一起110 kV断路器合后即分故障及分析

2019-05-25孙董军郑易谷陈曦钱国超何顺

云南电力技术 2019年2期

孙董军，郑易谷，陈曦，钱国超，何顺

（1.云南电力技术有限责任公司，昆明 650217；2.云南电网有限责任公司电力科学研究院，昆明 650217）

0 前言

高压断路器能够关合、承载、开断运行回路正常电流，并能在规定时内关合、承载、开断规定的短路电流。它在电力系统中担负着控制和保护双重任务，其质量好坏、性能是决定电力系统安全的重要因素[1-2]，高压断路器的故障将影响电力系统的安全和稳定[3]。操作机构作为断路器中的重要组成部分，它既是实现断路器闭合与断开动作的直线机构，也是力的传递机构。在高压断路器故障中，操作机构故障占总故障发生比例约为50%[4-5]，因此，操作机构成为高压断路器能否可靠运行的关键之一[6]。

本文针对一起110 kV断路器合后即分故障，通过现场检查、故障后试验和操作机构检修，同时结合断路器配用操作机构原理、复位弹簧和掣子的设计、材质、尺寸等，找出了发生故障的主要原因和次要原因，并提出相应的整改及预防措施。

1 故障过程简介

某220kV变电站110kV线路侧173断路器在进行B修过程中，发现该断路器发生了合后即分现象，手动合闸20次左右即出现7次合后即分现象。

2 现场检查情况

2.1 操作检查

故分析时，拆掉分闸线圈后，手动进行5次合闸操作仍发生1起合后即分现象。

因此，可排除断路器控制回路有异常信号而导致的故障可能性，怀疑发生故障的原因在断路器配用机械部分。

2.2 特性试验

在未对断路器任何调整处理前，对171断路器进行断路器分合闸动作特性测量。

2.3 机构检查

采用高速相机对171断路器合闸过程拍摄发现，断路器B相主拐臂与相间水平连杆未发生碰撞情况，高速相机截图如图1。

图1 171断路器合闸过程

3 检修试验

由于考虑到合后即分故障出现有一定概率性，参考之前同类故障处理方法，现场对171断路器分闸掣子及复位弹簧进行了更换。

新旧分闸掣子对比：

1）旧掣子有一定磨损，特别是合闸保持掣子脱扣滚轮接触部位；

2）旧掣子表面镀锌层因运行年限较长有氧化褪色现象。

新旧复位弹簧对比：新复位弹簧较旧弹簧总体长度缩短4 mm，弹簧有效圈数减少约1.5圈，弹簧直径增大，弹力系数明显增大。

更换分闸掣子和复位弹簧后，进行了15次就地合闸和5次远方合闸操作，未发现合后即分现象。

4 原因分析

4.1 CT30机构动作原理

在合闸弹簧已储能状态下如图2所示，合闸线圈通电吸合撞击合闸掣子解锁，合闸弹簧释放，凸轮顺时针旋转推动内（外）拐臂绕拐臂轴逆时针快速旋转，带动机构输出拉杆进行合闸动作，同时外拐臂压缩分闸弹簧储能，分闸掣子和合闸保持掣子在各自复位弹簧的作用下复位，合闸保持掣子及分闸掣子共同作用锁住内（外）拐臂，此时位置（即合闸位置）如图3所示，合闸过程结束。

4.2 合后即分原因排查

断路器弹簧操作机构发生合后即分故障主要有三个原因：控制回路信号异常；传动机构外拐臂与相间水平连杆发生碰撞；机构合闸保持状态不稳定。

图2 断路器分闸状态

图3 断路器合闸状态

4.2.1 控制回路信号异常排查

在检修过程中发现合后即分现象时，手动操作仍然发生了合后即分，即可排除断路器控制回路有异常跳闸信号而导致合后即分的可能。

4.2.2 传动机构外拐臂与相间水平连杆碰撞

在故障断路器未做任何调整下，采用采用高速相机对合闸过程拍摄发现，断路器B相主拐臂与相间水平连杆未发生碰撞情况，即可排除断路器传动机构外拐臂与相间水平连杆发生碰撞而造成合后即分的可能。

4.2.3 机构合闸保持状态不稳定原因排查

由于弹簧机构合闸保持原理可知，使机构保持在合闸状态下，是通过设计巧妙的杠杆原理，逐级减小了作用在分闸掣子上的力矩，从而实现了以较小的推力就可以控制大功率弹簧机构的分闸。在这里不得不提到作用在分闸掣子上的一个关键参数：合闸保持力矩M，其值大小由4个因素决定：来自合闸保持掣子的作用力P1，来自复位弹簧的作用力P2，以及力臂L1和L2。合闸保持力矩M越小则意味着机构的合闸状态保持变得不可靠。

对与合闸保持掣子作用力矩M1，其作用力P1主要来自于分闸弹簧的压紧反弹力，作用力大小在不调整分闸弹簧压缩量情况下不会明显改变；其力臂L1理论上由于圆柱销和复位弹簧的作用不会发生改变，但是由于脱扣滚轮与分闸掣子在每次断路器分合闸过程中都会发生撞击和摩擦，以至于分闸掣子受到磨损而改变了脱扣滚轮与分闸掣子的扣合角度。考虑L1值本身较小，即使扣合点发生接触角度轻微改变，由M1=P1×L1×(cosα)2可知，仍会造成合闸保持掣子作用力矩值减小，同时可知，随磨损加重，合闸保持掣子作用力矩值会急剧减小。新旧分闸掣子对比可发现，旧分闸掣子表面形成了较为明显的圆弧状凹坑。

图4 合闸状态示意图

对与复位弹簧作用力矩M2，其作用力P2主要来自于复位弹簧的压紧反弹力；其力臂L2由分闸掣子零件外形设计确定，理论上不会发生改变。

据了解，机构生产厂家约在2年前对于CT30机构分闸掣子复位弹簧做了相关改进，新复位弹簧较旧弹簧总体长度缩短4mm，弹簧有效圈数减少约1.5圈，弹簧直径增大，弹力系数明显增大。机构生产厂家发文说明，更换弹性系数较大的弹簧，同时弹簧长度减短，经过计算弹簧输出力保持不变。

更换弹性系数较大的弹簧，首先会加快分闸掣子的复位速度，可保证分闸掣子在合闸保持掣子复位前到达正确位置；其次，复位弹簧弹性系数大则可减少断路器合闸过程中产生的振动对其影响。同时，旧复位弹簧直径较细，更易受到长期压缩而导致疲软，致使弹力系数减小，最终导致随机构运行时间加长而复位弹簧作用力P2减小，并且回弹时间加长。同时，弹簧因直径小，可能在压缩情况下产生并簧（即临近两个簧圈发生错位）影响回弹，严重会产生不可逆的变形，改变弹性系数。机构厂家对复位弹簧做相关改进也正是基于此种的考虑。

综上所述，造成断路器合后即分有多种因素，本次故障中复位弹簧不可靠为主要原因，分闸掣子磨损为次要原因。以上因素会造成合闸保持力矩M减小，直接影响断路器合闸保持状态的稳定性，由动触头合闸过冲带来的振动有可能造成机构合闸后立即分闸。当合闸保持力矩M减小为负值时，合闸状态则一直无法保持。