薛建根

（鹽城發(fā)電有限公司，江蘇鹽城224003）

ZN65A-12型真空斷路器拒分原因分析與處理

薛建根

（鹽城發(fā)電有限公司，江蘇鹽城224003）

斷路器拒分故障的后果是極其嚴(yán)重的，文中針對(duì)ZN65A-12型手車式真空斷路器在安裝調(diào)試及投運(yùn)初期所頻繁出現(xiàn)的拒分故障，對(duì)其外部控制系統(tǒng)、內(nèi)部電氣控制回路和機(jī)構(gòu)傳動(dòng)部分進(jìn)行了全面的分析研究，查明引起該批次斷路器拒分的根本原因?yàn)檎婵諗嗦菲鳈C(jī)構(gòu)的初始分閘力矩過(guò)小，并采取了調(diào)整主軸拐臂角度的有效改進(jìn)措施，保證了其分閘的可靠性，徹底消除了真空斷路器拒分的重大安全隱患。

真空斷路器；拒分；力矩；機(jī)構(gòu)；可靠性

ZN65A-12型真空斷路器較好地保持了ZN12-10系列產(chǎn)品設(shè)計(jì)上的優(yōu)越性、零部件通用性，布局合理、結(jié)構(gòu)緊湊、傳動(dòng)桿系受力均勻、傳動(dòng)效率高、機(jī)構(gòu)壽命長(zhǎng)［1］，維護(hù)工作量小，已廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)中。某廠于2005年在2臺(tái)150 MW機(jī)組6 kV廠用輔機(jī)系統(tǒng)中安裝了46臺(tái)國(guó)產(chǎn)ZN65A-12型手車式真空斷路器。為提高斷路器的性能，專門配裝了滅弧性能更好的VS12040R型西門子真空滅弧室，配套完備可靠的“五防”裝置［2，3］。開關(guān)柜配置了綜合保護(hù)裝置，可進(jìn)行就地手動(dòng)、電動(dòng)分閘、合閘，也可進(jìn)行就地手動(dòng)機(jī)械分閘、合閘，遠(yuǎn)方則采用DCS自動(dòng)控制方式進(jìn)行操作。在安裝調(diào)試期間，多次出現(xiàn)拒分現(xiàn)象［4］，安裝單位多次檢查，未能查明拒分的真正原因，廠家技術(shù)人員到現(xiàn)場(chǎng)對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行檢查、調(diào)整，也未能查明拒分的真正原因，斷路器的拒分故障依然存在。

1　斷路器拒分故障的排查

1.1機(jī)構(gòu)工作原理

ZN65A-12型斷路器的操動(dòng)機(jī)構(gòu)主要包括合閘功能單元、分閘功能單元、傳動(dòng)功能單元和輔助功能單元等4個(gè)單元。其合閘功能單元在接到合閘命令后打開合閘凸輪制動(dòng)架，在合閘儲(chǔ)能彈簧的彈性勢(shì)能作用下，合閘凸輪旋轉(zhuǎn)下壓合閘連桿使主軸沿合閘方向轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖1所示。

圖1　分閘狀態(tài)示意圖

在主軸轉(zhuǎn)到合閘位置后，通過(guò)分閘連桿下端分閘動(dòng)塊。將斷路器有效保持在合閘狀態(tài)。合閘過(guò)程的同時(shí)，分閘彈簧被壓縮儲(chǔ)能，為斷路器分閘提供足夠的分閘能量。其分閘功能單元在接到分閘命令后，在分閘電磁鐵或手動(dòng)機(jī)械按鈕的作用下，分閘連桿的上、下段連接銷軸向內(nèi)側(cè)運(yùn)動(dòng)，分閘連桿下端向上提升帶動(dòng)分閘動(dòng)塊旋轉(zhuǎn)并脫離主軸，在分閘儲(chǔ)能彈簧的彈性勢(shì)能作用下，主軸沿分閘方向轉(zhuǎn)動(dòng)，斷路器分閘，如圖2所示。

