摘要：液压机构因输出功率高、速度特性稳定等优势，广泛使用于220kV及以上断路器机构上。西门子3AQ1型断路器使用氮气筒作为储能装置，在运行中时常发出N2泄露报警信号，本文将对西门子3AQ1型断路器液压机构N2泄露报警缺陷进行分析，并提出相应地缺陷处理措施。
关键词：3AQ1型开关液压机构；N2泄露；分析处理
0 引言
西门子公司生产的3AQ1EE/EG型断路器在厂站运行数量众多，其中常见的缺陷是液压机构发出N2报警信号。因为液压油不可压缩的特点，液压机构常使用N2和碟簧作为储能介质，上述断路器机构使用N2作为储能装置，N2的压缩量和油压值在出厂时已按设计值设定好。液压机构N2泄露量过大，将影响断路器液压机构正常储能，并导致断路器不能可靠动作或者自保持，严重影响电网安全稳定运行。
1 缺陷概述
某变电站#1主变220kV侧2201开关出现N2泄露报警信号，2201开关为西门子3AQ1EE型断路器，2002年投产。运行人员按“S4”N2泄露复位按钮后，仍然出现N2泄露报警信号。
2 缺陷原因分析
2.1 西门子3AQ1EE型断路器油泵控制及N2报警回路解析
图1 3AQ1EE断路器油泵控制、N2泄露报警、分合闸闭锁二次回路图
（1）油泵控制回路：正常工作条件下：X1/532接正电源，X1/526接负电源。在环境温度20℃时，当断路器机构动作或氮气筒泄露N2压力下降至32MPa后，B1机械式压力接点B1/1-2导通，时间继电器K15“B1端”得电，K15/15-18接点闭合，K9继电器得电，油泵开始打压。当油泵回升至启泵压力接点回复，K15时间继电器B1端失电，延时3秒，K15/15-18接点断开，K9继电器失电，一次油泵启动补压过程结束。补压过程中，若氮气泄露报警，K81动作，K81/4-6接点断开，油泵补压回路断开，停止打压。
（2）N2泄露报警回路：B1压力开关B1/4-6在油压35.5MPa时闭合，当油泵打压，K9继电器得电的情况下，当机构油压达到35.5MPa时，N2泄露报警信号回路被触发，K81继电器得电动作，发出N2泄露信号。当机构发出N2泄露信号后，二次回路实现以下功能：A、K81/10-12接点断开，K12LA、K12LB、K12LC等合闸总闭锁接触器断电，切断合闸二次回路，此时机构不能合闸，出现合闸闭锁信号；B、K14时间继电器得电励磁，K14继电器设定为延时3h出口，第一组分闸总闭锁回路中的K14/15-16接点3h后断开，K10继电器失电，第一组分闸功能失效。在K81继电器得电情况下，K81/7-8接点闭合，K182继电器得电，K182/13-14接点闭合，K82时间继电器得电，同样的，K82继电器设定为延时3h出口，3h后K82/15-16接点断开，K55继电器失电，第二组分闸功能失效。在即在发出N2报警信号3h后，机构不能分闸，发出分闸闭锁信号。
（3）K81继电器有2路自保持回路：1、一路电源经K182/33-34接点，实现K81继电器线圈得电自保持；2、另一路电源经K81/10-11接点、S4/11-12接点，实现K81继电器线圈自保持得电。[1]同样的K182继电器有2路自保持回路：1、一路电源经K182/23-24接点、S4/31-32接点，实现K182线圈得电自保持；2、另一路电源经K81/7-8接点、S4/31-32接点，实现K182线圈得电自保持。
（4）当出现N2泄露报警信号时，可使用S4实现复归功能。S4复归时，S4/31-32接点断开，S4/11-12接点断开，K182继电器失电，K182/33-34接点断开，K81继电器两路自保持回路断开，K81继电器失电复归，K14、K82失电计时复归，K10、K55继电器得电复归，解除第Ⅰ组、第Ⅱ组分闸闭锁信号，K12LA、K12LB、K12LC继电器得电，解除合闸闭锁信号。
2.2 西门子3AQ1EE型断路器N2泄露的判定
