变电站10kV电容开关机构常见缺陷分析与处理

2021-03-12方泽彬李新海曾令诚范德和闫超齐明朱文吉

电气开关 2021年4期

方泽彬,李新海,曾令诚,范德和,闫超,齐明,朱文吉

(广东电网有限责任公司中山供电局，广东中山 528400)

1 引言

近年来，随着电网规模扩大，用户对电能质量要求不断增高，系统无功补偿动态需求高，对作为无功补偿设备的电容器组可靠运行要求越来越高。在实际运行中，由于电容投切频繁，10kV电容开关受电网AVC自动控制系统控制，单台电容开关每天投切次数可达6次以上[1]，电容开关动作次数多，开关机构缺陷逐渐增多。

因此，本文着重分析10kV电容开关机构常见缺陷类型，探讨其对应的处理方法及措施，旨在降低10kV电容开关机构缺陷率，实现对10kV电容开关运行可靠性的提升。

2 10kV电容开关常见缺陷及危害分析

在日常运行过程中，10kV电容开关机构发生的重大、紧急缺陷主要有控制回路断线、储能故障、机构合后即分、无法可靠分闸等。据统计，2017年～2019年中山供电局变电二所管辖54座变电站10kV电容开关共发生缺陷186项，其中上述重大、紧急缺陷共137项，占比为73.7%，其分布情况见表1。

如不及时采取有效措施，表1中重大、紧急缺陷将严重影响10kV电容开关可靠运行，造成无功补偿可用率下降，母线电压质量下降，影响10kV系统供电质量，严重者将导致10kV电容开关拒动、保护越级跳闸、10kV母线失压、供电区域大面积停电事故发生。

表1 中山供电局变电二所10kV电容开关缺陷情况统计

3 10kV开关机构原理

因真空断路器具有耐高压、分断性能强、电弧不外露、体积小、检修维护方便，安全可靠、寿命长等优点，目前国内10kV电力系统主要采用VS1、ZN28、ZN11、ZN7等型号真空断路器，上述真空断路器机构结构及动作原理类同，其中VS1型真空断路器应用范围最广，故本文以VS1型真空断路器机构为例进行常见缺陷分析，并提出相应的检修运维措施。10kV VS1型真空断路器机构见图1。

图1 10kV VS1型真空断路器机构

3.1 机构储能

10kV开关机构储能方式分为电动储能及手动储能两种，均是通过拉伸合闸弹簧进行储能。机构电动储能是通过储能回路给储能电机通电，电机转动带动弹簧储能，储能到位后，储能到位行程开关动作，切断储能电机电源，储能标记指向已储能位置，机构完成储能过程。手动储能时，使用手动储能手柄插入储能孔中，通过手动顺时针旋转来持续给合闸弹簧能量，直至储能完成，储能标记指向已储能位置，实现弹簧储能。

10kV开关配备的弹簧储能机构工作机理为开关合闸后自动电动储能，即开关完成一次合闸后，机构自动进行电动储能，完成储能过程，并为下一次分合闸提供能量准备。

3.2 合闸过程

10kV开关机构正常电动合闸操作是通过合闸控制回路实现。如图2所示，在合闸控制回路中，S1为储能行程节点，S2为合闸闭锁节点，S3为开关位置节点，Y3为合闸线圈。正常运行时，当开关在分闸位置，常闭辅助接点S3处于闭合状态；当开关在合闸位置，常闭辅助接点S3处于断开状态。开关远方发合闸操作指令或就地进行合闸操作时，合闸控制回路导通，合闸线圈Y3带电动作。如图1所示，合闸线圈Y3带电动作后其衔铁撞击合闸拨片，使半轴与储能保持掣子脱离咬合，储能保持掣子转动，合闸弹簧释放能量，带动主轴转动使灭弧室动触头进入合闸位置，并与半轴扣接，使机构保持在合闸状态，同时拉伸分闸弹簧为分闸储能。10kV开关位置由分闸转为合闸后其常闭辅助接点S3断开，从而断开合闸控制回路，完成合闸。

