]，高壓斷路器的故障將影響電力系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定[3]。操作機(jī)構(gòu)作為斷路器中的重要組成部分，它既是實(shí)現(xiàn)斷路器閉合與斷開動(dòng)作的直線機(jī)構(gòu)，也是力的傳遞機(jī)構(gòu)。在高壓斷路器故障中，操作機(jī)構(gòu)故障占總故障發(fā)生比例約為50%[4-5]，因此，操作機(jī)構(gòu)成為高壓斷路器能否可靠運(yùn)行的關(guān)鍵之一[6]。

本文針對(duì)一起110 kV斷路器合后即分故障，通過現(xiàn)場(chǎng)檢查、故障后試驗(yàn)和操作機(jī)構(gòu)檢修，同時(shí)結(jié)合斷路器配用操作機(jī)構(gòu)原理、復(fù)位彈簧和掣子的設(shè)計(jì)、材質(zhì)、尺寸等，找出了發(fā)生故障的主要原因和次要原因，并提出相應(yīng)的整改及預(yù)防措施。

1 故障過程簡(jiǎn)介

某220kV變電站110kV線路側(cè)173斷路器在進(jìn)行B修過程中，發(fā)現(xiàn)該斷路器發(fā)生了合后即分現(xiàn)象，手動(dòng)合閘20次左右即出現(xiàn)7次合后即分現(xiàn)象。

2 現(xiàn)場(chǎng)檢查情況

2.1 操作檢查

故分析時(shí)，拆掉分閘線圈后，手動(dòng)進(jìn)行5次合閘操作仍發(fā)生1起合后即分現(xiàn)象。

因此，可排除斷路器控制回路有異常信號(hào)而導(dǎo)致的故障可能性，懷疑發(fā)生故障的原因在斷路器配用機(jī)械部分。

2.2 特性試驗(yàn)

在未對(duì)斷路器任何調(diào)整處理前，對(duì)171斷路器進(jìn)行斷路器分合閘動(dòng)作特性測(cè)量。

2.3 機(jī)構(gòu)檢查

采用高速相機(jī)對(duì)171斷路器合閘過程拍攝發(fā)現(xiàn)，斷路器B相主拐臂與相間水平連桿未發(fā)生碰撞情況，高速相機(jī)截圖如圖1。

圖1 171斷路器合閘過程

3 檢修試驗(yàn)

由于考慮到合后即分故障出現(xiàn)有一定概率性，參考之前同類故障處理方法，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)171斷路器分閘掣子及復(fù)位彈簧進(jìn)行了更換。

新舊分閘掣子對(duì)比：

1）舊掣子有一定磨損，特別是合閘保持掣子脫扣滾輪接觸部位；

2）舊掣子表面鍍鋅層因運(yùn)行年限較長(zhǎng)有氧化褪色現(xiàn)象。

新舊復(fù)位彈簧對(duì)比：新復(fù)位彈簧較舊彈簧總體長(zhǎng)度縮短4 mm，彈簧有效圈數(shù)減少約1.5圈，彈簧直徑增大，彈力系數(shù)明顯增大。

更換分閘掣子和復(fù)位彈簧后，進(jìn)行了15次就地合閘和5次遠(yuǎn)方合閘操作，未發(fā)現(xiàn)合后即分現(xiàn)象。

4 原因分析

4.1 CT30機(jī)構(gòu)動(dòng)作原理

在合閘彈簧已儲(chǔ)能狀態(tài)下如圖2所示，合閘線圈通電吸合撞擊合閘掣子解鎖，合閘彈簧釋放，凸輪順時(shí)針旋轉(zhuǎn)推動(dòng)內(nèi)（外）拐臂繞拐臂軸逆時(shí)針快速旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)機(jī)構(gòu)輸出拉桿進(jìn)行合閘動(dòng)作，同時(shí)外拐臂壓縮分閘彈簧儲(chǔ)能，分閘掣子和合閘保持掣子在各自復(fù)位彈簧的作用下復(fù)位，合閘保持掣子及分閘掣子共同作用鎖住內(nèi)（外）拐臂，此時(shí)位置（即合閘位置）如圖3所示，合閘過程結(jié)束。

4.2 合后即分原因排查

斷路器彈簧操作機(jī)構(gòu)發(fā)生合后即分故障主要有三個(gè)原因：控制回路信號(hào)異常；傳動(dòng)機(jī)構(gòu)外拐臂與相間水平連桿發(fā)生碰撞；機(jī)構(gòu)合閘保持狀態(tài)不穩(wěn)定。

圖2 斷路器分閘狀態(tài)

圖3 斷路器合閘狀態(tài)

4.2.1 控制回路信號(hào)異常排查

在檢修過程中發(fā)現(xiàn)合后即分現(xiàn)象時(shí)，手動(dòng)操作仍然發(fā)生了合后即分，即可排除斷路器控制回路有異常跳閘信號(hào)而導(dǎo)致合后即分的可能。

4.2.2 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)外拐臂與相間水平連桿碰撞

在故障斷路器未做任何調(diào)整下，采用采用高速相機(jī)對(duì)合閘過程拍攝發(fā)現(xiàn)，斷路器B相主拐臂與相間水平連桿未發(fā)生碰撞情況，即可排除斷路器傳動(dòng)機(jī)構(gòu)外拐臂與相間水平連桿發(fā)生碰撞而造成合后即分的可能。

