10 kV断路器控制回路隐性故障分析

钟著辉，鲁奕钢，陈 坤

（国网湖南常德供电分公司，湖南 常德 415000）

0 引言

10 kV断路器一般采用弹簧储能操作机构，该操作机构具有动作速度快、合闸电流小、交直流通用及可靠性高等特点，得到了广泛应用。弹簧储能操作机构的控制回路包括储能回路、跳合闸控制回路及信号回路等，在实际运行中其控制回路会发生一些故障，如储能失效、控制回路断线、电机损坏、跳闸和合闸线圈烧毁等，这类故障原因明确，查找相对容易。但空气开关（简称空开）频繁跳闸、红绿灯同时点亮等故障较少见，故障原因隐蔽，现场不易排查，相关的针对性研究较少［1］。本文通过具体案例，分析了此类故障的原因，提出了相应的解决措施，以防此类故障的发生。

1 合闸时操作电源空开频繁跳闸故障

某10 kV线路断路器在运行中合闸或重合闸后，多次发生操作电源空开自动跳闸故障。每次跳闸后，空开可手动合闸，检查设备无异常，现场测量控制回路绝缘正常，多次检查未查明故障原因。

该断路器控制回路和储能回路原理示意图如图1所示。图中SP为储能行程开关，QF为断路器辅助开关，HQ为断路器合闸线圈。当断路器未储能时，SP常开接点断开，闭锁合闸回路。空开跳闸的原因有回路过载、回路短路等［2］。测量合闸线圈电阻为110 Ω，且未见有正负极短路现象，空开额定电流为5 A，推测空开存在问题。更换空开后，进行跳合闸试验，仍偶有跳闸现象，说明故障原因与空开无关。

图1 断路器控制回路和储能回路原理示意图

观察故障现象，每次空开跳闸是在断路器合闸后的瞬间发生。由于合闸是储能弹簧能量的释放过程，释放能量后通过SP行程开关立即启动储能电机回路进行储能。因此，推测在此过程中操作电源与储能电源之间发生串电，引起短路。拉开储能电源进行合闸，合闸成功后再合上储能空开，重复多次试验未再出现操作电源空开跳闸现象，说明在合闸的瞬间确有大电流串入到操作电源回路。

检查二次元件接线，发现储能启动和合闸闭锁接点接在行程开关的同一组常开、常闭接点上，储能行程开关接线图如图2所示。该行程开关有两组常开、常闭接点，第一组的常闭接点①②接到合闸正电源7，常开接点③④接到储能电机控制回路的负电源端。另一组常闭接点⑤⑥、常开接点⑦⑧分别接至信号回路和储能电机控制回路的正电源端。从图2可看出每组常开、常闭接点并非完全独立，常开、常闭接点的转换经同一动触片切换。

图2 储能行程开关接线图

当操作机构通断直流电机回路时会产生电弧；当动触片由常闭（开）切换至常开（闭）时，其常闭（开）回路的电弧未熄灭，而常开（闭）接点已接通。如图2虚线所示，合闸瞬间当接点一端由②切换至④，但另一端仍处在①或电弧未熄灭时，会将合闸正电源7加至储能电源负极（872），从而发生短路，由于操作电源空开容量小于储能电源空开容量，因此导致操作电源空开跳闸。

2 合闸后红绿灯同时亮

带有机构防跳的断路器控制回路如图3所示，正常运行时，合闸后由于QF常闭接点断开，TWJ不能接通，回路7处应带有正电位。某10 kV电容器断路器运行中出现合闸后红绿灯同时亮现象，红绿灯同时亮表明合闸后，合闸位置继电器HWJ和跳闸位置继电器TWJ同时励磁［3］。出现该现象的常见原因是当采用机构防跳时，回路接线不完善［4］。图3中，ZJ为机构防跳继电器，当断路器在合位时，由于TWJ负端直接接于7，TWJ通过SP常开接点→QF常开接点→ZJ线圈构成回路，TWJ和ZJ线圈电阻均为千欧级，二者分压后使TWJ在合位仍被励磁，从而导致合闸后红绿灯同时亮。针对这种情况，通常在TWJ负端串入一对断路器QF常闭接点，之后再接入到7。该断路器采用的是操作箱防跳，其机构防跳继电器ZJ已取消，该原因可排除。