图2 10kV开关控制回路图

3.3 分闸过程

如图1所示，10kV开关合闸完成后其分闸回路常开辅助接点S4闭合，当10kV开关收到远方或就地分闸操作命令时，分闸控制回路导通，分闸线圈Y2带电动作，其衔铁撞击分闸装置动作使合闸保持掣子与半轴脱扣，分闸弹簧释放能量，带动主轴转动使灭弧室动静触头分离，从而实现开关分闸。分闸过程后段，由分闸缓冲器吸收分闸过程剩余能量并限定分闸位置。

分闸过程完成后，辅助开关的常开辅助接点S4断开，常闭辅助接点S3重新闭合。

4 10kV开关机构常见缺陷原因分析及处理

4.1 机械故障原因分析及处理

10kV开关常见机械故障包括复位弹簧复归不到位导致合后即分故障及半轴卡滞导致拒分故障，具体原因分析及处理措施如下：

(1)复位弹簧复归不到位导致合后即分故障原因分析

由10kV开关合闸原理可知，开关机构合闸成功的必要条件包括储能正常、合闸闭锁电磁铁正常需带电动作、合闸线圈能正常动作于合闸拨片，使半轴与储能保持掣子脱离咬合，使得合闸弹簧释放能量带动主轴转动完成合闸。合闸过程完成后通过复位弹簧回弹力驱动合闸拨片复位，因复位弹簧在长期频繁动作后出现疲劳、变形损坏等，将导致合闸拨片复位不及时或不到位，储能保持掣子无法到位与储能到位滚轮进行有效咬合，机构脱扣导致合后即分，严重时机构将不停储能后又脱扣，造成电机过热损毁、机构齿轮盒损坏以及不停震动导致其他零部件松动等。

(2)半轴卡滞导致拒分故障原因分析

10kV开关分闸动作前，合闸保持掣子与半轴相互咬合扣接，当分闸线圈或手动分闸装置动作，半轴正常转动，带动半轴与合闸保持掣子脱扣，实现机构分闸。当半轴两侧轴套有磨损或卡涩，将增大转动阻力导致半轴转动卡滞，无法分闸。

(3)机械故障处理措施

处理上述故障时，先观察现象，进行机构泄能，在确保安全情况下，逐步检查机构各个部位，结合缺陷情况进行深入分析，找出可能存在的原因进行处理。

在日常检修时重点检查机械转动部位润滑度是否足够，可适当加涂雪油、黄油膏等润滑剂以确保机构可靠运行，检查各个系统模块运转是否正常，存在安全隐患的半轴、复位弹簧、轴套等机械部件需及时进行更换处理，消除隐患。

4.2 控制回路断线缺陷原因分析及处理

造成10kV开关控制回路断线的原因包括分合闸线圈烧毁、合闸闭锁电磁铁缺陷、二次接线接触不良等，具体如下：

(1)分合闸线圈烧毁缺陷原因分析及处理

10kV开关的分合闸是利用给分合闸线圈带电后产生的电磁作用，把电能转化为机械能，使线圈的衔铁撞击分合闸操动机构，释放弹簧储存的能量达到开关分合闸的目的。而在10kV开关机构缺陷中，分合闸线圈烧毁的缺陷率占比大，也是导致控制回路断线的主要因素之一。

正常情况下，10kV开关使用的分合闸线圈额定电流为1～2A，可承受电流不大于3A[2]，当线圈回路故障如继电器卡涩等导致分合闸回路无法短时间内及时断开，分合闸线圈则一直通电，由于分合闸线圈的线径比较小，长时间通电将导致线圈过热融胶，直至烧毁。线圈烧毁一般表现为开关在分(合)闸状态下无法电动合(分)闸，此时后台发控制回路断线信号。

出现此类缺陷时可先检查辅助开关连杆是否正常，并用万用表进行逐步排查，检查分合闸线圈有无烧融烧焦卡死、电阻值偏差多大(线圈电阻初值差不超过±5%)，处理时需恢复辅助开关连杆并将有问题的线圈进行更换。