4.2.3 機(jī)構(gòu)合閘保持狀態(tài)不穩(wěn)定原因排查

由于彈簧機(jī)構(gòu)合閘保持原理可知，使機(jī)構(gòu)保持在合閘狀態(tài)下，是通過設(shè)計(jì)巧妙的杠桿原理，逐級(jí)減小了作用在分閘掣子上的力矩，從而實(shí)現(xiàn)了以較小的推力就可以控制大功率彈簧機(jī)構(gòu)的分閘。在這里不得不提到作用在分閘掣子上的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)：合閘保持力矩M，其值大小由4個(gè)因素決定：來自合閘保持掣子的作用力P1，來自復(fù)位彈簧的作用力P2，以及力臂L1和L2。合閘保持力矩M越小則意味著機(jī)構(gòu)的合閘狀態(tài)保持變得不可靠。

對(duì)與合閘保持掣子作用力矩M1，其作用力P1主要來自于分閘彈簧的壓緊反彈力，作用力大小在不調(diào)整分閘彈簧壓縮量情況下不會(huì)明顯改變；其力臂L1理論上由于圓柱銷和復(fù)位彈簧的作用不會(huì)發(fā)生改變，但是由于脫扣滾輪與分閘掣子在每次斷路器分合閘過程中都會(huì)發(fā)生撞擊和摩擦，以至于分閘掣子受到磨損而改變了脫扣滾輪與分閘掣子的扣合角度。考慮L1值本身較小，即使扣合點(diǎn)發(fā)生接觸角度輕微改變，由M1=P1×L1×(cosα)2可知，仍會(huì)造成合閘保持掣子作用力矩值減小，同時(shí)可知，隨磨損加重，合閘保持掣子作用力矩值會(huì)急劇減小。新舊分閘掣子對(duì)比可發(fā)現(xiàn)，舊分閘掣子表面形成了較為明顯的圓弧狀凹坑。

圖4 合閘狀態(tài)示意圖

對(duì)與復(fù)位彈簧作用力矩M2，其作用力P2主要來自于復(fù)位彈簧的壓緊反彈力；其力臂L2由分閘掣子零件外形設(shè)計(jì)確定，理論上不會(huì)發(fā)生改變。

據(jù)了解，機(jī)構(gòu)生產(chǎn)廠家約在2年前對(duì)于CT30機(jī)構(gòu)分閘掣子復(fù)位彈簧做了相關(guān)改進(jìn)，新復(fù)位彈簧較舊彈簧總體長(zhǎng)度縮短4mm，彈簧有效圈數(shù)減少約1.5圈，彈簧直徑增大，彈力系數(shù)明顯增大。機(jī)構(gòu)生產(chǎn)廠家發(fā)文說明，更換彈性系數(shù)較大的彈簧，同時(shí)彈簧長(zhǎng)度減短，經(jīng)過計(jì)算彈簧輸出力保持不變。

更換彈性系數(shù)較大的彈簧，首先會(huì)加快分閘掣子的復(fù)位速度，可保證分閘掣子在合閘保持掣子復(fù)位前到達(dá)正確位置；其次，復(fù)位彈簧彈性系數(shù)大則可減少斷路器合閘過程中產(chǎn)生的振動(dòng)對(duì)其影響。同時(shí)，舊復(fù)位彈簧直徑較細(xì)，更易受到長(zhǎng)期壓縮而導(dǎo)致疲軟，致使彈力系數(shù)減小，最終導(dǎo)致隨機(jī)構(gòu)運(yùn)行時(shí)間加長(zhǎng)而復(fù)位彈簧作用力P2減小，并且回彈時(shí)間加長(zhǎng)。同時(shí)，彈簧因直徑小，可能在壓縮情況下產(chǎn)生并簧（即臨近兩個(gè)簧圈發(fā)生錯(cuò)位）影響回彈，嚴(yán)重會(huì)產(chǎn)生不可逆的變形，改變彈性系數(shù)。機(jī)構(gòu)廠家對(duì)復(fù)位彈簧做相關(guān)改進(jìn)也正是基于此種的考慮。

綜上所述，造成斷路器合后即分有多種因素，本次故障中復(fù)位彈簧不可靠為主要原因，分閘掣子磨損為次要原因。以上因素會(huì)造成合閘保持力矩M減小，直接影響斷路器合閘保持狀態(tài)的穩(wěn)定性，由動(dòng)觸頭合閘過沖帶來的振動(dòng)有可能造成機(jī)構(gòu)合閘后立即分閘。當(dāng)合閘保持力矩M減小為負(fù)值時(shí)，合閘狀態(tài)則一直無法保持。

5 結(jié)束語

1）深入分析本次斷路器合即分故障的原因，主要原因是復(fù)位彈簧不可靠，次要原因?yàn)榉珠l掣子磨損。

2）CT30彈簧操作機(jī)構(gòu)的斷路器，在條件允許的情況下，結(jié)合停電定檢機(jī)會(huì)更換分閘掣子復(fù)位彈簧。

3）對(duì)于分合閘次數(shù)較多的CT30彈簧操作機(jī)構(gòu)斷路器，建議拆卸分閘掣子，檢查其與合閘保持掣子脫扣滾輪接觸面，表面若有明顯圓弧狀凹坑，更換分閘掣子。