試析斷路器機械故障及其成因

南方電網(wǎng)德宏供電局 羅光鴻 何順全 羅啟俊 許國龍

目前，我國市場上消費量較多的是真空斷路器和SF6斷路器。真空斷路器以及部分SF6斷路器特別是220kV以內(nèi)電壓級別的SF6一般均采用彈簧機構(gòu)，220kV以上電壓級別的SF6斷路器基本采用液壓機構(gòu)抑或液壓彈簧機構(gòu)。基于機構(gòu)的區(qū)別，斷路器形成了工作模式的差別，但它們的結(jié)構(gòu)沒有根本的區(qū)別，僅為工作形式有所不同[1]。斷路器機械特性故障分為三種，即拒動、誤動和其他故障等。分析其故障成因較多，大體可分為兩類，一類為斷路器機械性能降低、劣化導(dǎo)致的故障，另一類為由于斷路器二次回路產(chǎn)生的故障[2,3]。以下分三方面對斷路器機械故障進行探究，并對其產(chǎn)生的原因進行剖析。

1 斷路器拒動故障及其成因

斷路器的拒動故障是設(shè)備故障之一，指斷路器設(shè)備在繼電保護及安全自動裝置動作或在操作過程中拉合控制開關(guān)并發(fā)出工作指令時拒絕動作。該故障主要分為兩種，即拒分和拒合。通常情況下，斷路器的拒合故障出現(xiàn)于檢修前后，也可以出現(xiàn)在斷路器故障更換其他輸電線路供電的情況下，所以該故障僅為局部一臺斷路器出現(xiàn)問題，并不會因此較多影響其他線路。相較而言，線路中發(fā)生的拒分故障能夠較大地影響到系統(tǒng)的安全運行，可形成上一級斷路器跳閘，這也被叫做“越級跳閘”，出現(xiàn)這種情況會擴大事故停電范圍，嚴重的會形成系統(tǒng)解列，并能夠形成大范圍停電的重大事故。所以我國的檢修單位對于拒分故障的重視程度較高[4]。

分析斷路器拒動的成因較多，控制回路中線路、元器件以及儲能機構(gòu)等出現(xiàn)問題后，均可形成斷路器的拒動，而機械故障會較多引發(fā)電氣故障。故此，分析發(fā)生拒動故障的成因不能僅僅單一分析電氣問題或單一分析機械故障，可從以下原因進行剖析：

斷路器無法響應(yīng)分合閘指令。是指線路兩端均有電壓但無電流通過，故障成因主要為端子脫落、航插插針變形或插入不夠、線路斷線等問題，這些情況的形成主因是控制回路中有斷點，回路不能導(dǎo)通，形成推動故障。這類故障可歸納成人為因素和電氣性能因素。如端子脫落、航插插針變形、航插插入不夠等均可歸為人為因素導(dǎo)致的線路斷路問題，針對這種情況，要加大人員培訓(xùn)力度、調(diào)整作業(yè)流程，可以有效避免此類情況發(fā)生；如線圈燒毀、端子氧化等均可歸為電氣性能因素，針對該情況，未出現(xiàn)問題時不易發(fā)現(xiàn)，可采用穩(wěn)態(tài)電流變化對斷路器實施檢測。

斷路器無法執(zhí)行分合閘動作。分析斷路器拒動的另外成因為機械性能劣化，可形成在合閘指令已經(jīng)傳遞到分合閘線圈時，機械部件不能實施分合閘動作。機械性能劣化引起的拒動故障可歸納為兩類：一類成因于電磁鐵、脫扣板等脫扣有關(guān)機構(gòu)的卡澀；另一類成因是雖然脫扣機構(gòu)正常執(zhí)行動作，但卻不能將能量傳遞到動觸頭上，該類型的問題應(yīng)歸為傳動機構(gòu)故障。如出現(xiàn)絕緣拉桿斷裂問題，則斷路器不能把儲能機構(gòu)中的能量傳遞到動觸頭，所以輔助開關(guān)也不能工作。如有傳動機構(gòu)卡澀的問題，則斷路器的觸頭啟動時間將變慢，大多數(shù)情況下斷路器動觸頭動作后輔助觸點開始工作，由此在傳動機構(gòu)引發(fā)了輔助開關(guān)切換的時間一并變慢。

