6kV断路器非全相运行的分析和应对措施

李文博

摘要：6kV断路器作为发电厂重要的厂用电配电设备，承担着大功率负荷断路器、变压器、母线断路器等多项职能。断路器连杆断裂、分合闸机构故障、触头损坏等因素会导致的6kV断路器的单相、两相运行，严重影响运行人员的判断，或导致设备异常运行，进而导致事故扩大。文章针对两起6kV断路器非全相运行的案例，对事件背后的原因进行分析，并对于运行人员就类似事件的处理提供了应对措施。

关键词：非全相运行  断路器  发电厂  集控运行

中图分类号：TP393    文献标识码：A

Analysis and Countermeasures for the Open-Phase Operation of the 6kV Circuit Breaker

LI Wenbo

（Huaneng Wuhan Power Generation Co.，Ltd.， Wuhan，Hubei Province，430415 China）

Abstract： As important power distribution equipment of station services in power plants， 6kV circuit breakers undertake many functions such as high-power load circuit breakers， transformers， and bus circuit breakers. The breakage of the connecting rod of the circuit breaker， the failure of the switching closing mechanism， the damage of the contact and other factors can lead to the single-phase and two-phase operation of 6kV circuit breakers， which will seriously affect the judgment of operators， or cause the equipment to operate abnormally， and then lead to the expansion of the accident. In view of two cases ;of the open-phase operation of 6kV circuit breakers， this paper analyzes the reasons behind incidents， and provides countermeasures for operators to deal with similar incidents.

Key Words： Open-phase operation; Circuit breaker; Power plant; Centralized operation

6kV斷路器现被广泛应用于发电厂用电系统，通常作为厂用电系统的高电压等级配电装置，负责大功率负荷断路器、变压器、母线的电能传输，开断次数多、负载电流大。一旦6kV断路器出现非全相、单相接地等故障，轻则导致运行人员判断失误，机组被迫限出力，重则导致机组非停，高压设备严重损坏，人身伤亡等事故[1]。发现6kV断路器非全相，需要及时判断事故成因，及时处理。

1 6kV小车断路器结构原理简介

以ABB公司生产的6kV断路器3AH3为例[2]，其外部结构由上极帽、支撑杆、真空灭弧室、下极帽、绝缘拉杆、操动机构、插头/插座、绝缘子、相间绝缘隔板、储能手柄、储能/分合闸状态指示、动作计数器、分合闸按钮构成；其内部结构由齿轮箱、辅助开关、合闸弹簧、合闸线圈、储能电机、分闸弹簧等元件构成。结构图见图1、图2。

该断路器为西门子公司在1999年所开发的新型三相真空断路器。额定电压为7.236kV。可广泛用于配电系统和大工业用户，该型号断路器相比其他型号能更有效地切合大容量负荷电路。其中，机构箱内包含了用于分合断路器的所有机械和电气单元，其上有一块可拆卸的面板，面板上有操作和指示设备的开孔。真空灭弧室是断路器动静触头接合的地方，腔室内以高真空作为灭弧介质，以保证电弧快速熄灭。由于灭弧室的静态压力极低，为1×10-3Pa至1×10-5Pa，所以只需相当小的触头间隙就可达到高的电介质强度，在分闸过程中由电流在分开的触头间隙中产生的真空电弧易被熄灭。触头采用铜铬合金制作，使得灭弧室断口拥有恒定的高绝缘强度及高开断次数。该真空灭弧室在开断电流40kA以下时，电弧呈扩散状；若电流更大时，电弧呈收缩状。此时横向磁场产生的磁力使电弧沿着环形触头旋转，把弧根分散到整个触头表面，使触头烧蚀均匀，在开断更大电流时，则采用纵向磁场结构。而且灭弧室尺寸保持小型化。纵向磁场产生的磁力使电弧始终呈现扩散型，圆盘型触头表面均匀分布电弧，不会出现局部烧损现象。静触头和灭弧室外壳固定在一起，动触头与动触头杆相连，位于导向管中。金属波纹管连同高铝瓷的绝缘外罩和下法兰面，形成密封。断路器内部机构的操作动力是通过储能弹簧来完成的。储能弹簧为平面涡卷弹簧，拧紧平面涡卷弹簧将储存足够的能量以满足断路器操作的需要[1]。合闸前应先通过电机或用手柄手动储能的方式，为机构箱内的合闸弹簧储能。断路器配有储能电动机，能自动进行储能。如果储能电动机无法工作，可以用手动继续进行操作并完成储能。储能完成后，若断路器接受到合闸指令，则合闸线圈励磁，使合闸弹簧释放能量，带动绝缘拉杆完成合闸操作，同时合闸弹簧释放的能量为分闸弹簧储能。分闸时，分励脱扣器励磁，分闸弹簧释放能量，带动绝缘拉杆完成分闸操作。整套分合闸操作可全部远方控制完成。负荷侧得电后，接于负荷侧的三相带电指示灯应闪烁。

