分合閘伺服閥閥桿卡死導致的多起發電機斷路器誤動、拒動故障分析處理

郭鈺靜，趙 鯤，吳小平

(中國長江電力股份有限公司，湖北 宜昌 443002)

葛洲壩電廠發電機出口斷路器(以下簡稱GCB)先后多次出現的“合閘后跳開”、“分閘拒動”等缺陷現象，維護人員對斷路器操作機構原理進行研究，依據其缺陷原因分析的假設做現場驗證，分別驗證了合閘伺服閥閥桿不回彈、分閘伺服閥不回彈時，開關在接到分、合閘命令時的一系列動作情況。

1 操作機構原理

圖1、圖2所示，紅色部分為高壓油藍色部分為低壓油。

正常合閘過程：當碟型彈簧被壓縮后的分閘狀態下，傳動桿密封部位的上部處于高油壓狀態，傳動桿密封部位的下部處于低油壓狀態，此時傳動桿被控制在分閘狀態。當合閘伺服閥接到合閘信號得電動作，換向閥切換到合閘狀態，傳動桿底部與高壓油相連，此時傳動桿的上部和下部都充以高壓油，由于壓差的作用，傳動桿向上運動，完成合閘操作(見圖1)。

正常分閘過程：當分閘伺服閥接到分閘信號得電動作，換向閥切換到分閘狀態，傳動桿底部失壓，傳動桿上部的高壓油推動傳動桿向下運動，完成分閘操作。

液壓油失壓閉鎖：在合閘狀態下，當系統壓力降低到一定程度時，閉鎖桿上的彈簧推動其向里運動，頂住傳動桿上的卡口，使傳動桿不能運動[1]。

圖1 斷路器操作機構分閘狀態下內部油路(右圖為換向閥的局部放大圖)

圖2 斷路器操作機構合閘狀態下內部油路(右圖為換向閥的局部放大圖)

2 分閘拒動故障

2.1 故障現象

2017-11-09T2:13:04，GCB出現拒分現象，監控系統報“GCB彈簧壓力低動作”，2:13:08報“GCB彈簧壓力低復歸”。隨后，2:15、2:26分別進行遠方、現地各操作1次，斷路器均出現拒分現象，且監控系統均報“GCB彈簧壓力低動作”，3～4 s后報“GCB彈簧壓力低復歸”，GCB現場人員描述，發送分閘令后儲能電機存在短時啟動現象。

經檢查，斷路器本體外觀無放電、漏油等異常現象；滅弧室SF6氣體壓力正常、機構液壓油位正常、分合閘位置指示器指示正確、防慢分銷無異常、傳動連桿的連接緊固無松脫變形；對GCB操作機構進行檢查時，斷路器處于合閘狀態，儲能彈簧處于完全儲能狀態，液壓油油位正常，操作連桿及拐臂位置正確，分閘1伺服閥(Y2)、分閘2伺服閥(Y3)正常，合閘伺服閥(Y1)閥桿未復位(如圖3)。

圖3 現場檢查分合閘伺服閥情況

2.2 正常情況下的油路分析

當斷路器處于合閘狀態，儲滿能時且各部件均正常時，高低壓油分布情況如圖4所示。

圖4 合閘狀態時高、低壓油壓力狀態分布

當發出分閘命令后，分閘伺服閥兩端油路接通(如圖5)，則截面積A1處由高壓油變為低壓油，截面A2與截面A3處仍為高壓油，因面積A3>A2，因此換向閥向上運動，油路完成切換(如圖6)。油路切換后，斷路器主軸下方液壓油壓力迅速降低，斷路器主軸上方液壓油為高壓油，由于主軸上下側液壓油壓強差很大，因此在壓強作用下，主軸向下運動，斷路器最終分閘并保持分閘狀態。