圖2　合閘狀態(tài)示意圖

1.2拒分故障現(xiàn)象

正常情況下，運(yùn)行人員進(jìn)行送電操作，都應(yīng)將斷路器手車搖至試驗(yàn)位置，進(jìn)行就地試分、試合，以判斷斷路器本身動(dòng)作是否正常。初步安裝調(diào)試結(jié)束后，輔機(jī)逐步開始試轉(zhuǎn)，在試轉(zhuǎn)期間，時(shí)常出現(xiàn)斷路器拒分故障，經(jīng)安裝人員多次處理，其拒分現(xiàn)象未能消除，在問(wèn)題難以解決的情況下，聯(lián)系設(shè)備廠家來(lái)人處理。經(jīng)廠家技術(shù)服務(wù)人員全面檢查后，短時(shí)間內(nèi)連續(xù)進(jìn)行十余次循環(huán)合閘、分閘操作，卻未出現(xiàn)拒分現(xiàn)象。但是，隨著斷路器保持合閘狀態(tài)較長(zhǎng)一段時(shí)間以后再行分閘，卻又重復(fù)出現(xiàn)拒分的現(xiàn)象。為此，再度擴(kuò)大了故障查找范圍，從控制流轉(zhuǎn)程序開始逐步開展了下列檢查。

1.3DCS系統(tǒng)的檢查與分析

DCS系統(tǒng)由操作員站（人機(jī)接口界面）、軟件邏輯組態(tài)運(yùn)算、數(shù)字輸入輸出、模擬輸入輸出模塊等幾大部分組成。操作員根據(jù)需要，在操作員站進(jìn)行操作，將指令輸入電腦，DCS系統(tǒng)經(jīng)過(guò)軟件邏輯運(yùn)算，并通過(guò)數(shù)（模）模塊輸出指令。經(jīng)過(guò)對(duì)相關(guān)的46臺(tái)設(shè)備歷時(shí)6個(gè)月的跟蹤分析，對(duì)DCS指令的輸入、輸出對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行核對(duì)，由操作員輸入的指令，均能通過(guò)DCS輸出繼電器準(zhǔn)確地輸出。由此說(shuō)明，斷路器拒分故障與DCS控制系統(tǒng)無(wú)關(guān)。

1.4開關(guān)柜外圍系統(tǒng)的檢查與分析

順著邏輯傳遞關(guān)系，對(duì)DCS輸出繼電器接點(diǎn)至開關(guān)柜之間的電纜及接線進(jìn)行全面檢查，所有接線正確，絕緣良好；繼而又對(duì)DCS指令輸出至開關(guān)柜相應(yīng)電纜接線端子進(jìn)行監(jiān)測(cè)，同樣，經(jīng)過(guò)對(duì)相關(guān)的46臺(tái)設(shè)備歷時(shí)6個(gè)月的跟蹤檢測(cè)，由操作員輸入的分閘指令，通過(guò)DCS輸出繼電器輸出后，在電纜接線端子上均能測(cè)量到電壓從220 V→0 V。由此說(shuō)明，外回路接點(diǎn)已按分閘指令要求準(zhǔn)確接通，指令傳遞正確，斷路器拒分故障與DCS系統(tǒng)及外回路無(wú)關(guān)。

1.5開關(guān)柜內(nèi)部電氣回路的檢查與分析

排除了開關(guān)柜外部電氣回路故障的可能，根據(jù)開關(guān)柜出廠原理接線圖進(jìn)行詳細(xì)的分析研究，對(duì)開關(guān)柜的內(nèi)部接線進(jìn)行了全面檢查，并采用就地控制方式對(duì)其動(dòng)作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視，所有分閘、合閘時(shí)電磁線圈控制電源電壓均符合要求，動(dòng)作也正常；同樣經(jīng)過(guò)歷時(shí)6個(gè)月的跟蹤檢測(cè)，由操作員輸入的分閘指令，通過(guò)DCS輸出繼電器輸出后，經(jīng)仔細(xì)辨別，在開關(guān)柜上能聽到分閘鐵心動(dòng)作的聲音。由此可以說(shuō)明，斷路器拒分故障與開關(guān)柜內(nèi)部電氣回路無(wú)關(guān)。

