一起110 kV斷路器合后即分故障及分析

孫董軍，鄭易谷，陳曦，錢國超，何順

（1.云南電力技術有限責任公司，昆明 650217；2.云南電網有限責任公司電力科學研究院，昆明 650217）

0 前言

高壓斷路器能夠關合、承載、開斷運行回路正常電流，并能在規定時內關合、承載、開斷規定的短路電流。它在電力系統中擔負著控制和保護雙重任務，其質量好壞、性能是決定電力系統安全的重要因素[1-2]，高壓斷路器的故障將影響電力系統的安全和穩定[3]。操作機構作為斷路器中的重要組成部分，它既是實現斷路器閉合與斷開動作的直線機構，也是力的傳遞機構。在高壓斷路器故障中，操作機構故障占總故障發生比例約為50%[4-5]，因此，操作機構成為高壓斷路器能否可靠運行的關鍵之一[6]。

本文針對一起110 kV斷路器合后即分故障，通過現場檢查、故障后試驗和操作機構檢修，同時結合斷路器配用操作機構原理、復位彈簧和掣子的設計、材質、尺寸等，找出了發生故障的主要原因和次要原因，并提出相應的整改及預防措施。

1 故障過程簡介

某220kV變電站110kV線路側173斷路器在進行B修過程中，發現該斷路器發生了合后即分現象，手動合閘20次左右即出現7次合后即分現象。

2 現場檢查情況

2.1 操作檢查

故分析時，拆掉分閘線圈后，手動進行5次合閘操作仍發生1起合后即分現象。

因此，可排除斷路器控制回路有異常信號而導致的故障可能性，懷疑發生故障的原因在斷路器配用機械部分。

2.2 特性試驗

在未對斷路器任何調整處理前，對171斷路器進行斷路器分合閘動作特性測量。

2.3 機構檢查

采用高速相機對171斷路器合閘過程拍攝發現，斷路器B相主拐臂與相間水平連桿未發生碰撞情況，高速相機截圖如圖1。

圖1 171斷路器合閘過程

3 檢修試驗

由于考慮到合后即分故障出現有一定概率性，參考之前同類故障處理方法，現場對171斷路器分閘掣子及復位彈簧進行了更換。

新舊分閘掣子對比：

1）舊掣子有一定磨損，特別是合閘保持掣子脫扣滾輪接觸部位；

2）舊掣子表面鍍鋅層因運行年限較長有氧化褪色現象。

新舊復位彈簧對比：新復位彈簧較舊彈簧總體長度縮短4 mm，彈簧有效圈數減少約1.5圈，彈簧直徑增大，彈力系數明顯增大。

更換分閘掣子和復位彈簧后，進行了15次就地合閘和5次遠方合閘操作，未發現合后即分現象。

4 原因分析

4.1 CT30機構動作原理

在合閘彈簧已儲能狀態下如圖2所示，合閘線圈通電吸合撞擊合閘掣子解鎖，合閘彈簧釋放，凸輪順時針旋轉推動內（外）拐臂繞拐臂軸逆時針快速旋轉，帶動機構輸出拉桿進行合閘動作，同時外拐臂壓縮分閘彈簧儲能，分閘掣子和合閘保持掣子在各自復位彈簧的作用下復位，合閘保持掣子及分閘掣子共同作用鎖住內（外）拐臂，此時位置（即合閘位置）如圖3所示，合閘過程結束。

4.2 合后即分原因排查

斷路器彈簧操作機構發生合后即分故障主要有三個原因：控制回路信號異常；傳動機構外拐臂與相間水平連桿發生碰撞；機構合閘保持狀態不穩定。

圖2 斷路器分閘狀態

圖3 斷路器合閘狀態

4.2.1 控制回路信號異常排查

在檢修過程中發現合后即分現象時，手動操作仍然發生了合后即分，即可排除斷路器控制回路有異常跳閘信號而導致合后即分的可能。

4.2.2 傳動機構外拐臂與相間水平連桿碰撞

在故障斷路器未做任何調整下，采用采用高速相機對合閘過程拍攝發現，斷路器B相主拐臂與相間水平連桿未發生碰撞情況，即可排除斷路器傳動機構外拐臂與相間水平連桿發生碰撞而造成合后即分的可能。