断路器在合闸位置时的主回路电流路径是从小车上部接线端子经灭弧室夹架连接到位于真空灭弧室内部的静触头，而后经过动触头及转动触头（或滚动触头）至下部接线端子。小车断路器与断路器柜之间的信号、保护和控制线，通过一个二次插件来连接。小车断路器只有在试验位置时，才能插上和拔下二次插件，如果在工作位置时，控制线插头被锁定，则不能拔出。另外小车断路器在二次插件未接通之前仅能进行手动分闸，因小车合闸闭锁电磁铁未通电，所以无法手动合闸。断路器从小车上推入断路器柜内时，即咬合在试验位置，同时也可靠地连接到断路器柜的接地系统，可以通过摇动摇把将小车断路器移至工作位置。该断路器的使用方式较为简单易学，操作便捷。使用者能够快速上手。

2 异常现象分析

2019年10月29日，某火力发电厂#2机组A修中。#2江边变检修后准备押票送电试运行。该变压器位于江边循环水泵房，为循环水泵房相关辅助电气设备供电。#2机组值班员在拆除#2江边变安措，摇测绝缘合格后，合上位于#2机组6kV2A段母线的#2江边变高压侧断路器。此时，江边循环水泵房就地保护屏上来“6kV单相接地”掉牌，集控室DCS系统上来“6kVⅡ段单相接地”报警。盘上6kV母线相电压显示4.2kV、3.3kV、3.4kV。值班员立即拉开#2江边变高压侧开关，将#2江边变停电待进一步处理。检修人员就地检查#2江边变本体无异常，后重新试送一次，发现报警仍未消除。在#2江边变低压侧用万用表测量电压，测得低压侧电压三相分别为130V、230V、107V，同样呈现一相升高两相降低的现象。运行人员怀疑为#2江边变断路器小车故障，停电布置安措后，于柜后下部观察窗发现#2江边变高压侧开关柜A相小车触头严重受损，触头绝缘罩破裂。小車触头被母线触头压弯变形。合上#2江边变断路器后，变压器相当于不完全缺相运行。经检修人员处理，更换开关触头和绝缘罩后，一次送电正常。事后对事故原因进行分析，直接原因是大修时进行断路器检修时小车触头未对正，不平整。在小车摇入间隔时，A相母线触头压到小车触头上方。操作人员在摇入时发现阻力较大，仍用蛮力操作，导致小车触头挤压变形，绝缘罩被挤破。母线触头与小车触头不完全接触，导致三相电压不平衡，发出“6kV母线单相接地报警”。

2020年1月13日，某火力发电厂#3机组值班员启动Ａ磨煤机不成功，DCS系统上有6.2A电流显示，就地检查断路器无异常，综合保护装置无报警，6kV断路器分闸指示绿灯点亮正常，断路器柜带电显示装置指示灯三相闪烁。经检修人员检查，发现断路器负荷侧三相确已带电，打开断路器前挡板后发现B相绝缘拉杆脱落[3]致断路器B相未分闸。检修人员初步怀疑为A磨煤机上次停运后，B相断路器绝缘连杆由于金属疲劳即已拉断，致使另两相分闸后，B相断路器未分闸，但断路器分、合位继电器均已变位，断路器指示灯已显示分闸，唯一可以判断异常的信号是三相带电指示灯均闪烁。将A磨煤机挂牌，控制电源断开后，经技术人员研究决定，将A磨煤机断路器所在3A段6kV母线停电后拉出断路器小车最为安全可靠。1月14日，向调度申请降低机组负荷，6kV3A段母线负荷停运，值班员将A磨煤机断路器小车拉出，恢复母线正常运行。

3 应对措施

发电机组厂用电系统在机组运行和停备时都维持正常运行。机组大修时，作为检修标项，6kV断路器需要进行多维度的试验与检查。然而连杆脱落等问题偶发性高、先兆难以发觉，极难在大修标项等检查中发现，采用探伤等方式成本较高，且不容易实现。所以对于运行人员的故障的发现和处理需要提出更高的要求，6kV断路器非全相运行的判据如下[4]。

（1）三相仅一相接通，负荷侧应无电流，带电指示灯三相点亮，若负荷为电动机，应不旋转，无运行声音。当断路器三相仅一相接通时，6kV母线三相电压可能不平衡。

（2）三相仅两相接通，若在断路器分闸时出现，则负荷侧有电流，带电指示灯三相点亮，若负荷为电动机，其电流有效值应增大，电动机转速下降，运行声音较大。在此种状态下，电动机工作于过载状态，长时间过载会导致电动机线圈绕组烧毁。6kV母线三相电压可能不平衡。此时，应立即让断路器合闸维持电动机运行，启动另一母线上的备用设备，退出联锁，将故障断路器所在6kV母线短时停电，迅速拉出故障断路器小车恢复原来运行方式。若在断路器合闸时出现，相当于短路状态，可能会导致设备损坏，应立刻将断路器分闸，拉出故障断路器小车进行停电处理。

