變電站高壓斷路器分合閘裝置故障分析及性能優(yōu)化設(shè)計

阮彥俊，李良創(chuàng)，吳澤宇

（中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司超高壓輸電公司廣州局,廣東廣州，510000）

1 斷路器操作機構(gòu)故障研究現(xiàn)狀及故障分析

早期我國的電力系統(tǒng)中，斷路器成本低，相較于發(fā)電機組等設(shè)備，斷路器故障引起的非計劃性停車故障損失較小，因斷路器故障引起的停電重視程度不夠。進入20世紀以來，世界經(jīng)濟快速發(fā)展，工業(yè)、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域用電負荷快速增長，斷路器故障率越來越高，造成的電力系統(tǒng)損失越來越大，因此斷路器結(jié)構(gòu)及故障等研究得以重視并相關(guān)技術(shù)應(yīng)用日益增多。

高壓斷路器操作機構(gòu)主要包括電磁型、電動型、液壓型、氣動型、彈簧型等機構(gòu)。目前我國220KV及其以下電力系統(tǒng)中的變電站、電力控制設(shè)施中彈簧操作機構(gòu)應(yīng)用較為廣泛。彈簧操作機構(gòu)為斷路器的分合閘提供動力，在壽命周期內(nèi)，高壓斷路器操作次數(shù)有限，伴隨使用年限增加，斷路器動靜觸頭燒蝕現(xiàn)象會逐漸嚴重，彈簧疲勞損耗、操作機構(gòu)潤滑等機械性故障會普遍增多，實際電力系統(tǒng)運行中，卡澀、誤動、拒動、斷裂、線圈燒毀、合閘失效等故障。另外，目前很多廠家斷路器的分合閘線圈繞組一般較細，耐熱能力差，在長時通流幾十秒后，就會過熱燒損。分合閘線圈一旦過熱燒損，整個機構(gòu)的分閘功能就會異常甚至失效，造成斷路器拒動。嚴重影響了斷路器分合閘可靠性[2]。

2 斷路器分合閘裝置作用機理

高壓斷路器分合閘線圈主要由外殼、線圈、鐵芯構(gòu)成，分合閘線圈通過電流信號產(chǎn)生電磁力實現(xiàn)分合閘功能，同時高壓斷路器利用儲能機構(gòu)為合閘彈簧提供動能。根據(jù)電磁理論，斷路器操作機構(gòu)工作及分合閘機理在于，線圈通電后，鐵芯在磁通作用下，受到電磁力吸引運動，撞擊頂桿。斷路器儲能電機電流與輸出力矩相互關(guān)聯(lián)和對應(yīng)，合閘彈簧發(fā)生疲勞、斷裂等故障時，彈力變化引起負載減小，引起儲能電機輸入電流和輸出力矩減小。如圖1所示。

圖1 典型高壓斷路器分合閘線圈電流曲線特性

如圖2所示的分合閘線圈以及操動裝置，當(dāng)遠方或就地給出分合閘命令時，控制回路接通，分合閘線圈通電，被線圈包裹的頂桿在電磁力的作用下開始作加速運動，直到撞擊到銜鐵，頂動分合閘棘爪，實現(xiàn)分合閘操作。對于分合閘線圈的頂桿間隙和電磁鐵間隙，標準要求為頂桿間隙在0.8mm-1.2mm之間，電磁鐵間隙在2.8mm-3.2mm之間[3]。

圖2 斷路器分合閘機構(gòu)間隙

圖2所示頂桿間隙，表示頂桿在撞擊棘爪“扳機”之前所能夠加速運動的距離，在一定的距離范圍內(nèi)，可加速運動的距離越大，則撞擊時刻的瞬時速度就越大，瞬時的撞擊力就越大，越能夠有效頂開分閘棘爪，可靠分閘。頂桿間隙可由頂桿底部的大螺栓來調(diào)節(jié)。

圖2所示電磁鐵間隙，表示整個頂桿能夠運動的總行程，減去頂桿間隙就能夠得到?jīng)_程，沖程意味著頂桿在與棘爪“扳機”接觸撞擊后，依然能夠?qū)⑵渫巴七M的距離，若距離不夠，也不能使分閘棘爪有效脫開，不能使分閘可靠動作?？偨Y(jié)來說，上面的頂桿間隙調(diào)整用于控制動作力度，下面的電磁鐵間隙調(diào)整用于控制沖程和推動距離，兩者一起決定了是否能夠帶動機構(gòu)進行正常的分合閘。

3 斷路器線圈燒損原因分析及優(yōu)化設(shè)計

3.1 斷路器線圈燒損原因分析

針對廣州局某變電站發(fā)生的一起斷路器機構(gòu)內(nèi)分閘線圈燒毀事故進行分析，分閘線圈燒損融化，頂桿隨之卡死，機構(gòu)箱整個燒損冒煙，造成整個機構(gòu)的分閘功能失效。合閘線圈燒壞，是因為線圈長時間通流過熱引起的，這種分合閘線圈繞組很細，耐熱能力不佳，一般在持續(xù)通電幾十秒之后，就會造成燒毀。如圖3所示。

圖3 斷路器線圈燒毀

可能造成線圈通流時間過長的原因分析如下：（1）線圈通電后，由于頂桿卡澀不能動，不能正常切換開關(guān)的分合閘狀態(tài)，造成分閘回路持續(xù)通電，分閘線圈過熱燒損。（2）線圈通電后，頂桿能夠正常動作，但是由于頂桿間隙和電磁鐵間隙不合適，造成頂桿動力不足或是行程不夠，無法頂動分閘棘爪，從而造成分閘回路持續(xù)通電，分閘線圈過熱燒損。（3）線圈通電后，頂桿能夠正常動作，也能夠頂動分閘棘爪，開關(guān)正常動作，能夠?qū)崿F(xiàn)分合閘狀態(tài)的切換，但是由于輔助觸點接觸不好，無法對分閘回路進行切斷，造成分閘回路持續(xù)通電，分閘線圈過熱燒損[4]。（4）匝間絕緣有問題，異常發(fā)熱造成分閘線圈的燒損。

