一起220 kV GIS断路器拒分故障的分析与处理

卢雨翔，熊一凡，王师奇

（国网江西省电力有限公司检修分公司，江西南昌330096）

0 引言

随着电力系统容量的不断增加，江西省超高压电网的不断扩大，断路器在变电站的安全生产运行中发挥着不可替代的重要作用[1]。本文结合一起某500 kV变电站220 kV母联GIS断路器（型号ZF11-252L）拒分故障的分析与处理，使得当该类型断路器发生拒分问题后能迅速处理该类型故障，减少停电事件，保证电力系统的稳定可靠运行。

1 断路器的主要作用

断路器在500 kV变电站的安全运行中起着重要作用，对于断路器，主要有以下2个重要的作用：1）正常情况下接通和断开高压电路中的空载及负荷电流；2）在系统发生故障时能与保护装置和自动装置相配合，迅速切断故障电流，防止事故扩大，从而保证系统安全运行[2]。因此，当断路器发生拒分故障时，若此时出现故障，断路器将无法有效、正确的隔离故障，这将导致故障范围扩大，继续跳开上一级断路器，严重时，可能造成主变跳闸、母线失压的重大事故。

2 问题描述

当进行倒闸操作时，操作员下令断开母联开关，监控机上显示A相分位、B相合位、C相合位，现场检查机构位置与监控机一致。打开机构箱检查后，发现箱内存在明显的刺鼻味道，经检查，三相的合闸、主分、副分线圈外观无明显异常，分合闸线圈电阻均在93 Ω左右。控制回路出口电压，正极对地电压为113V，负极对地电压为-112V，出口电压正常。从智能控制柜再次对断路器进行分闸操作，A、B相分闸成功，C相再次拒分。

3 对断路器拒分故障原因的分析与处理

3.1 机构动作原理

断路器由本体（含灭弧室）、机构箱、弹簧机构、传动连杆等结构组成[1]。其结构如图1所示。

图1 弹簧机构断路器布置示意图

弹簧机构主要分为电机储能系统、主轴系统，输出轴系统，分合闸脱扣系统，合闸弹簧装配和分闸弹簧装配等部分。断路器用弹簧操动机构的主要功能是带动本体实现合闸动作、分闸动作和重合闸动作。弹簧机构原始状态处于分闸位置，合闸弹簧未储能状态，带动本体动作原理如图2。

图2 弹簧机构布置示意图

储能操作：在分闸位置，合闸弹簧未储能状态，当断路器合闸操作完毕时，限位开关将储能电机接通，电机带动棘爪推动棘轮旋转，通过拉杆将合闸弹簧储能，棘轮过死点后，在合闸弹簧力的作用下棘轮受到旋转的力矩，但合闸脱扣器将棘轮上的合闸止位销锁住，从而将弹簧操动机构保持在合闸预备状态，如图3、图4。

图3 分闸位置，合闸弹簧未储能

图4 分闸位置，合闸弹簧已储能

合闸操作：弹簧操动机构处于分闸位置且合闸弹簧已储能。当合闸电磁铁受电动作后，合闸脱扣器释放棘轮上的合闸止位销，从而在合闸弹簧的作用下，棘轮通过主轴带动凸轮旋转，凸轮又推动主拐臂上的磙子，再带动主拐臂和通过拉杆带动传动拐臂旋转，拐臂带动拉杆装配和外拐臂向下运动，推动绝缘拉杆，实现断路器本体动触头装配和静触头装配的合闸，并对分闸弹簧储能。当断路器合闸到位后，分闸脱扣器又将主拐臂上的分闸止位销锁住，从而保持断路器本体在合闸位置和分闸弹簧在压缩储能状态，为下一次分闸准备，如图5、图6。

图5 合闸位置，合闸弹簧未储能

图6 合闸位置，合闸弹簧已储能

分闸操作：弹簧操动机构处于合闸位置并且分闸弹簧被压缩储能时，当分闸电磁铁受电动作后，分闸脱扣器释放主拐臂上的分闸止位销，从而在分闸弹簧的作用下，传动拐臂通过拉杆带动主拐臂转动，拐臂带动拉杆装配和外拐臂向上运动，推动绝缘拉杆，实现断路器本体动触头装配和静触头装配的分闸，并由分闸弹簧的预压缩力将其保持在分闸位置，如图3。