2 斷路器誤動故障及其成因

這里所探究的誤動故障是指斷路器在沒有接收到動作指令時即發(fā)生動作，其中涵蓋了保護跳閘、偷跳、合后即分等非人為因素形成的斷路器動作。現(xiàn)階段，在傳統(tǒng)預(yù)防性試驗時不應(yīng)脫扣，斷路器分閘脫扣器的最低動作電壓處在額定電壓的30%～60%之間，合閘最低動作電壓處于額定電壓的30%～80%(交流為85%)之間。國家標準（如GB11022和DL/T596）明確規(guī)定了斷路器最低動作電壓，對于30%及以下額定電壓不應(yīng)脫扣的要求，目的是防止電力設(shè)備干擾引起的斷路器誤動作。在實際工作中，即使對于斷路器誤動的試驗較為精細，卻仍然發(fā)生較多的斷路器誤動問題[5]。

在分析斷路器誤動的成因時，發(fā)現(xiàn)該故障的發(fā)生與拒動十分相似，其原因主要為操作機構(gòu)無法保持狀態(tài)或電氣部分受到干擾或出現(xiàn)問題。

操作機構(gòu)無法保持狀態(tài)。斷路器設(shè)備的機械部件是由簡單自由度為1的四連桿機構(gòu)組成的，分合閘保持摯子是用來限制斷路器運動的，可以理解為在四連桿機構(gòu)的主動軸上加上了約束，使其自由度變?yōu)?。而斷路器誤動的成因源自其機械結(jié)構(gòu)無法保持住狀態(tài)，四連桿機構(gòu)的約束不能制止主動軸的運動，四連桿機構(gòu)的自由度可回歸為1。當(dāng)儲能部件恰處在儲能完成狀態(tài)，那么就會使斷路器形成誤動。

電氣受到干擾或出現(xiàn)故障。在正常情況下斷路器分合閘回路為斷路狀態(tài)，在工作中，下達動作指令后，分合閘回路才會形成聯(lián)通。在分合閘動作完成時，機械結(jié)構(gòu)會將分合閘回路切斷。在異常情況下，斷路器元器件會受到干擾，導(dǎo)致分合閘回路處于聯(lián)通狀態(tài)，進而使斷路器執(zhí)行分合閘動作。此外，變電站斷路器布局也會對其產(chǎn)生影響，如布局緊湊，在母線帶電時磁場范圍內(nèi)的導(dǎo)線可形成感應(yīng)電，在國家標準中，對于對斷路器最低動作電壓也有明確規(guī)定，即處于30%工作電壓以下時斷路器不可實現(xiàn)分合動作，主要是為避免感應(yīng)電對斷路器造成影響而形成誤動。

3 斷路器的其他問題

斷路器與機械特性相關(guān)的故障問題，在拒動與誤動以外還存在某些情況不會影響斷路器的正常工作、卻對斷路器的使用壽命有影響。如斷路器在動、靜觸頭接觸前或分開后有產(chǎn)生電弧的情況，合閘速度過低將使預(yù)擊穿時間延長，而分閘速度過低會使分閘時拉弧變長，這兩種情況即分閘時的拉弧以及合閘時預(yù)擊穿所產(chǎn)生的電弧均可燒毀斷路器的觸頭，嚴重地妨害斷路器的使用壽命。除了以上對斷路器產(chǎn)生的情況，電磁鐵絕緣也會導(dǎo)致產(chǎn)生拒動誤動，長時間使電磁鐵帶電可使斷路器線圈的功能性降低，匝間短路將使通過線圈的電流較大，會燒毀線圈并且使斷路器出現(xiàn)拒動問題，最低的動作電壓降低會使斷路器產(chǎn)生誤動問題。

工作流程方面來看，斷路器出現(xiàn)故障主要是出現(xiàn)在電氣部分執(zhí)行操作指令、機械結(jié)構(gòu)動作及斷路器實施分合閘動作等步驟。其中，機械結(jié)構(gòu)動作還可以細分，主要分合閘脫扣機構(gòu)動作和傳動機構(gòu)動作。

在斷路器每次工作時，其儲能電機會對斷路器實施儲能操作，這項動作可以使斷路器在下次工作時能夠穩(wěn)定地實施分合閘指令。斷路器的分合閘速度過低主要存在于以下兩種原因：一方面，斷路器儲能機構(gòu)存有缺陷，可使轉(zhuǎn)化為觸頭動能的能量不足，造成斷路器速度降低；另一方面，儲能能量較為正常，斷路器機構(gòu)卻運行不夠流暢，致使儲能機構(gòu)存儲的能量需要分出較多能量來抵消卡澀所需，致使不能提供足夠的能量轉(zhuǎn)化為觸頭動能。

4 結(jié)語

從以上分析，斷路器拒動、誤動和其他故障會造成斷路器機械故障。本文深入剖析了導(dǎo)致斷路器機械故障的成因，并可為斷路器故障檢測提供借鑒。