10 kV斷路器控制回路隱性故障分析

鐘著輝，魯奕鋼，陳 坤

（國(guó)網(wǎng)湖南常德供電分公司，湖南 常德 415000）

0 引言

10 kV斷路器一般采用彈簧儲(chǔ)能操作機(jī)構(gòu)，該操作機(jī)構(gòu)具有動(dòng)作速度快、合閘電流小、交直流通用及可靠性高等特點(diǎn)，得到了廣泛應(yīng)用。彈簧儲(chǔ)能操作機(jī)構(gòu)的控制回路包括儲(chǔ)能回路、跳合閘控制回路及信號(hào)回路等，在實(shí)際運(yùn)行中其控制回路會(huì)發(fā)生一些故障，如儲(chǔ)能失效、控制回路斷線、電機(jī)損壞、跳閘和合閘線圈燒毀等，這類(lèi)故障原因明確，查找相對(duì)容易。但空氣開(kāi)關(guān)（簡(jiǎn)稱(chēng)空開(kāi)）頻繁跳閘、紅綠燈同時(shí)點(diǎn)亮等故障較少見(jiàn)，故障原因隱蔽，現(xiàn)場(chǎng)不易排查，相關(guān)的針對(duì)性研究較少［1］。本文通過(guò)具體案例，分析了此類(lèi)故障的原因，提出了相應(yīng)的解決措施，以防此類(lèi)故障的發(fā)生。

1 合閘時(shí)操作電源空開(kāi)頻繁跳閘故障

某10 kV線路斷路器在運(yùn)行中合閘或重合閘后，多次發(fā)生操作電源空開(kāi)自動(dòng)跳閘故障。每次跳閘后，空開(kāi)可手動(dòng)合閘，檢查設(shè)備無(wú)異常，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量控制回路絕緣正常，多次檢查未查明故障原因。

該斷路器控制回路和儲(chǔ)能回路原理示意圖如圖1所示。圖中SP為儲(chǔ)能行程開(kāi)關(guān)，QF為斷路器輔助開(kāi)關(guān)，HQ為斷路器合閘線圈。當(dāng)斷路器未儲(chǔ)能時(shí)，SP常開(kāi)接點(diǎn)斷開(kāi)，閉鎖合閘回路?？臻_(kāi)跳閘的原因有回路過(guò)載、回路短路等［2］。測(cè)量合閘線圈電阻為110 Ω，且未見(jiàn)有正負(fù)極短路現(xiàn)象，空開(kāi)額定電流為5 A，推測(cè)空開(kāi)存在問(wèn)題。更換空開(kāi)后，進(jìn)行跳合閘試驗(yàn)，仍偶有跳閘現(xiàn)象，說(shuō)明故障原因與空開(kāi)無(wú)關(guān)。

圖1 斷路器控制回路和儲(chǔ)能回路原理示意圖

觀察故障現(xiàn)象，每次空開(kāi)跳閘是在斷路器合閘后的瞬間發(fā)生。由于合閘是儲(chǔ)能彈簧能量的釋放過(guò)程，釋放能量后通過(guò)SP行程開(kāi)關(guān)立即啟動(dòng)儲(chǔ)能電機(jī)回路進(jìn)行儲(chǔ)能。因此，推測(cè)在此過(guò)程中操作電源與儲(chǔ)能電源之間發(fā)生串電，引起短路。拉開(kāi)儲(chǔ)能電源進(jìn)行合閘，合閘成功后再合上儲(chǔ)能空開(kāi)，重復(fù)多次試驗(yàn)未再出現(xiàn)操作電源空開(kāi)跳閘現(xiàn)象，說(shuō)明在合閘的瞬間確有大電流串入到操作電源回路。

檢查二次元件接線，發(fā)現(xiàn)儲(chǔ)能啟動(dòng)和合閘閉鎖接點(diǎn)接在行程開(kāi)關(guān)的同一組常開(kāi)、常閉接點(diǎn)上，儲(chǔ)能行程開(kāi)關(guān)接線圖如圖2所示。該行程開(kāi)關(guān)有兩組常開(kāi)、常閉接點(diǎn)，第一組的常閉接點(diǎn)①②接到合閘正電源7，常開(kāi)接點(diǎn)③④接到儲(chǔ)能電機(jī)控制回路的負(fù)電源端。另一組常閉接點(diǎn)⑤⑥、常開(kāi)接點(diǎn)⑦⑧分別接至信號(hào)回路和儲(chǔ)能電機(jī)控制回路的正電源端。從圖2可看出每組常開(kāi)、常閉接點(diǎn)并非完全獨(dú)立，常開(kāi)、常閉接點(diǎn)的轉(zhuǎn)換經(jīng)同一動(dòng)觸片切換。

