摘要：高压断路器是变电站主要的电力控制设备，具有灭弧特性，当系统正常运行时，它能切断和接通线路及各种电气设备的空载和负载电流，当系统发生故障时，它和继电保护配合，能迅速切断故障电流，以防止扩大事故范围。鉴于高压断路器的重要性，因此，在投入运行时，检查其是否正常将变得十分重要。本文主要通过一起断路器合闸异常案例，来分析断路器合闸过程的特征及异常判断，总结日常操作断路器合闸时的检查方法。
关键词：断路器；异响；合闸异常；分合闸拐臂
前言：
某日凌晨，在主变送电过程中，操作合上2203开关，合闸过程中现场配合人员听到持续有4-5秒的四声合闸异常声响，同时主控室操作人在综自后台SOE报文发现2203开关曾出现过非全相动作信号，但之后综自后台及#3主变保护装置均显示2203开关在合闸状态。
一、异常描述：
1.综自后台及报文信息
详细查看综自后台显示2203开关在合闸位置，三相电流基本平衡，但#3主变间隔A相合位光字牌未闪动，报“中压侧操作箱非全相动作（三相不一致）”信号，其它光字牌无异常情况。SOE报文显示非全相动作开入信号，合闸过程中出现过两次A\B\C相合闸开入动作，其中一次A相合闸开入动作报文晚于B、C相合闸开关开入动作信号约6秒。无任何跳闸信号及报文。
2.一次设备信息
现场检查2203开关A\B\C三相均在合闸位置，负荷电流1100A，机构储能指示正确，2203开关本体外观未发现明显异常。在通过手持红外测温仪在距离20米处对2203开关本体部分进行测温，三相比对未见异常。
3.故障录波信息
通过调阅故障录波装置，查看变中2203开关合闸过程波形图（见图1），比对发现在45ms时出现合闸变位信号及电流，同时产生零序电流，113ms时A相合闸信号消失，126ms时A相电流消失，持续4869毫秒后，即4995ms时A相电流出现，A、B、C相三相电流恢复正常，零序电流消失，A相依然无合闸信号，持续1572.4毫秒后，即6567.4ms时出现A相合闸变位信号。后续波形恢复正常，A、B、C三相位置恢复正常，结合录波文件两个异常时间4869+1572.4=6441.4毫秒，验证了后台SOE报文中A相合闸位置开入晚于其他两相6秒的情况，且该合闸过程出现了4869毫秒的A相无流时间，引发后台报三相不一致信号，因此初步判断2203开关在合闸过程中出现异常，暂停操作，待查明原因。
二、异常危害
通过断路器操作机构特点得知，该型号220kV断路器的三相机构无相互闭锁联系，均为独立动作，因此存在三相不能同时合闸到位的可能性。当出现某一相或者某两相合闸不到位的情况时，将会引发事故事件发生。例如，合闸不到位导致断路器的主触头持续发热，烧损和燃弧并使SF6气体分解，从而导致断路器灭弧室内部绝缘强度降低，同时断路器燃弧产生的热量导致断路器内部压力升高，在断路器内部高温高压的情况下，最后导致断路器的瓷套爆炸，从而造成严重事故，甚至影响到相邻设备的正常运行。
三、异常分析：
1.设备信息
在分析异常之前，我们先了解下2203开关信息。该断路器型号为HPL245B1型，于2004年投产，2016年开展厂家B修，结果正常。正常合闸过程如下：合闸信号发出—合闸掣子合闸线圈励磁—合闸掣子脱扣、合闸脱扣器打开—大轴闭锁解除—合闸弹簧释能同时分闸弹簧储能—通过链条带动大轴转动—大轴上的凸轮盘旋转，带动分合闸拐臂移动—通过连接杆使开关合闸—合闸到位、分闸掣子闭锁—大轴闭锁—电机转动拉升弹簧储能。
2.设备停电检查情况
考虑到该开关A相合闸异常原因未明确，可能存在合闸不到位或者无法正常分闸情况，因此，经商定，需要立即采取空出母线及空主变方式进行紧急隔离。
经过倒闸操作将2203开关转检修状态后，由厂家配合打开机构箱内检查，发现机构闭锁连杆与限位凸轮盘卡死，合闸脱扣器在打开状态，合闸拐臂已顶起闭锁滚轴。结合开关位置指示及凸轮盘位置，判定开关确实处于合闸状态。但进一步检查发现机构底部有部件轴盖跌落，经确认为分合闸拐臂封盖；同时，分合闸拐臂滚轴严重移位并无法转动，合闸凸轮盘的表面有明显横向划痕，主传动轴有轻微的扭曲变形并有划痕。
3.推演异常过程
通过表象及结合故障录波分析结果，现场推演2203开关合闸异常过程如下：
⑴2203开关收到合闸信号，三相合闸，B、C两相正常合闸，但A相在合闸过程中，分合闸拐臂封盖受力脱落，导致滚轴受力不均移位，在与合闸凸轮盘配合动作过程中，机械间互相产生摩擦，消耗了部分弹性势能，分合闸拐臂传出的力量不足，开关断口的动触头只有部分插到静触头中，分合闸拐臂未能越过分闸掣子，未被分闸掣子锁住，开关合闸后没有被保持住。