（3）当6kV断路器一合即跳，或是启动不成功时，应首先对DCS系统、断路器面板、保护装置、母线电压、现场设备等所有信号指示做一个综合性判断。首先，应查阅DCS系统画面，判断设备状态、电流信号（由于DCS系统采样刷新率的原因，可能部分事故中无法采集到启动电流信号，但断路器实际为一合即跳）。若断路器确已分闸，值班员应赴就地检查断路器柜状态，特别是如今断路器柜上多设有综合保护装置，能够通过遥信报告等方式查看断路器动作历史，相比DCS的数据能真实地反映断路器所经历的事件。设备所属值班员应赴就地检查设备情况，确认设备是否损坏，是否有明显的短路、烧伤、或是现场有人违规作业，严禁在未能弄清事故原因的情况下盲目重启设备，以避免断路器因保护跳开后二次合闸到故障点，造成事故扩大。其次，应避免仅凭一两个信号就做出判断的经验主义思想。在非全相事故中，如果仅凭借电流、分合闸指示灯等信号，可能会判断为负荷侧的偶然性接地。倘若此时采用负荷侧摇测绝缘的方式去进一步验证，则可能在断路器停电的过程中，小车操作过程中的震动导致带电触头触碰到断裂的裸露连杆或其他断路器接地部分，反而导致事故的扩大。

（4）来6kV母线单相接地报警信号时，若6kV系统为中性点不接地系统，保护配置多不会动作跳闸。此时应检查6kV三相电压情况，根据三相电压判别接地故障相别和程度[5-6]，并确认是否刚启动或停止了设备，若是则停止所启动设备运行或检查所停设备开关分闸是否正常，确认接地信号是否消失。检查6kV该段母线室内设备是否有明显的接地点。检查6kV该段各开关是否有报警信号，如果有零序接地保护确已动作而开关未跳闸的情况，应汇报值长将该设备停运。同时联系电气保护人员检查各保护装置零序电流情况，若零序电流偏大，优先考虑将该设备停运。检查6kV该段各负荷，包括电动机、变压器、高压变频器有无被水淋湿的情况，有则将该设备停运。如经上述处理未发现异常，应按先停次要负荷后停重要负荷的方法进行接地选择。选择时，任何设备均不得用刀闸直接停电，在工作位置的小车开关均不得拉出。若无法排除，可以将接地段母线倒至备用电源供电，判断是否为厂变分支接地。如果确定分支接地则设法排除，如接地点无法排除，则应申请停机处理。若母线上负荷全部检查完毕，接地点仍未消失，则应判断为6kV母线接地。此时应倒换运行方式，将故障母线尽快停电处理。

4 管理防范措施

（1）加强“两票三制”管理，强化安全基础。确保责任落实到位。加强全员、全过程、全方位安全生产管理，加强风险分级管控和隐患排查治理双重机制建设。合理利用数字化平台，对重要设备的健康状况进行定期监督，突出抓好迎峰度冬、迎峰度夏期间、机组大小修等重点时段和机组启停等重大操作的安全管理[7]。

（2）发挥技术监督作用，定期对使用年限较长的断路器进行专项化检查，做到一台设备一个方案。对于使用寿命临近的设备，要坚决予以更换，严禁使用超龄超期设备。合理制订检修方案和计划，提高主辅机设备可靠性；强化机组计划性检修管控力度，严格执行检修作业指导书，严把检修工艺质量关，履行检修质量负责人制度，争取设备修后达到最优水平[8]。

（3）开展技能培训。强化员工安全理论、安全管理制度和规程学习培训，提高各级人员执行力，保证制度执行的刚性，不搞选择性执行，不曲解制度、搞变通，深入推进安全生产标准化，突出抓好“25项反事故措施”培训，提高员工遵章守制和反“三违”意识。规范开展特种作业人员培训、取证工作，落实特种作业人员准入制度。利用学习班常态化开展专工、技术专家讲课和青年员工讲课活动，充分发挥各级培训师的专业特长，对青年员工进行现场培训和仿真机培训，分专业、分系统、分阶段进行强化，着重强化青年员工的专业技术能力和实际操作技能。

（4）加强应急管理，提高应急处置能力。健全安全生产长效机制，形成一套较为成熟定型的部门安全生产制度，明确日常安全生产管理模式和应急管理模式。强化应急准备，将应急管理工作纳入日常工作计划，防患于未然。推进应急队伍建设，依据年度演练计划，强化应急预案培训和应急演练工作，提高员工应急处置能力。

5 结语

6kV断路器在火力发电厂的厂用配电系统中有着广泛应用。6kV断路器的非全相运行事故现象难以发现，成因难以判断，且容易与其他事故现象进行混淆。如果不及时发现和处理，会导致事故的进一步扩大。文章根据两起6kV斷路器非全相运行的事件，分析了成因，并就电厂生产人员在遇到不同类型的6kV断路器非全相运行事故提供了组织和技术措施，避免事故的进一步扩大。

参考文献