核電廠6kv接觸器非全相合閘故障原因分析及處理

劉東兵等

摘 要：某核電廠柴油機進行低負荷試驗時，一臺SCO型6kv接觸器負載電機缺相運行，正常干預失效，分、合控制電源操作后，再進行分閘操作成功，經分析，此非全相合閘故障，是接觸器雙穩態永磁操作機構發生中間態所致。文章詳細分析了雙穩態永磁操作機構的中間態的原因及故障處理。

關鍵詞：中間狀態；非全相；雙穩態永磁操作機構；真空接觸器

1 設備介紹

某核電廠6kv應急母線，采用ABB公司生產的ZVC-VSC接觸器（雙穩態永磁機構），該接觸器有兩種控制模式：即SCO（單命令操作）和DCO（雙命令操作）模式。文章涉及的是SCO模式。

電源模塊給電容充電，電容為控制器及分、合閘線圈供電，使控制器及分、合閘線圈工作不受外電源影響。分、合閘命令送控制器分別經20ms、25ms延時觸發分、合閘指令實現接觸器的分、合閘；分、合閘指令脈寬分別為20ms、32ms。

2 原因分析

2.1 雙穩態永磁機構結構和動作原理

機構在分閘位置時動鐵心上端氣隙小、磁阻低，下端氣隙大、磁阻高。永久磁鐵的磁場主要作用動鐵心的上端；磁力線幾乎全部穿過動鐵心的上端，產生相應的吸力。該吸力通過傳動機構傳送至真空滅弧室的動觸頭上。使其保持分閘狀態。合閘線圈通電后產生磁場，其磁力線主要集中在動鐵心的下端，并在上端與永久磁鐵的磁力線相抵消。隨著激磁電流的上升，下端吸力增加，上端吸力減少。當下端吸力大于反力，動鐵心開始向下運動。當動鐵心運動到合閘位置時， 其磁力線分布狀況分閘位置時相對稱。

2.2 雙穩態永磁機構的受力分析假設機構的行程為L，磁保持力一端為F1，另一端為F2，不考慮機構的阻力。動鐵心在L/2處，兩端磁保持力的平衡點，動鐵心通過L/2處，動鐵心的所受力方向發生轉向，考慮機構本身阻力Fx，動鐵心所受的電磁合力小于Fx時，動鐵心會停在以L/2為中心的一個區域內，這是雙穩態永磁操作機構固有的特性，即文章所提及的中間狀態。

2.3 線圈電流的輸出特征

2.4 SCO模式接觸器非全相故障原因分析

用（0-100ms）合閘命令在SCO模式的ZVC接觸器上進行大量的試驗，當合閘命令在25-60ms區間時，接觸器多次進入中間狀態；合閘命令在30-40ms區間進入中間狀態最多，25ms-30ms、40ms-60ms區間偶爾進入。文章重點分析30-40ms區間。

黃線為分合閘電流曲線，紅線為脈沖命令曲線，藍線為動觸頭位置信號。

從圖3可以看出合閘線圈電流上升時間14-15ms，電流下降時間9-10ms，電流再次上升的時間7-8ms；動鐵心到達剛合點的時間24-25ms，動觸頭彈跳時間20ms左右。分閘線圈電流上升時間7-8ms，電流下降時間8-9ms，電流再次上升時間5ms左右；動鐵心到達剛分位置時間15ms左右?？刂破髟谑盏胶祥l命令上升沿，延時25ms觸發合閘指令，合閘線圈得電，控制器收到合閘命令下降沿，延時20ms觸發分閘指令，分閘線圈得電。以30ms合閘命令為例（見圖4），合閘線圈得電時間為：30-25+20=25ms，動觸頭到達剛合位置，正在彈跳時分閘線圈得電；如動觸頭向合閘方向運動，分閘線圈施加的磁場力需要克服機構的運動慣性和合閘位置永磁體施加的磁場力及機構阻力（較正常合閘多了機構的運動慣性），使分閘線圈的電流比正常值大，電流上升時間加長到10ms-12ms左右，造成分閘線圈得電20ms時間已到，動鐵心沒有運動到分閘位置，如果機構的阻力大于永磁體提供的磁場力，銜鐵會停留在中間位置。