（1）按照西门子3AQ1EE开关的使用说明书，液压储能筒的N2泄露一定量是允许的，为2.5bar/年。为准确判断机构是由于N2泄露量较大还是二次元件故障导致出现报警信号，可检查氮气预充压力。氮气预充压力是指机构完全泄压后打开油泵开关打压储能，油压表指针会快速上升至某一压力值，而后开始缓慢上升，该压力值即为氮气预充压力。氮气预充压力与操作时环境温度及断路器已使用年限（已装配出厂日期作为计算起始日期）有关，断路器预充压力出厂标准：19.5-20.0MPa/20℃，如使用10年后断路器氮气预充压力在17MPa/20℃以上为合格（计算公式：P=19.5-10*0.25），环境温度对预充压力影响计算公式为：Pt=P20+△P（P20是20℃时预充压力，△P=T-20，T为操作当时的环境温度）。
图2 液压储能筒结构 图3 液压油体积与压力曲线图（P1：启泵压力、P2：N2
泄露报警压力、PX：到达压力P1+延时打压压力增量）
（2）开关操作过程、内部泄露、环境温度下降及N2泄露时[2]压力下降至P1以下时，油泵启动，将液压油从油箱中重新打入液压储能筒，当油压达到P1时，通过压力开关以及一只连着的时间继电器，约3s后油泵停机，即此时油压为PX，PX为到达压力P1和延时3S打压后的压力增量△V。如图2，油泵在打压储能时，高压油推动活塞向氮气方向运动，按照设计值，液压油的压力和氮气压缩量到达平衡值时，液压储能活塞两侧压力平衡[2]，油泵停止打压。在氮气泄露至一定量时，活塞的工作范围扩大移动到止挡管的位置，压力立即很快地降至P1。再次打压时，压力急剧上升，因为是由时间继电器控制的时间打压时间是固定的，压力极快地上升而超过压力至P2。
根据上述机构N2泄露二次回路的分析，机构出现N2泄露报警信号，需满足以下两个条件：K9继电器得电、B1压力开关B1/4-6接点闭合（对应压力35.5MPa）。K9继电器在油泵打压时启动，在达到额定油压时（32MPa），K15时间继电器延时3s失电，即：机构在3S内，油压从32MPa跃升至35.5MPa，系统回路判定出现N2泄露的情况。因此西门子该类型断路器机构是按照油泵在打压最后阶段油压的上升速率来判断机构是否存在氮气泄露超标情况。
2.3 2201开关故障现场检查处理情况
（1）机构二次元件检查情况：机构油压达到35.5MPa，K81、K182继电器吸合，K12LA、K12LB、K12LC合闸接触器断电失磁，后台出现N2泄露报警及合闸闭锁信号，无出现机构打压超时及分闸闭锁信号。检查机构箱内的油泵、油管、安全阀、泄压阀、阀座及氮气筒，没发现明显的泄露声音，机构内无发现明显的油迹，手摸高压油管没出现发热情况。机构静止半小时后，油泵没启动，油压不变，说明机构无严重内漏的情况。使用万用表测量K9/43-44接点导通。K15时间继电器整定时间为3s，计时指示灯不亮，没有在计时。使用S4钥匙进行复归，机构仍然发出N2泄露报警信号。
（2）使用泄压螺栓泄压至31.5MPa，合上储能电机电源打压，机构约45s后发出N2泄露报警信号。
（3）2201开关停电后，解开K15时间继电器B1接线，K15继电器计时灯亮，开始计时。按K9继电器，发现K9继电器由于运行时间长出现卡涩情况。打开B1、B2压力开关盖子对所有接点进行检查，发现B1/1-2接点存在粘连情况，B1/4-5接点动作灵活，使用WD-40润滑剂对B1、B2压力微动开关顶杆进行润滑。机构完全泄压后，重新对机构打压，机构氮气预充压力为20MPa（环境温度22℃），并对所有压力接点压力值进行校验。机构的分闸闭锁1、分闸闭锁2、合闸闭锁、重合闸闭锁、油泵启动等压力值正常，对应的继电器动作正常，机构打压时间正常。机构打压至额定油压后，没有出现氮气泄露报警信号。机构分合闸动作后压力下降值正常。
2.4 2201开关机构N2泄露报警故障原因分析
（1）机构氮气预充压力正常，说明机构配置的氮气装置功能正常，不存在氮气泄露超标导致影响开关正常分合闸的情况，即2201开关N2泄露是由于二次回路故障导致误发报警信号；