图3 带有机构防跳的断路器控制回路

测量7发现其合闸后仍带有-50 V电压，在合闸后到储能完成前的3～5 s时间内，7处带有+110 V电压，绿灯并不点亮，在储能结束的瞬间绿灯立即点亮。故推测储能回路有问题，拉开储能电源后绿灯熄灭。在储能状态下，测量接点②④绝缘只有5 kΩ，这说明行程开关接点存在漏电，TWJ通过SP的①②④与储能电源负极872构成了回路，如图4所示，更换为新行程开关后故障消失。

行程开关虽有两组常开、常闭接点，但受其结构限制，切换行程短，当机构通断直流电机回路时产生电弧。行程开关长时间运行，当材料老化、绝缘下降、通断时间延长、触点烧损、动触片切换常开和常闭接点时，可能发生其常闭接点回路电弧未熄灭，而常开接点回路已接通，甚至发生接点粘连。

图4 行程开关接点漏电示意图

当弹簧储能操作机构的行程开关用于直流回路时，其通断容量远小于交流回路，目前无专用于直流回路的行程开关。110 kV及以上弹簧储能操作机构的行程开关不直接接入电机回路，均经中间继电器启动储能和闭锁合闸，故障较少；35 kV及以下断路器受设备体积制约，中间继电器需外配，大多采用行程开关直接控制。行程开关的熄弧能力有限，长期使用易发生触点烧蚀、粘连，这是目前这类弹簧储能操作机构发生行程开关、电机损坏故障的主要原因。

3 解决措施

上述两个案例的共性原因是把储能行程开关的同一组常开和常闭接点同时接入电路形成回路，从而引起故障。解决办法是增加行程开关数量，尽量避免行程开关的同一组常开和常闭接点同时使用，现场接点不够时可采用继电器重动方式。如果无法避免同一组常开和常闭接点同时使用，也要按同电位原则，禁止同一组常开和常闭接点分别接入正、负电源。还可采用大容量触点、加装电弧能量吸收元件等措施，提高接点的熄弧能力。下面给出两种具体解决方案。

第一种方案增加储能中间继电器，如图5所示。与图1相比，行程开关接点不直接启动储能，机构未储能时⑤⑥常闭接点启动储能中间继电器ZJ，ZJ的一组常开接点接到电机回路启动储能，有关信号和指示回路均改接到ZJ接点。因未储能，闭锁合闸回路，正常运行时其接点并不切断电流，不会引起接点起弧烧蚀问题，所以仍用SP的另一组常开接点③④进行控制，相比用ZJ接点控制，其优点是在机构未储能、无储能电源或ZJ损坏的情况下，不会接通合闸回路。

图5 增加储能中间继电器

第二种方案调整行程开关接线，如图6所示。与图2相比，将SP的合闸闭锁接点①②改接到负电源端，这样接点①②、③④在切换过程中均为同电位，避免了短路发生。同时在储能控制接点③④、⑦⑧间加装阻容吸收元件，减小通断电弧，延长接点使用寿命。

图6 调整行程开关接线

图5所示方案能解决行程开关易损坏和不同回路间串电的问题，但对回路改动较大；加装中间继电器，改造成本增加，且受设备空间限制。图6所示方案对回路改动较小，投入成本小，基本解决了储能与操作回路可能串电的问题，并且加装的熄弧元件延长了行程开关寿命，可优先选择。

4 结语

10 kV断路器往往采用行程开关直接进行储能、合闸闭锁及信号回路的切换和控制，由于其灭弧能力有限，如果行程开关的同组常开和常闭接点同时接入到电路中，易引发断路器操作回路、信号回路及储能回路之间相互串电，切换过程中发生电弧短路、接点粘连，缩短行程开关使用寿命，这些故障查找困难。因此，在设计和制造中可通过采取增加行程开关数量、加装中间继电器等措施，防止出现此类故障。