試驗室在接觸器運行情況下，用測力器測量動鐵心從中間狀態到分閘位置的最小力為128N，廠家標準：機構合、閘穩態最小保持力為160N。機構的穩態保持力與機構本身的阻力相差32N，動鐵心保持中間狀態的區間是很大。

3 現場整改

整改從兩個方面開展：（1）對控制板進行改造，避免在合閘命令小于60ms時，接觸器在沒有達到合閘穩態的情況下執行分閘操作。（2）減少機構的阻力。

3.1 對控制板的改造

在合閘命令比較短的情況下，新控制板內部自發產生一個延時，使接觸器在合閘操作完成后再執行分閘操作。這個延時在合閘命令為60ms及以下時，固定為42ms。而當合閘命令超過60ms時，這個延時會隨著合閘命令的增加而減少。

REV.00為改造前的控制板；REV.04為改造后的控制板。

從圖5可以看出，REV.04控制板合閘指令執行完成后延時42ms后分閘指令開始執行，從合閘指令開始執行到分閘指令開始執行共延時75ms。42ms的延時可為電容器再充電。另外REV.04控制板開放了EFA功能，即當電容電壓低于規定值后，控制器會再發出一分閘指令。

3.2 減少機構的阻力

根據機構本身特點，找出4個引起機構阻力大的原因進行整改

（1）連接軸加工冗余度不足，與殼體之間存在一定的角度。更換符合標準尺寸的新聯鎖軸；使接觸器中的聯鎖軸尺寸在正常公差范圍之內。

（2）分合閘指示牌與傳動桿配合不合理，與前面板產生摩擦。加強分合閘指示傳動桿剛度（加寬分、合閘指示傳動桿的寬度、增加了傳動桿與聯鎖軸的固定點）；采用一體式分、合閘指示牌。

（3）閉鎖桿與外側支架上的螺母間產生干涉。更換新式支架，該支架上不存在焊接的螺母。

（4）輔助開關間隙過小會出現較大阻力。調整輔助開關處間隙在0.2～0.5mm范圍內。

通過兩方面的改造，6kv接觸器已經運行3年，未發生位于非全相的故障。

4 結束語

從雙永磁式操作機構特點來看，存在中間狀態是其固有特性，照成這一特性的原因是動鐵心的運行需要克服機構自身的阻力，在沒有外力介入的情況下，就會停在中間狀態。在設計上要避免沒有達到合閘穩態的情況下執行分閘操作，盡量減小機構自身的阻力。另外機構的自身阻力會隨使用年限的增加發生變化，在日常維護中需要關注機構自身的阻力的變化。

參考文獻

[1]周麗潔.永磁機構在中壓真空斷路器上的應用[J].華電技術，2008，30（10）.

[2]王寶平，常新平.應用雙穩態永磁操動機構的配電真空斷路器[Z].文章編號：1006-6047（2001）07-0058-02.

[3]呂錦柏，王毅，常廣，等.優化的永磁真空斷路器合閘控制方式[J].高電壓技術，2013，39（11）.

摘 要：某核電廠柴油機進行低負荷試驗時，一臺SCO型6kv接觸器負載電機缺相運行，正常干預失效，分、合控制電源操作后，再進行分閘操作成功，經分析，此非全相合閘故障，是接觸器雙穩態永磁操作機構發生中間態所致。文章詳細分析了雙穩態永磁操作機構的中間態的原因及故障處理。

關鍵詞：中間狀態；非全相；雙穩態永磁操作機構；真空接觸器

1 設備介紹

某核電廠6kv應急母線，采用ABB公司生產的ZVC-VSC接觸器（雙穩態永磁機構），該接觸器有兩種控制模式：即SCO（單命令操作）和DCO（雙命令操作）模式。文章涉及的是SCO模式。