（2）机构泄压至油泵启动压力附近至机构打压出现N2泄露报警信号整个过程时间已远超3s，这同时说明机构不存在真正的氮气泄露情况。在检查过程中我们也发现B1接点存在粘连情况，结合回路图可知：在机构补压超过额定油压时，B1/1-2仍然闭合，油泵控制回路中的K15、K9继电器仍得电，N2总闭锁回路中的K9/43-44接点始终闭合，当油压超过35.5MPa时，B1/4-6接点闭合，启动K81继电器，机构发出N2泄露报警信号，同时断开油泵控制回路中的K81/4-6接点，切断K15继电器电源，K15失磁，K9失磁，油泵停止打压。
（3）初次检查2201开关机构时，使用S4钥匙也无法复归报警信号。原因：K9/43-44接点存在粘连情况，油压超过35.5MPa时，K9/43-44、B1/4-6及K81继电器构成N2总闭锁回路导通，即使S4切断K81继电器自保持回路，K81继电器依然带电。在按压K9继电器后，接点恢复正常，所以在完全泄压打压至额定油压时，机构无出现氮气泄露报警信号。
3、N2泄露检修处理建议
（1）设备带电运行时根据机构补压至出现氮气报警信号时间间隔来判断机构故障是因为氮气泄露还是因为二次元件故障。将机构泄压至31.5MPa，启动油泵打压，分析情况如下：1、在约5-8s时间内，油压快速上升至35.5MPa，则机构可能存在氮气泄露情况；2、在约30s时间以上，油压上升至35.5MPa，则有可能因为K15、B1等二次元件故障导致出现氮气泄露报警信号。
（2）检查K81、K182等继电器接点绝缘情况，检查是否出现因接点绝缘击穿，导致误发N2泄露报警信号。
（3）检查K15时间继电器功能是否异常，时间整定值是否正确，此时使用S4可复归氮气泄露报警信号。K15是延迟出口继电器，若时间整定动作功能失常，机构有可能由额定油压打压至氮气泄露报警气压，而时间间隔不是厂家设定的3s，导致回路误发氮气报警信号。校验K15时间继电器方法：解开K15/B1触发端接线，3-5s内K9保持得电状态。
（4）检查B1、B2压力开关接点是否存在粘连情况，结合维护定期对B1、B2压力开关接点顶杆进行润滑，并对压力开关压力接点进行校验，避免因压力接点整定不符合设计值误发报警信号。目前。西门子3AQ系列开关广泛使用机械式压力开关，机械式压力开关由微动开关、位移量与压力成固定比例的弹簧管组成，但是按运行经验来看，运行时间长后机械式压力开关容易出现接点卡滞情况，建议结合停电更换为精度高、故障率低的电子式压力开关。
（5）结合停电检查机构氮气预充压力与标准值偏差，当0<偏差<0.5MPa时不必处理，当0.5MPa<偏差<1.2MPa时做记录，当1.2MPa≤偏差时更换氮气筒。若氮气筒预充压力偏低，检查无异常泄露后，对储能筒补气，充入符合要求的高纯度氮气，压力太低则可更换新的氮气储能筒。
4总结
西门子3AQ系列液压开关在运行时发出N2泄露报警信号3h内，剩下的N2容量还能确保开关安全分闸，也就是要求检修人员在3h小时内准确判断氮气报警是由于二次回路故障还是实际氮气泄漏量超标引起，并作出处理措施。按照运行经验，该类型缺陷主要是因为二次元件故障误发氮气报警信号，可采用上述方法来快速判断。若是由于一次部件故障导致机构储能能力下降，则需转检修停电处理，避免事故扩大。
参考文献：
[1]佘浩、黄叶友、江姗.220kV断路器N2泄露信号的分析与运行处理[J].电力安全技术，2015（8）：48-51
[2]单光瑞.一起3AQ1型开关N2泄露故障分析处理[J].电源技术应用，2013（12）：15
作者简介：
梁炜键（1990—），男，广东东莞，本科，工科学士，工程师，研究方向：变电一次设备与电网的稳定运行。
论文作者:梁炜键
论文发表刊物:《电力设备》2019年第8期
论文发表时间:2019/9/15
标签：接点论文; 氮气论文; 机构论文; 继电器论文; 压力论文; 回路论文; 油泵论文; 《电力设备》2019年第8期论文;