⑵分合闸拐臂未被分闸掣子锁住，在分闸弹簧拉力及动触头自身重力作用下，使得合闸凸轮盘发生了反相转动，导致开关断口分闸；（结合故障录波图，可以解释A相出现短暂的合闸信号后又消失的现象，45ms出现合闸变位信号及电流，113ms时A相合闸信号消失，126ms时A相电流消失）。合闸凸轮盘与分合闸拐臂滚轴之间存在摩擦力，开关分闸后，合闸凸轮盘不会往分闸方向转动，同时合闸弹簧在合闸后储能，此时未储满，电机继续转动，当能量储存到可以克服合闸凸轮盘与分合闸拐臂滚轴之间的摩擦力时，合闸凸轮盘转动，带动分合闸拐臂转动，此时的合闸过程是在开关分闸不到位的基础上进行的，较正常分闸到位后再合闸，行程短，开关在合闸后还有剩余行程，能量存在剩余，合闸凸轮盘继续旋转，致使机构闭锁连杆与限位凸轮盘卡死，分合闸拐臂越过分闸掣子，将断路器锁死在合闸位置。
⑶由于滚轴移位，合闸凸轮盘、分合闸拐臂、传动轴之间互相掣肘，加之合闸弹簧释放的巨大冲击力，导致合闸凸轮盘与传动轴上出现划痕。
综上所述，此异常现象基本能够确认为分合闸拐臂封盖脱落，分合闸拐臂滚轴偏移，导致分合闸拐臂、合闸凸轮盘、传动轴之间机械卡涩，进而传动机构出现问题。
4.合闸异常声响解释
第一响声：开关三相合闸的声音，B、C相合闸到位且被分闸掣子锁住，A相合闸到位但未被锁住；
第二响声：开关A相分闸的声音，开关A相未被分闸掣子锁住，在触头自身重力作用下，开始分闸，但未分闸到位（后台无开关A相分闸报文）
第三响声：开关A相合闸的声音，在电机带动下，开关A相在分闸未彻底到位前，依靠储存能量，重新合闸（开关A相第一次合闸后，开始储能，在第三声响声前，已储存部分能量）
第四响声：凸轮打击闭锁杆的声音，正常情况下，储存能量用于开关合闸后，消耗无几，而本次案例中，开关第二次合闸过程是在分闸未完成的前提下进行的，相对于正常情况，行程短，消耗能量少，开关A相合闸后，能量剩余，大轴继续转动，带动凸轮旋转，撞击闭锁杆。
四、异常处理：
通过分析后，确定需要更换2203断路器机构相关机械部件，并进行机构特性试验、气体成分检测、回路电阻测试等相关电气试验。
1.将原损坏的瑞士ABB进口分合闸拐臂更换为改进型国产分合闸拐臂。同时，更换已产生磨损的主传动轴和合闸凸轮盘。国产分合闸拐臂滚轴固定将“封盖冲孔式固定”改为“内塞卡圈式固定”，主要有造价成本低及运行可靠等优势。
2.将机构部件更换后，开展相应试验测试
⑴机构特性试验。缺陷修复后，对2203断路器进行50次分合试验，每次分合试验间断1分钟，通过记录合闸与分闸时间，对机构特性进行试验，测试标准如下：
经测试，修复后的开关机构，合闸速度5.6m/s，合闸时间59ms左右；分闸速度10.2m/s，分闸时间17.8ms左右，满足标准要求。
⑵气体成分检测。缺陷修复后，对三相断路器的SF6 气体成分检测，检测结果合格：
图3：2203开关SF6 气体成分检测
⑶回路电阻测试。缺陷修复后，对A相断路器回路电阻进行了测试，符合此型号断路器产品≤38μΩ的测试标准：
⑷X光透视检查。缺陷修复后，对三相断路器的灭弧室进行X光检测，通过纵向对比X光照片和图纸中动静弧触头的外形轮廓，横向对比故障相与正常相X光照片中动静弧触头的外形轮廓，判定三相断路器动静弧触头的外形一致、轮廓完好。
图4：故障相A相开关合闸
图5：故障相A相开关分闸
五、结论：
本次异常主要是由于断路器分合闸拐臂滚轴固定出现脱离，导致在合闸过程中，分合闸拐臂出现位移，因此，通过对案例的分析，认为可在如何准确发现异常及设备日常维护方面总结经验。
1.针对此次该型号断路器机构问题，需制定计划对运行中的设备结合停电开展检查，及时发现隐患并处理。同时观察本次更换的国产分合闸拐臂运行情况，通过数据对比，深入分析运行工况的优劣，并做好总结。
2.提高对“记录开关次数”工作关注度，在开关次数达到既定次数，及时提醒专业班组开展维护工作。开关运行1-2年，开展目视巡视；开关运行15年或 （总短路开断次数×短路电流的1.8次方等于20000）时，开展预防性维护，针对2203开关，大约为1100次。
3.设备操作过程中，除了常规的位置信息、负荷电流检查外，还需要重点关注综自后台闪动的信号是否正常（含应闪动的没动，不应闪动的却出现）及SOE报文信息，如果出现非正常信号时，应立即结合故障录波图进行深入分析，确保能及时发现隐患。
参考文献
[1]徐国政.高压断路器原理和应用,清华大学出版社，2006,12-31.
[2]电力设备检修试验规程，中国电力出版社 2007,06-01.
[3]崔猛 高压断路器常见故障的原因分析 河北电力技术 2007
[4]王长洪 220kV断路器弹簧储能异常分析及处理 电工技术 2010
[5]陈向明 田相芹SF6高压断路器储能回路的改造 电世界 2015
论文作者:谢志毅
论文发表刊物:《电力设备》2018年第27期
论文发表时间:2019/3/12
标签：断路器论文; 凸轮论文; 异常论文; 信号论文; 机构论文; 报文论文; 电流论文; 《电力设备》2018年第27期论文;