(2)闭锁电磁铁缺陷原因分析及处理

10kV开关机构闭锁电磁铁包括合闸闭锁电磁铁及底盘闭锁电磁铁。闭锁电磁铁的作用是防止操作人员误碰合闸回路造成事故或小车不到位合闸造成事故。在合闸回路中串接了闭锁的常开辅助接点，只有合闸闭锁电磁铁带电，合闸回路才导通。当开关操作电源空开未断开或合闸闭锁电磁铁衔铁运行时间长卡涩导致回路未断开，合闸闭锁电磁铁长时间带电发热将导致其线圈受损或融胶，将直接影响合闸回路的正常通断。底盘闭锁电磁铁线圈烧坏将导致开关小车不能正常摇至工作位置，后台发控制回路断线故障信号。

出现闭锁电磁铁故障的处理措施是更换新的闭锁电磁铁并检查试验合格。

(3)机构二次接线接触不良缺陷原因分析及处理

10kV开关二次回路缺陷主要包括机构二次接线端子排接触不良，二次接线的紧固螺丝松动，分合闸线圈接线存在松动导致接触不良等，导致后台发控制回路断线信号。

开关机构尤其是电容开关机构动作频繁，长期工况带来的频繁震动易引起二次接线端子排固定座松动、接线排插扣接不牢，这些均是导致二次接线排松脱的常见缺陷。在日常检修时需对二次接线接点做紧固检查，确保其可靠接触，有损坏则需及时更换配件。分合闸线圈二次接头与控制回路接线压接头也容易因震动而松脱，尤其是分闸线圈为垂直摆置，如夹紧力不够(见图3)且没有采取防松脱措施，长期运行后，易导致分闸线圈接线松动、脱落。

图3 10kV开关二次接线松脱掉落

为了解决此隐患，可采取焊锡固定技术对接线处进行加焊紧固，确保接线紧固无脱落。

图4 加固锡焊垂直摆置的10kV开关分闸线圈

(4)辅助开关故障原因分析及处理

辅助开关是承载开关机构常开和常闭辅助接点的关键设备，用于反映开关主触头的分合状态，其常闭常开辅助接点对二次控制回路的分闸、合闸、信号回路等起通断作用，达到断开或闭合开关回路的目的，并能正确发出位置信号、启动装置等。

实际使用中，中间推杆移位、接线端子松动，触头接触不良、底座及封盖断裂等是辅助开关的常见缺陷，均可导致辅助开关失效，控制回路接点失灵，发控制回路断线异常信号，严重者可能引发开关拒合、拒分事件及越级跳闸事故。本缺陷处理措施为更换辅助开关并检查试验合格。

4.3 储能缺陷原因分析及处理

10kV开关机构电动储能缺陷主要有储能不到位、机械故障导致无法储能及储能电机空转。

(1)储能不到位缺陷原因分析及处理

10kV开关储能回路中储能到位行程开关(见图1)是一种限位开关，其常闭接点串接于电机控制回路，用于切除电机电源(见图2)。其位置调整不当将影响电机储能，该行程开关通过固定螺丝固定且固定螺孔存在较大虚位，长期运行时固定螺丝可能松动而引起行程开关发生移位导致过早切除电机电源，从而导致储能不到位。

因此，需检查确认储能行程开关接点切换是否正常，如储能正常则可通过上下方向调整行程开关位置至合适位置，恢复机构正常储能功能。

(2)机械故障导致无法储能缺陷原因分析及处理

10kV开关储能系统机械部分构成主要包括有储能电机、齿轮盒、传动链条、合闸弹簧等。而常见缺陷主要是储能电机损坏、齿轮盒故障等将直接导致储能失败，造成开关无法正常分合闸。

在处理此类缺陷时，机构卸能确保可安全作业，然后由外往里逐个拆卸，一一检查各模块功能是否正常，存在损坏的则更换新的备品备件，因卡滞而转动不畅的则可加涂润滑剂进行维护，在机械转动部位可加涂润滑剂以确保转动部位顺畅。

(3)储能电机空转致烧毁缺陷原因分析及处理

若10kV开关控制储能电机转动的行程开关损坏或调节不到位，行程开关将不能起到相应的限位作用，致使在电机储能到位后，控制回路无法切断，电机一直空转，电机绕组将一直通电发热直至烧毁，伴随异味、冒烟等现象发生，储能到位指示灯不亮。