圖5 正常情況下由合閘轉分閘時，油流走向及切換后高低壓油分布

圖6 分閘狀態(儲能完成)時，高低壓油分布

2.3 故障情況下的油路分析

合閘伺服閥閥桿未復位，分閘伺服閥正常時，接到分閘令后故障分析。

斷路器處于合閘狀態時，由于合閘伺服閥閥桿未回彈復位，合閘伺服閥兩端油路始終接通。當斷路器操作機構接到分閘脈沖令時，分閘線圈得電(通電時間為毫秒級)，分閘伺服閥閥桿動作使分閘伺服閥兩端油路接通，高壓油正常一路經分閘伺服閥流向低壓油區，另一路由于合閘伺服閥兩端油路接通，又流回高壓區。致使換向閥內液壓油油壓強一致，而截面面積仍然保持A3

圖7 合閘伺服閥閥桿未復歸，由合閘轉分閘時，油流走向及切換后高低壓油分布

由于分閘伺服閥得電后兩端油路接通，使高壓油進入低壓油區，但因分閘伺服閥得電時間很短，高低壓油接通時間短、油路細，且換向閥沒能向上運動，因此只有少量高壓油進入低壓油區，高壓油壓強只有少量下降，從而造成儲能電機啟動但啟動時間較短，致使電機啟動儲能打壓，與故障現場人員描述的打壓時間約為3～4 s現象一致，該打壓時間遠小于正常時間。

2.4 試驗驗證流程

GCB分閘拒動故障試驗驗證流程見表1。

表1 GCB分閘拒動故障試驗驗證流程

注：通過儀器(開關特性儀)給分閘伺服閥加入3 s的脈沖信號。3 s時長是監控系統發分閘令時的脈寬。運行模式下，線圈脈沖持續時間不超1 s。

2.5 故障重演

以合閘伺服閥閥桿無法復位為假設，利用已知的情況，故障重演結果如表2[2]。

表2 GCB分閘拒動故障重演結果

2.6 驗證結論

經過現場驗證，合閘伺服閥閥桿不回彈的缺陷缺陷會導致GCB發生拒分現象，同時由于少部分高壓油流至低壓缸，導致彈簧泄壓，啟動電機打壓。

3 合閘后隨即跳開故障

3.1 故障現象

10:38:22 主站發令后，GCB合閘不成功。故障錄波顯示：10時38分31秒346毫秒，GCB在計算機發令合閘，約70 ms后跳開，無任何保護裝置動作信息。隨后在開機并網過程中2次出現GCB合閘50 ms后自行分閘現象。

故障錄波顯示：10時38分31秒346毫秒，斷路器在計算機發令合閘約70 ms后斷開，合閘電流在正常負荷電流水平。兩套發變組保護裝置均無保護動作報告記錄、無告警出口異常燈。機組錄波顯示過程中兩套保護均無動作出口、信號變位記錄[3]。檢查斷路器合閘、Ⅰ路分閘、Ⅱ路分閘接點阻值大于10 M；檢查保護盤至GCB二次電纜各線芯對地及線芯之間絕緣阻值大于100 M。匯控柜內檢查：SF6壓力、彈簧儲能壓力報警接點未接通。GCB匯控柜內檢查:合閘線圈、I路分閘線圈、II路分閘線圈電阻值正常[4]。

3.2 正常分閘情況分析

斷路器操作機構進行分合閘操作，必須有油路接通，高低壓油切換，工作桿才能動作。油路接通有以下幾種可能：

1)分閘伺服閥得電，接通油路。跳閘操作回路加裝的電流型繼電器進行錄波監視，6個監視繼電器均未動作。分閘伺服閥沒有接受到電信號。排除電信號引起機構自動分閘。

2)工作缸內漏，接通油路。若機構工作缸內漏，接通油路。機構直接表象，就是油泵電機頻繁打壓。查記錄，排除機構內漏。

3)換向閥未切換到位，接通油路。若換向閥未切換到位，高低油腔連通，油泵電機旋轉，無法建立高壓油，電機工作180 s后，油泵電機報電機打壓超時信號，LCU未報油泵電機打壓超時信號。排除換向閥切換不到位可能行。此外，操作機構若失壓，由于操作機構具有失壓閉鎖功能，機構不會自動分閘。