電源模塊給電容充電，電容為控制器及分、合閘線圈供電，使控制器及分、合閘線圈工作不受外電源影響。分、合閘命令送控制器分別經20ms、25ms延時觸發分、合閘指令實現接觸器的分、合閘；分、合閘指令脈寬分別為20ms、32ms。

2 原因分析

2.1 雙穩態永磁機構結構和動作原理

機構在分閘位置時動鐵心上端氣隙小、磁阻低，下端氣隙大、磁阻高。永久磁鐵的磁場主要作用動鐵心的上端；磁力線幾乎全部穿過動鐵心的上端，產生相應的吸力。該吸力通過傳動機構傳送至真空滅弧室的動觸頭上。使其保持分閘狀態。合閘線圈通電后產生磁場，其磁力線主要集中在動鐵心的下端，并在上端與永久磁鐵的磁力線相抵消。隨著激磁電流的上升，下端吸力增加，上端吸力減少。當下端吸力大于反力，動鐵心開始向下運動。當動鐵心運動到合閘位置時， 其磁力線分布狀況分閘位置時相對稱。

2.2 雙穩態永磁機構的受力分析假設機構的行程為L，磁保持力一端為F1，另一端為F2，不考慮機構的阻力。動鐵心在L/2處，兩端磁保持力的平衡點，動鐵心通過L/2處，動鐵心的所受力方向發生轉向，考慮機構本身阻力Fx，動鐵心所受的電磁合力小于Fx時，動鐵心會停在以L/2為中心的一個區域內，這是雙穩態永磁操作機構固有的特性，即文章所提及的中間狀態。

2.3 線圈電流的輸出特征

2.4 SCO模式接觸器非全相故障原因分析

用（0-100ms）合閘命令在SCO模式的ZVC接觸器上進行大量的試驗，當合閘命令在25-60ms區間時，接觸器多次進入中間狀態；合閘命令在30-40ms區間進入中間狀態最多，25ms-30ms、40ms-60ms區間偶爾進入。文章重點分析30-40ms區間。

黃線為分合閘電流曲線，紅線為脈沖命令曲線，藍線為動觸頭位置信號。

從圖3可以看出合閘線圈電流上升時間14-15ms，電流下降時間9-10ms，電流再次上升的時間7-8ms；動鐵心到達剛合點的時間24-25ms，動觸頭彈跳時間20ms左右。分閘線圈電流上升時間7-8ms，電流下降時間8-9ms，電流再次上升時間5ms左右；動鐵心到達剛分位置時間15ms左右?？刂破髟谑盏胶祥l命令上升沿，延時25ms觸發合閘指令，合閘線圈得電，控制器收到合閘命令下降沿，延時20ms觸發分閘指令，分閘線圈得電。以30ms合閘命令為例（見圖4），合閘線圈得電時間為：30-25+20=25ms，動觸頭到達剛合位置，正在彈跳時分閘線圈得電；如動觸頭向合閘方向運動，分閘線圈施加的磁場力需要克服機構的運動慣性和合閘位置永磁體施加的磁場力及機構阻力（較正常合閘多了機構的運動慣性），使分閘線圈的電流比正常值大，電流上升時間加長到10ms-12ms左右，造成分閘線圈得電20ms時間已到，動鐵心沒有運動到分閘位置，如果機構的阻力大于永磁體提供的磁場力，銜鐵會停留在中間位置。

試驗室在接觸器運行情況下，用測力器測量動鐵心從中間狀態到分閘位置的最小力為128N，廠家標準：機構合、閘穩態最小保持力為160N。機構的穩態保持力與機構本身的阻力相差32N，動鐵心保持中間狀態的區間是很大。