3.2 優(yōu)化設(shè)計方案

針對此次線圈燒毀原因分析，解決方案1為：為了保證分閘功能的可靠性，彈簧機構(gòu)中設(shè)置兩個分閘線圈，即分1線圈和分2線圈，這兩個線圈的正常與否直接影響著分閘功能是否正常，是否會誤分和拒分。所以在日常檢修維護作業(yè)當(dāng)中，這兩個線圈的電阻值需要重點關(guān)注。

先進行線圈更換，然后進行頂桿間隙和電磁鐵間隙的調(diào)整，檢測輔助觸點的有效性，最后進行多次實驗，確定能夠有效進行分合，無異常發(fā)熱情況即可。

但是此種彈簧機構(gòu)的分閘線圈設(shè)計上存在一定缺陷。之前的機構(gòu)設(shè)計上雖然考慮到分閘動作的可靠性和重要性設(shè)計了兩個分閘線圈，但是卻又將分一線圈和分二線圈緊緊貼合置放在一起。這樣雖然在動作可靠性上可能有提升，但是在應(yīng)對過熱缺陷，反而存在劣勢。只要分1線圈和分2線圈中的任意一個存在過熱燒損，直接就會造成另一邊緊挨著的另一部分分閘線圈關(guān)聯(lián)燒損，使動銜鐵變形夾死，不能再進行下次的操作。其中任意一個線圈的缺陷都有可能蔓延到另一個線圈，存在明顯隱患。

面對當(dāng)前機構(gòu)中存在的問題，提出了解決方案如圖4所示。圖4中不僅使用了雙分閘線圈，還使用了雙分閘控制機構(gòu)，改進后的設(shè)計擁有兩套線圈，兩個頂桿，兩套觸發(fā)機構(gòu)實現(xiàn)了真正意義上的復(fù)用和備用，保證了分閘功能的可靠性和分閘機構(gòu)的復(fù)用性。但是由于目前各變電站使用該機構(gòu)的開關(guān)數(shù)量過多，若逐一采用圖4中的機構(gòu)更換，不僅工程量大，工作任務(wù)重，停電周期也難以協(xié)調(diào)安排，費時費力且經(jīng)濟成本較高。

圖4 設(shè)置雙合閘線圈改進后設(shè)計

因此，提出了解決方案2：設(shè)計了一套裝置來以最小的改動實現(xiàn)分合閘線圈的防長時間通流功能，禁止分合閘線圈長時間通電，從而控制其熱量的產(chǎn)生，徹底杜絕此類分合閘線圈過熱燒毀的惡性事件的發(fā)生。方案2中，在機構(gòu)箱內(nèi)加裝一個延時繼電器來防止分合閘線圈的長時間通流。加裝的延時繼電器是不能串聯(lián)進回路當(dāng)中的，若將延時繼電器的線圈串聯(lián)進回路當(dāng)中，會進行分壓，分合閘線圈得到的電流小，可能會影響分合閘動作的可靠性，對分合閘動作特性產(chǎn)生一定程度的影響。所以需加裝一個并聯(lián)的電壓監(jiān)視繼電器，來進行分閘回路的通電監(jiān)視，而在分閘回路的串聯(lián)回路中僅加入一對常閉節(jié)點來控制執(zhí)行分合閘回路在長時間通流時的切斷工作。當(dāng)分合閘線圈長時間通流時，電壓監(jiān)視繼電器動作，控制回路中串入的常閉接點斷開，切斷電流，有效防止分合閘線圈的長時間通流導(dǎo)致的過熱燒損[5]。方案2主要優(yōu)點在于：（1）在機構(gòu)箱內(nèi)加裝延時繼電器的策略，能從根源上制止發(fā)熱。相對于考慮發(fā)熱燒損后，如何降低損失所進行的機構(gòu)更換，這種從一開始就保證不會過熱是從源頭上解決了本質(zhì)問題。（2）操作更加簡單便捷。僅加入一個延時繼電器和一對常閉節(jié)點即可有效預(yù)防事故發(fā)生，操作簡便，并不需要換整個機構(gòu)那么大的工程量，并且機構(gòu)箱中有足夠的空間來加裝此延時繼電器。另外，比起將目前使用的持續(xù)性分閘信號修改成脈沖式，加裝延時繼電器從操作上也更加簡單便捷。（3）保證安全。當(dāng)分合閘線圈長時間通流，電壓監(jiān)視繼電器動作，控制回路中的常閉接點斷開時，可以直接通過控制回路斷線來發(fā)信號，并不需要另外加裝通信電纜。分合閘線圈長時間通流這一異常狀態(tài)將一直由控制回路斷線信號納入可管控狀態(tài)，進一步保證了安全性。（4）更加經(jīng)濟：相對于方案1，加裝延時繼電器的策略并不需要更多人員在現(xiàn)場配合。并且工程量小，用料省，工期短，停電時間也更易配合，大大提升了經(jīng)濟型和可執(zhí)行性。（5）易推廣，可執(zhí)行性好。方案2簡單便捷，經(jīng)濟型高，安全性好等優(yōu)勢也決定了此方案的可執(zhí)行性高且可推廣性強，用很小的代價大大提升各變電站站點斷路器運行的安全可靠性，性價比高。