圖2 儲(chǔ)能行程開(kāi)關(guān)接線圖

當(dāng)操作機(jī)構(gòu)通斷直流電機(jī)回路時(shí)會(huì)產(chǎn)生電?。划?dāng)動(dòng)觸片由常閉（開(kāi)）切換至常開(kāi)（閉）時(shí)，其常閉（開(kāi)）回路的電弧未熄滅，而常開(kāi)（閉）接點(diǎn)已接通。如圖2虛線所示，合閘瞬間當(dāng)接點(diǎn)一端由②切換至④，但另一端仍處在①或電弧未熄滅時(shí)，會(huì)將合閘正電源7加至儲(chǔ)能電源負(fù)極（872），從而發(fā)生短路，由于操作電源空開(kāi)容量小于儲(chǔ)能電源空開(kāi)容量，因此導(dǎo)致操作電源空開(kāi)跳閘。

2 合閘后紅綠燈同時(shí)亮

帶有機(jī)構(gòu)防跳的斷路器控制回路如圖3所示，正常運(yùn)行時(shí)，合閘后由于QF常閉接點(diǎn)斷開(kāi)，TWJ不能接通，回路7處應(yīng)帶有正電位。某10 kV電容器斷路器運(yùn)行中出現(xiàn)合閘后紅綠燈同時(shí)亮現(xiàn)象，紅綠燈同時(shí)亮表明合閘后，合閘位置繼電器HWJ和跳閘位置繼電器TWJ同時(shí)勵(lì)磁［3］。出現(xiàn)該現(xiàn)象的常見(jiàn)原因是當(dāng)采用機(jī)構(gòu)防跳時(shí)，回路接線不完善［4］。圖3中，ZJ為機(jī)構(gòu)防跳繼電器，當(dāng)斷路器在合位時(shí)，由于TWJ負(fù)端直接接于7，TWJ通過(guò)SP常開(kāi)接點(diǎn)→QF常開(kāi)接點(diǎn)→ZJ線圈構(gòu)成回路，TWJ和ZJ線圈電阻均為千歐級(jí)，二者分壓后使TWJ在合位仍被勵(lì)磁，從而導(dǎo)致合閘后紅綠燈同時(shí)亮。針對(duì)這種情況，通常在TWJ負(fù)端串入一對(duì)斷路器QF常閉接點(diǎn)，之后再接入到7。該斷路器采用的是操作箱防跳，其機(jī)構(gòu)防跳繼電器ZJ已取消，該原因可排除。

圖3 帶有機(jī)構(gòu)防跳的斷路器控制回路

測(cè)量7發(fā)現(xiàn)其合閘后仍帶有-50 V電壓，在合閘后到儲(chǔ)能完成前的3～5 s時(shí)間內(nèi)，7處帶有+110 V電壓，綠燈并不點(diǎn)亮，在儲(chǔ)能結(jié)束的瞬間綠燈立即點(diǎn)亮。故推測(cè)儲(chǔ)能回路有問(wèn)題，拉開(kāi)儲(chǔ)能電源后綠燈熄滅。在儲(chǔ)能狀態(tài)下，測(cè)量接點(diǎn)②④絕緣只有5 kΩ，這說(shuō)明行程開(kāi)關(guān)接點(diǎn)存在漏電，TWJ通過(guò)SP的①②④與儲(chǔ)能電源負(fù)極872構(gòu)成了回路，如圖4所示，更換為新行程開(kāi)關(guān)后故障消失。

行程開(kāi)關(guān)雖有兩組常開(kāi)、常閉接點(diǎn)，但受其結(jié)構(gòu)限制，切換行程短，當(dāng)機(jī)構(gòu)通斷直流電機(jī)回路時(shí)產(chǎn)生電弧。行程開(kāi)關(guān)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，當(dāng)材料老化、絕緣下降、通斷時(shí)間延長(zhǎng)、觸點(diǎn)燒損、動(dòng)觸片切換常開(kāi)和常閉接點(diǎn)時(shí)，可能發(fā)生其常閉接點(diǎn)回路電弧未熄滅，而常開(kāi)接點(diǎn)回路已接通，甚至發(fā)生接點(diǎn)粘連。