3 現場整改

整改從兩個方面開展：（1）對控制板進行改造，避免在合閘命令小于60ms時，接觸器在沒有達到合閘穩態的情況下執行分閘操作。（2）減少機構的阻力。

3.1 對控制板的改造

在合閘命令比較短的情況下，新控制板內部自發產生一個延時，使接觸器在合閘操作完成后再執行分閘操作。這個延時在合閘命令為60ms及以下時，固定為42ms。而當合閘命令超過60ms時，這個延時會隨著合閘命令的增加而減少。

REV.00為改造前的控制板；REV.04為改造后的控制板。

從圖5可以看出，REV.04控制板合閘指令執行完成后延時42ms后分閘指令開始執行，從合閘指令開始執行到分閘指令開始執行共延時75ms。42ms的延時可為電容器再充電。另外REV.04控制板開放了EFA功能，即當電容電壓低于規定值后，控制器會再發出一分閘指令。

3.2 減少機構的阻力

根據機構本身特點，找出4個引起機構阻力大的原因進行整改

（1）連接軸加工冗余度不足，與殼體之間存在一定的角度。更換符合標準尺寸的新聯鎖軸；使接觸器中的聯鎖軸尺寸在正常公差范圍之內。

（2）分合閘指示牌與傳動桿配合不合理，與前面板產生摩擦。加強分合閘指示傳動桿剛度（加寬分、合閘指示傳動桿的寬度、增加了傳動桿與聯鎖軸的固定點）；采用一體式分、合閘指示牌。

（3）閉鎖桿與外側支架上的螺母間產生干涉。更換新式支架，該支架上不存在焊接的螺母。

（4）輔助開關間隙過小會出現較大阻力。調整輔助開關處間隙在0.2～0.5mm范圍內。

通過兩方面的改造，6kv接觸器已經運行3年，未發生位于非全相的故障。

4 結束語

從雙永磁式操作機構特點來看，存在中間狀態是其固有特性，照成這一特性的原因是動鐵心的運行需要克服機構自身的阻力，在沒有外力介入的情況下，就會停在中間狀態。在設計上要避免沒有達到合閘穩態的情況下執行分閘操作，盡量減小機構自身的阻力。另外機構的自身阻力會隨使用年限的增加發生變化，在日常維護中需要關注機構自身的阻力的變化。

參考文獻

[1]周麗潔.永磁機構在中壓真空斷路器上的應用[J].華電技術，2008，30（10）.

[2]王寶平，常新平.應用雙穩態永磁操動機構的配電真空斷路器[Z].文章編號：1006-6047（2001）07-0058-02.

[3]呂錦柏，王毅，常廣，等.優化的永磁真空斷路器合閘控制方式[J].高電壓技術，2013，39（11）.

摘 要：某核電廠柴油機進行低負荷試驗時，一臺SCO型6kv接觸器負載電機缺相運行，正常干預失效，分、合控制電源操作后，再進行分閘操作成功，經分析，此非全相合閘故障，是接觸器雙穩態永磁操作機構發生中間態所致。文章詳細分析了雙穩態永磁操作機構的中間態的原因及故障處理。

關鍵詞：中間狀態；非全相；雙穩態永磁操作機構；真空接觸器

1 設備介紹

某核電廠6kv應急母線，采用ABB公司生產的ZVC-VSC接觸器（雙穩態永磁機構），該接觸器有兩種控制模式：即SCO（單命令操作）和DCO（雙命令操作）模式。文章涉及的是SCO模式。

電源模塊給電容充電，電容為控制器及分、合閘線圈供電，使控制器及分、合閘線圈工作不受外電源影響。分、合閘命令送控制器分別經20ms、25ms延時觸發分、合閘指令實現接觸器的分、合閘；分、合閘指令脈寬分別為20ms、32ms。

2 原因分析

2.1 雙穩態永磁機構結構和動作原理

機構在分閘位置時動鐵心上端氣隙小、磁阻低，下端氣隙大、磁阻高。永久磁鐵的磁場主要作用動鐵心的上端；磁力線幾乎全部穿過動鐵心的上端，產生相應的吸力。該吸力通過傳動機構傳送至真空滅弧室的動觸頭上。使其保持分閘狀態。合閘線圈通電后產生磁場，其磁力線主要集中在動鐵心的下端，并在上端與永久磁鐵的磁力線相抵消。隨著激磁電流的上升，下端吸力增加，上端吸力減少。當下端吸力大于反力，動鐵心開始向下運動。當動鐵心運動到合閘位置時， 其磁力線分布狀況分閘位置時相對稱。