2　斷路器分閘機(jī)構(gòu)的檢查與分析

經(jīng)過(guò)上述各個(gè)方面的排查，基本可以判定拒分故障可能與斷路器機(jī)構(gòu)本身的某種缺陷相關(guān)。起初認(rèn)為斷路器拒分是由于機(jī)構(gòu)的潤(rùn)滑性能差，但經(jīng)加強(qiáng)潤(rùn)滑后，斷路器拒分現(xiàn)象依然發(fā)生；通過(guò)復(fù)測(cè)行程、調(diào)整斷路器合閘緩沖裝置尺寸、測(cè)量斷路器的合閘電壓、分閘電壓，均在正常范圍之內(nèi)［3］，仍未能查出故障原因。如果隱患繼續(xù)存在，一旦負(fù)載出現(xiàn)故障，保護(hù)發(fā)出切除故障指令而斷路器拒分必將引起事故的擴(kuò)大，其后果是十分嚴(yán)重的。在安裝人員和設(shè)備生產(chǎn)廠家都無(wú)法查明斷路器拒分故障原因的情況下，某廠技術(shù)人員深入探索和研究分析，終于發(fā)現(xiàn)了故障出現(xiàn)的2個(gè)規(guī)律：

（1）當(dāng)斷路器發(fā)生拒分故障后，如果連續(xù)重復(fù)操作，基本不會(huì)出現(xiàn)斷路器拒分故障現(xiàn)象。

（2）斷路器拒分故障一般出現(xiàn)在斷路器處于合閘狀態(tài)一定時(shí)間之后，時(shí)間越長(zhǎng)，越易出現(xiàn)拒分情況。

根據(jù)這些特征，對(duì)出現(xiàn)頻次相對(duì)較高的10甲凝泵斷路器本體進(jìn)行深入檢查試驗(yàn)，通過(guò)解鎖，打開開關(guān)柜門，卸下斷路器手車正面封板，觀察機(jī)構(gòu)的動(dòng)作情況，并捕捉到一個(gè)極其重要的狀態(tài)：執(zhí)行分閘指令時(shí)，分閘鐵心已動(dòng)作，通過(guò)分閘連桿的連動(dòng)已打開鎖塊的鎖定功能，如圖3所示。鎖塊與軸銷之間已有明顯的間隙，這足以說(shuō)明，斷路器的拒分故障與整個(gè)電氣控制回路、斷路器本體的電氣部分均無(wú)關(guān)系，問(wèn)題僅存在于機(jī)構(gòu)本身。進(jìn)一步分析，分閘鐵心已動(dòng)作，分閘機(jī)構(gòu)已打開鎖塊（如圖3中右邊部分所示），這又說(shuō)明分閘功能單元已執(zhí)行分閘指令，完成分閘功能；分閘鎖扣已打開，但未能使斷路器分閘，初步分析可能是分閘彈簧的彈力不足而引起斷路器的拒分故障。

圖3　機(jī)構(gòu)拒分時(shí)分閘鎖塊狀態(tài)圖

針對(duì)這種設(shè)備存在的缺陷，首先嘗試在分閘彈簧頂端逐步添加平墊片，即增加彈簧的壓縮行程，達(dá)到加大彈簧彈力的目的，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)達(dá)3個(gè)月的試驗(yàn)，拒分故障仍未能得到有效控制。又對(duì)斷路器機(jī)構(gòu)原理進(jìn)行了深入分析，分閘力矩的大小，除受分閘彈簧的彈力大小影響外，主要與分閘有效力臂的長(zhǎng)短直接相關(guān)。斷路器不能分閘，說(shuō)明分閘力矩偏小，但通過(guò)增加彈簧的彈力對(duì)增加分閘力矩十分有限，只有增加有效力臂才能增加分閘力矩。而力矩的大小既與力臂的實(shí)際長(zhǎng)度有關(guān)，又與力臂的角度有關(guān)，如圖4所示。

圖4力的分析示意圖

圖4中，B為主軸軸心，AD為分閘彈簧軸線及彈力F方向，BD為主軸拐臂，C為垂足。當(dāng)夾角β→0時(shí)，有效分閘力矩M=F×BC，則M→0，即進(jìn)入“分閘死區(qū)”。