3.2 原因分析

根据以上分闸原理介绍，开关在得到分闸指令时，电磁铁受电，撞杆将一级分闸锁闩打开，二级锁扣系统受力平衡被打破，在分闸弹簧力作用下，分闸保持掣子将向右运动，主拐臂销轴和轴承转动，拐臂将转动使本体分闸，如图7。

图7 分闸脱扣结构示意图

现场反馈的情况，开关拒分后，B相在第二次电动操作时分闸，C相电动无法分闸，最终经手动操作后分闸。C相机构分闸电磁铁空程现场测量为3mm。结合以上分析，编制试验验证方案，对机构进行试验验证、零部件检测和脱扣力计算分析。具体如下：

3.2.1 操作试验验证分析

3.2.1.1 机构电磁铁空程、行程和线圈电阻进行测量，测量结果均满足技术要求，测量结果见表1。

表1 测量结果

3.2.1.2 模拟在额定操作电压下对B、C相机构进行30次[3]分合闸试验，操作无异常。

3.2.1.3 将C相机构分闸锁闩处左右间隙调整至0.1 mm，在额定操作电压下机构能够正常分合闸。

3.2.1.4 对机构进行低电压动作测试，分闸时最低动作电压为80V。

3.2.2 零部件检测

经过检测，零部件基本满足设计要求，不存在特别超差异常现象，经过讨论分析不是拒分发生的直接原因。

3.2.3 解体检查

拆解ABC三相机构分闸保持掣子，发现C相分闸保持掣子磙子有磨损，与其他部位有明显不同，不光滑。设计要求粗糙度为0.8，实际查看A、B相机构无此问题，且在现场分合几十次，机构动作无异常，初步分析为装配时磕碰所致，为个例，不影响机构正常动作。

3.2.4 脱扣力计算分析

根据机构计量尺寸进行脱扣力计算，对合闸状态时分闸系统受力分析，由分闸弹簧力值推算分闸锁闩脱扣力在150 N左右，脱扣力计算结果没有问题。

3.2.5 零件检查

进一步检查机构情况，发现主拐臂销轴轴承安装孔存在磨损，有明显印痕。由于机构运行半年左右，经现场反馈信息，此处转动灵活，一级锁闩脱扣后，二级锁扣直接脱扣没有异常现象，理应不是此处问题，且该设备已经为主拐臂脱扣销轴安装孔进行过升版，要求硬度提高到HRC45-50左右。但实际情况主拐臂销轴轴承安装孔已存在磨损，属于异常状态，异常状态如图8所示。

图8 主拐臂安装孔内壁存在划痕

随后，我们对机构异常动作情况当分闸锁闩右端打开2mm保持在平衡状态下进行受力分析，当二级脱扣系统存在0.3摩擦系数时，机构能保证自平衡。而查阅资料，正常的钢对钢材质摩擦系数在0.1～0.2之间。

4 结语

根据检测计量和脱扣计算分析结果，本次220 kV断路器机构拒动是由于机构主拐臂脱扣销轴安装孔硬度不足，机构多次动作后安装孔处磨损变形，导致分闸脱扣系统主拐臂销轴与轴承间的摩擦系数增大超出正常值，造成机构异常卡滯，出现拒分现象。根据上述分析，为了消除摩擦系数异常增大隐患，拟对现场断路器弹簧机构提出以下整改措施：

1）利用停电检修时间，对变电站内全部断路器产品机构进行详细维护排查，避免因螺栓松动、润滑不良等原因造成机构故障[4]；

2）对分闸电磁铁间隙、分闸锁闩轴系统装配灵活程度进行确认，保证传动灵活[5]，满足设计要求；

3）对变电站现场运行产品轴承进行更换，将不带轴承外圈的轴承更换为带外圈的轴承，增大受力面积，可以有效避免轴承安装孔因硬度不足造成滚针轴承转动不灵活的问题。