针对此类缺陷，须适当调整行程开关位置使其能够准确切换，如行程开关已损坏，应及时更换。并进行5次以上储能测试，经测试正常方能投入运行。

4.4 机构无法可靠分闸缺陷原因分析及处理

10kV开关机构分闸故障，首先对分闸控制回路进行检查，通过检查回路的相关接点逐个排查故障点，分闸回路常见故障主要是接点接触不良、线圈损坏、分闸缓冲器故障等。

分闸缓冲器常见故障是漏油。10kV开关机构分闸时产生很大的动能，在分闸结束时如果不把这部分剩余能量充分吸收掉，将导致开关触头反弹，造成分闸失败，同时过大的冲击力会使机构磨损加剧。设置分闸缓冲器所起作用就是在分闸结束时可以吸收掉分闸弹簧的剩余能量，防止触头反弹，确保分闸成功。同时保护机构避免受到太大的冲击，减少分闸弹振幅度。

目前，开关机构所使用的分闸缓冲器为油缓冲器(见图5)，其结构包括圆柱形壳体，螺杆，活塞圆盘，内部有止动塞，弹簧及液压油，止动塞上部为螺杆，下部为圆柱体。止动塞通过连接杆与动力件相连，活塞圆盘连有弹簧，弹簧压缩在下部，周围注满液压油。当连杆受挤压向下运动时，活塞往下运动，内部液压油压力增大，活塞圆盘受挤压瞬间陡增。

图5 10kV开关机构分闸缓冲器

工况情况下，缓冲器活塞圆盘长期受开关机构频繁动作影响，常出现螺杆卡滞或圆盘松动漏油的情况，当螺杆卡滞时，分闸缓冲器螺杆无法复位，开关分闸时，分闸缓冲器将顶住开关拐臂使其分闸不到位，分闸失败，出现开关拒分，严重时将导致10kV母线越级跳闸。当活塞圆盘松动漏油，严重时将导致分闸缓冲器失去缓冲作用，分闸产生的巨大动能得不到有效化解，影响机构的机械寿命和可靠性。

日常停电检修可通过以下措施检查分闸缓冲器。当机构处于分闸时，检查传动轴是否紧压缓冲器，分闸缓冲器是否处于压缩状态，有无渗漏油现象。当机构处于合闸时，检查缓冲器是否回弹返回。对机构分、合闸时间及速度进行机械特性测试，检测值是否符合规定值。

检修时要加强对缓冲器进行检查，检查其固定顶盖有无松动或漏油痕迹，如果已损坏，则应及时进行更换。

4.5 机构合闸缺陷原因分析及处理

10kV开关合闸状态下，当合闸保持掣子与半轴扣接量不足，扣接量应在1.5～2.5mm范围内，当扣接量小于临界值1.5mm，长期运行中，易出现合后即分无法自保持现象。

合闸动能通过拉伸合闸弹簧提供，当合闸时如果半轴仅刚刚能将合闸保持掣子锁住在合闸位置，那么在机构经过多次合闸、分闸操作后，相关部件发生磨损，开关合闸后合闸保持掣子与半轴出现咬合扣接量变少，当扣接量小于临界值1.5mm时，半轴不能将合闸保持掣子锁住在合闸位置，即出现机构自动脱扣分闸而无法保持合闸的缺陷。

因此，检修或验收开关机构时，要着重检查合闸保持掣子与半轴扣接深度是否足够，如接近临界点，则可通过调节半轴转动角度来提高两者的扣接量，以确保合闸可靠保持。

10kV开关合闸的同时为分闸提供动能。当分闸线圈通电撞击或手动按压分闸装置时，合闸保持掣子与半轴脱扣，开关分闸。同时分闸装置在其复位弹簧的作用恢复到原先位置，等待下一次合闸。如出现复位弹簧弹力不足导致分闸装置恢复不到位，机构将持续处于分闸动作有效状态，机构出现合后即分现象。

在日常检修时，可对机构所有的转动部位进行细致检查，看看有无变形、卡涩，加涂适量润滑油减轻摩擦，确保开关可靠分合闸。