將這一分析意見反饋給設(shè)備生產(chǎn)廠家，得到廠家的認(rèn)可，斷路器機(jī)構(gòu)是按國(guó)產(chǎn)寶光真空滅弧室的尺寸設(shè)計(jì)的，其真空滅弧室開距為而實(shí)際使用的真空滅弧室改成西門子VS12040R型真空滅弧室，其真空滅弧室開距為，真空滅弧室的行程尺寸減小了3 mm，在滿足真空滅弧室開距、行程要求的前提下繼續(xù)套用原斷路器機(jī)構(gòu)，主軸及主軸拐臂的旋轉(zhuǎn)角度減小，直接引起拒分的主軸拐臂在合閘終了狀態(tài)下向逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)了一個(gè)角度，圖4中的夾角β隨之減小、分閘起始力矩減小以致無(wú)法分閘。由于斷路器存在分閘起始力矩未充分避開死區(qū)，故斷路器合閘后，在一定時(shí)效作用下，機(jī)構(gòu)狀態(tài)發(fā)生變化，使得斷路器進(jìn)入“分閘死區(qū)”，因此造成了上述“在斷路器處于合閘狀態(tài)一定時(shí)間后，時(shí)間越長(zhǎng)，越易出現(xiàn)拒分情況”并反復(fù)出現(xiàn)的現(xiàn)象。雖然現(xiàn)場(chǎng)檢查處理分合閘循環(huán)試驗(yàn)多達(dá)20多次，但由于未達(dá)到一定時(shí)效，所以未能查出故障原因。

3　問(wèn)題的解決

經(jīng)分析研究查出了引起斷路器拒分故障的根本原因?yàn)閿嗦菲髌鹗挤珠l力矩過(guò)小，可以采取2套方案解決這一問(wèn)題：（1）調(diào)整分閘彈簧的固定端位置，相當(dāng)于調(diào)整力的方向；（2）改變主軸與分閘彈簧相連的拐臂角度，相當(dāng)于調(diào)整有效力臂的大小。

根據(jù)該斷路器機(jī)構(gòu)的實(shí)際空間位置，決定采用調(diào)整力臂角度的第二種方案，即按調(diào)整后的拐臂角度重新加工軸系。經(jīng)更換新軸，調(diào)試合格投運(yùn)后，再未發(fā)生過(guò)拒分現(xiàn)象，斷路器拒分這一重大安全隱患得到徹底解決。

4　結(jié)束語(yǔ)

（1）對(duì)該批次的同類產(chǎn)品，采取改變主軸與分閘彈簧相連的拐臂角度的方法，并重新設(shè)計(jì)主軸，更換新軸后，就能夠徹底消除斷路器的拒分故障。

（2）進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，在改用新部件時(shí)要全面考慮與其他部件協(xié)調(diào)關(guān)系，防止對(duì)整體性能帶來(lái)不利影響。

（3）當(dāng)設(shè)備存在重大安全隱患時(shí)，必須堅(jiān)持不懈地查明故障原因；當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)技術(shù)性難題時(shí)，只要深入研究，搞清其原理，找出其內(nèi)在聯(lián)系，采用分段式排查法，終究能鎖定故障范圍，確定故障原因，直至攻克復(fù)雜的技術(shù)難題。

［1］葉常容，王晉生，李建基，等.電力設(shè)備實(shí)用技術(shù)手冊(cè)［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2014：2260-2380.

［2］雷春明，范滿元.電力建設(shè)［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2008：76-78.

［3］趙旭峰，朱學(xué)勇.變電站防誤閉鎖裝置的功能及應(yīng)用［J］.江蘇電機(jī)工程，2010，29（2）：59-61.

［4］張磊.一起由于10 kV線路拒動(dòng)引起主變?cè)郊?jí)跳閘的事故分析［J］.江蘇電機(jī)工程，2012，31（2）：16-17.

Analysis and Treatment of the Fail-to-break of ZN65A-12 Type Vacuum Circuit Breaker

XUE Jiangen
（Yancheng Power Generation Co.Ltd.，Yancheng 224003，China）

The fail-to-break of circuit breaker is extremely serious to the power system.Considering frequently occurred fail-to-break，a comprehensive analysis on the external control system，internal electrical circuits and transmission mechanism of the ZN65A-12 hand trolley vacuum circuit breaker is introduced.The testing result shows that the initial opening moments of the vacuum circuit breaker mechanism is much less than normal，and it leads to the fail-to-break of circuit breaker.By adjusting the angle of the spindle moment arm，the switching off reliability of the vacuum circuit breaker is effectively improved，and then the serious potential safety hazard is eliminated.

vacuum circuit breaker；fail-to-break；moment；mechanism；reliability

TM561.2

B

1009-0665（2015）02-0018-03

2014-10-13；

2014-11-30

薛建根（1965），男，江蘇鹽城人，工程師，從事火電廠電氣設(shè)備檢修與維護(hù)技術(shù)管理工作。