4)分閘電磁閥分閘后未復位，接通油路。

正常情況下，分閘電磁閥失電時，在彈簧的作用下，電磁閥閥桿會復位，球閥復位，電磁閥控制的油流回路斷開(見圖8、圖9)。

若機構油中有油泥，在某個分閘時刻，油中雜質阻擋球閥復位，導致分閘油路一直處在接通狀態，操作機構得到合閘令后，首先進行合閘操作，合閘操作后，由于分閘油路處在接通狀態，接著進行分閘。

圖8 電磁閥工作原理圖

操作機構在分合閘命令同時存在的情況下，首先進行的動作是狀態的轉換。即，在分閘狀態時，分合閘命令同時存在，首先進行合閘動作；在合閘狀態時，分合閘命令同時存在，首先進行分閘動作。

GCB分閘結束后，機構分閘油路沒有截斷，仍保持接通，導致機構在合閘后，在沒有分閘信號的情況下，出現自動分閘。

3.3 試驗驗證流程

GCB合閘后隨即跳開故障試驗驗證流程見表3。

圖9 電磁閥結構圖

故障模擬操作手動長按分閘伺服閥閥桿(模擬閥桿不回彈現象)同期裝置發合閘令監視并記錄開關動作情況用儀器(開關測試儀)監視主回路開斷情況查詢保護裝置監視主回路的開斷情況觀察監控系統監視主·回路的開斷情況觀察開關是否合閘后隨即分閘;記錄動作次數電機打壓時間記錄從合閘起到打壓超時所需時長彈簧動作情況彈簧壓力低報警時間彈簧壓力低閉鎖時間防慢分銷投入狀態

3.4 故障重演的驗證

GCB以分閘伺服閥閥桿無法復位(人為按下模擬閥桿不回彈)為驗證，利用已知的情況，做故障重演如表4。

表4 GCB合閘后隨即跳開故障試驗驗證結果

4 伺服閥的解剖檢查

經對拆除的分、合閘伺服閥進行解剖檢查發現，伺服閥閥桿無法復歸的主要原因為閥桿在安裝孔內卡澀嚴重。拆除閥桿及安裝孔端部的密封圈后發現，密封圈存在嚴重磨損，閥桿與安裝孔內表面存在較多碎屑狀雜質(見圖10)。

由于操作機構分閘電磁閥油路一直流的是低壓油，且油路管道很細，油泥較容易堆積；合閘電磁閥油路一直流的是高壓油，油泥不容易堆積。油中雜質阻塞分閘電磁閥關斷分閘油路，帶有隨機性，致使GCB合閘后偶然會出現自動分閘現象，但是，一旦分閘電磁閥分閘后把油路關閉，機構就不會出現自動分閘，除非機構接收到分閘信號。

在運行中，GCB操作機構的分閘電磁閥，已經把分閘油路關閉(若分閘油路未關閉，GCB操作機構不會合閘并網成功)，所以，運行中GCB不會出現自動分閘現象。

圖10 合閘伺服閥閥桿和及密封圈

5 結 語

1)運行年代長的GCB操作機構，有很大的概率發生伺服閥閥桿卡死現象，分閘伺服閥卡死會導致合閘后隨即跳開的現象，影響機組并網；合閘伺服閥卡死會導致GCB拒分缺陷，嚴重時，GCB拒動會導致發變組故障擴大。

2)該型號伺服閥閥桿外部有橡皮罩，正常情況下無法觀察其是否卡死。目前尚無監測裝置能監控其狀態，需協同廠家進行改進。

3)下一步需斷路器廠家說明伺服閥閥桿不回彈的監視及改進方案。