4.2.3 機構合閘保持狀態不穩定原因排查

由于彈簧機構合閘保持原理可知，使機構保持在合閘狀態下，是通過設計巧妙的杠桿原理，逐級減小了作用在分閘掣子上的力矩，從而實現了以較小的推力就可以控制大功率彈簧機構的分閘。在這里不得不提到作用在分閘掣子上的一個關鍵參數：合閘保持力矩M，其值大小由4個因素決定：來自合閘保持掣子的作用力P1，來自復位彈簧的作用力P2，以及力臂L1和L2。合閘保持力矩M越小則意味著機構的合閘狀態保持變得不可靠。

對與合閘保持掣子作用力矩M1，其作用力P1主要來自于分閘彈簧的壓緊反彈力，作用力大小在不調整分閘彈簧壓縮量情況下不會明顯改變；其力臂L1理論上由于圓柱銷和復位彈簧的作用不會發生改變，但是由于脫扣滾輪與分閘掣子在每次斷路器分合閘過程中都會發生撞擊和摩擦，以至于分閘掣子受到磨損而改變了脫扣滾輪與分閘掣子的扣合角度。考慮L1值本身較小，即使扣合點發生接觸角度輕微改變，由M1=P1×L1×(cosα)2可知，仍會造成合閘保持掣子作用力矩值減小，同時可知，隨磨損加重，合閘保持掣子作用力矩值會急劇減小。新舊分閘掣子對比可發現，舊分閘掣子表面形成了較為明顯的圓弧狀凹坑。

圖4 合閘狀態示意圖

對與復位彈簧作用力矩M2，其作用力P2主要來自于復位彈簧的壓緊反彈力；其力臂L2由分閘掣子零件外形設計確定，理論上不會發生改變。

據了解，機構生產廠家約在2年前對于CT30機構分閘掣子復位彈簧做了相關改進，新復位彈簧較舊彈簧總體長度縮短4mm，彈簧有效圈數減少約1.5圈，彈簧直徑增大，彈力系數明顯增大。機構生產廠家發文說明，更換彈性系數較大的彈簧，同時彈簧長度減短，經過計算彈簧輸出力保持不變。

更換彈性系數較大的彈簧，首先會加快分閘掣子的復位速度，可保證分閘掣子在合閘保持掣子復位前到達正確位置；其次，復位彈簧彈性系數大則可減少斷路器合閘過程中產生的振動對其影響。同時，舊復位彈簧直徑較細，更易受到長期壓縮而導致疲軟，致使彈力系數減小，最終導致隨機構運行時間加長而復位彈簧作用力P2減小，并且回彈時間加長。同時，彈簧因直徑小，可能在壓縮情況下產生并簧（即臨近兩個簧圈發生錯位）影響回彈，嚴重會產生不可逆的變形，改變彈性系數。機構廠家對復位彈簧做相關改進也正是基于此種的考慮。

綜上所述，造成斷路器合后即分有多種因素，本次故障中復位彈簧不可靠為主要原因，分閘掣子磨損為次要原因。以上因素會造成合閘保持力矩M減小，直接影響斷路器合閘保持狀態的穩定性，由動觸頭合閘過沖帶來的振動有可能造成機構合閘后立即分閘。當合閘保持力矩M減小為負值時，合閘狀態則一直無法保持。

5 結束語

1）深入分析本次斷路器合即分故障的原因，主要原因是復位彈簧不可靠，次要原因為分閘掣子磨損。

2）CT30彈簧操作機構的斷路器，在條件允許的情況下，結合停電定檢機會更換分閘掣子復位彈簧。

3）對于分合閘次數較多的CT30彈簧操作機構斷路器，建議拆卸分閘掣子，檢查其與合閘保持掣子脫扣滾輪接觸面，表面若有明顯圓弧狀凹坑，更換分閘掣子。