圖4 行程開(kāi)關(guān)接點(diǎn)漏電示意圖

當(dāng)彈簧儲(chǔ)能操作機(jī)構(gòu)的行程開(kāi)關(guān)用于直流回路時(shí)，其通斷容量遠(yuǎn)小于交流回路，目前無(wú)專(zhuān)用于直流回路的行程開(kāi)關(guān)。110 kV及以上彈簧儲(chǔ)能操作機(jī)構(gòu)的行程開(kāi)關(guān)不直接接入電機(jī)回路，均經(jīng)中間繼電器啟動(dòng)儲(chǔ)能和閉鎖合閘，故障較少；35 kV及以下斷路器受設(shè)備體積制約，中間繼電器需外配，大多采用行程開(kāi)關(guān)直接控制。行程開(kāi)關(guān)的熄弧能力有限，長(zhǎng)期使用易發(fā)生觸點(diǎn)燒蝕、粘連，這是目前這類(lèi)彈簧儲(chǔ)能操作機(jī)構(gòu)發(fā)生行程開(kāi)關(guān)、電機(jī)損壞故障的主要原因。

3 解決措施

上述兩個(gè)案例的共性原因是把儲(chǔ)能行程開(kāi)關(guān)的同一組常開(kāi)和常閉接點(diǎn)同時(shí)接入電路形成回路，從而引起故障。解決辦法是增加行程開(kāi)關(guān)數(shù)量，盡量避免行程開(kāi)關(guān)的同一組常開(kāi)和常閉接點(diǎn)同時(shí)使用，現(xiàn)場(chǎng)接點(diǎn)不夠時(shí)可采用繼電器重動(dòng)方式。如果無(wú)法避免同一組常開(kāi)和常閉接點(diǎn)同時(shí)使用，也要按同電位原則，禁止同一組常開(kāi)和常閉接點(diǎn)分別接入正、負(fù)電源。還可采用大容量觸點(diǎn)、加裝電弧能量吸收元件等措施，提高接點(diǎn)的熄弧能力。下面給出兩種具體解決方案。

第一種方案增加儲(chǔ)能中間繼電器，如圖5所示。與圖1相比，行程開(kāi)關(guān)接點(diǎn)不直接啟動(dòng)儲(chǔ)能，機(jī)構(gòu)未儲(chǔ)能時(shí)⑤⑥常閉接點(diǎn)啟動(dòng)儲(chǔ)能中間繼電器ZJ，ZJ的一組常開(kāi)接點(diǎn)接到電機(jī)回路啟動(dòng)儲(chǔ)能，有關(guān)信號(hào)和指示回路均改接到ZJ接點(diǎn)。因未儲(chǔ)能，閉鎖合閘回路，正常運(yùn)行時(shí)其接點(diǎn)并不切斷電流，不會(huì)引起接點(diǎn)起弧燒蝕問(wèn)題，所以仍用SP的另一組常開(kāi)接點(diǎn)③④進(jìn)行控制，相比用ZJ接點(diǎn)控制，其優(yōu)點(diǎn)是在機(jī)構(gòu)未儲(chǔ)能、無(wú)儲(chǔ)能電源或ZJ損壞的情況下，不會(huì)接通合閘回路。

圖5 增加儲(chǔ)能中間繼電器

第二種方案調(diào)整行程開(kāi)關(guān)接線，如圖6所示。與圖2相比，將SP的合閘閉鎖接點(diǎn)①②改接到負(fù)電源端，這樣接點(diǎn)①②、③④在切換過(guò)程中均為同電位，避免了短路發(fā)生。同時(shí)在儲(chǔ)能控制接點(diǎn)③④、⑦⑧間加裝阻容吸收元件，減小通斷電弧，延長(zhǎng)接點(diǎn)使用壽命。

圖6 調(diào)整行程開(kāi)關(guān)接線

圖5所示方案能解決行程開(kāi)關(guān)易損壞和不同回路間串電的問(wèn)題，但對(duì)回路改動(dòng)較大；加裝中間繼電器，改造成本增加，且受設(shè)備空間限制。圖6所示方案對(duì)回路改動(dòng)較小，投入成本小，基本解決了儲(chǔ)能與操作回路可能串電的問(wèn)題，并且加裝的熄弧元件延長(zhǎng)了行程開(kāi)關(guān)壽命，可優(yōu)先選擇。

4 結(jié)語(yǔ)

10 kV斷路器往往采用行程開(kāi)關(guān)直接進(jìn)行儲(chǔ)能、合閘閉鎖及信號(hào)回路的切換和控制，由于其滅弧能力有限，如果行程開(kāi)關(guān)的同組常開(kāi)和常閉接點(diǎn)同時(shí)接入到電路中，易引發(fā)斷路器操作回路、信號(hào)回路及儲(chǔ)能回路之間相互串電，切換過(guò)程中發(fā)生電弧短路、接點(diǎn)粘連，縮短行程開(kāi)關(guān)使用壽命，這些故障查找困難。因此，在設(shè)計(jì)和制造中可通過(guò)采取增加行程開(kāi)關(guān)數(shù)量、加裝中間繼電器等措施，防止出現(xiàn)此類(lèi)故障。