2.2 雙穩態永磁機構的受力分析假設機構的行程為L，磁保持力一端為F1，另一端為F2，不考慮機構的阻力。動鐵心在L/2處，兩端磁保持力的平衡點，動鐵心通過L/2處，動鐵心的所受力方向發生轉向，考慮機構本身阻力Fx，動鐵心所受的電磁合力小于Fx時，動鐵心會停在以L/2為中心的一個區域內，這是雙穩態永磁操作機構固有的特性，即文章所提及的中間狀態。

2.3 線圈電流的輸出特征

2.4 SCO模式接觸器非全相故障原因分析

用（0-100ms）合閘命令在SCO模式的ZVC接觸器上進行大量的試驗，當合閘命令在25-60ms區間時，接觸器多次進入中間狀態；合閘命令在30-40ms區間進入中間狀態最多，25ms-30ms、40ms-60ms區間偶爾進入。文章重點分析30-40ms區間。

黃線為分合閘電流曲線，紅線為脈沖命令曲線，藍線為動觸頭位置信號。

從圖3可以看出合閘線圈電流上升時間14-15ms，電流下降時間9-10ms，電流再次上升的時間7-8ms；動鐵心到達剛合點的時間24-25ms，動觸頭彈跳時間20ms左右。分閘線圈電流上升時間7-8ms，電流下降時間8-9ms，電流再次上升時間5ms左右；動鐵心到達剛分位置時間15ms左右。控制器在收到合閘命令上升沿，延時25ms觸發合閘指令，合閘線圈得電，控制器收到合閘命令下降沿，延時20ms觸發分閘指令，分閘線圈得電。以30ms合閘命令為例（見圖4），合閘線圈得電時間為：30-25+20=25ms，動觸頭到達剛合位置，正在彈跳時分閘線圈得電；如動觸頭向合閘方向運動，分閘線圈施加的磁場力需要克服機構的運動慣性和合閘位置永磁體施加的磁場力及機構阻力（較正常合閘多了機構的運動慣性），使分閘線圈的電流比正常值大，電流上升時間加長到10ms-12ms左右，造成分閘線圈得電20ms時間已到，動鐵心沒有運動到分閘位置，如果機構的阻力大于永磁體提供的磁場力，銜鐵會停留在中間位置。

試驗室在接觸器運行情況下，用測力器測量動鐵心從中間狀態到分閘位置的最小力為128N，廠家標準：機構合、閘穩態最小保持力為160N。機構的穩態保持力與機構本身的阻力相差32N，動鐵心保持中間狀態的區間是很大。

3 現場整改

整改從兩個方面開展：（1）對控制板進行改造，避免在合閘命令小于60ms時，接觸器在沒有達到合閘穩態的情況下執行分閘操作。（2）減少機構的阻力。

3.1 對控制板的改造

在合閘命令比較短的情況下，新控制板內部自發產生一個延時，使接觸器在合閘操作完成后再執行分閘操作。這個延時在合閘命令為60ms及以下時，固定為42ms。而當合閘命令超過60ms時，這個延時會隨著合閘命令的增加而減少。

REV.00為改造前的控制板；REV.04為改造后的控制板。

從圖5可以看出，REV.04控制板合閘指令執行完成后延時42ms后分閘指令開始執行，從合閘指令開始執行到分閘指令開始執行共延時75ms。42ms的延時可為電容器再充電。另外REV.04控制板開放了EFA功能，即當電容電壓低于規定值后，控制器會再發出一分閘指令。

3.2 減少機構的阻力

根據機構本身特點，找出4個引起機構阻力大的原因進行整改

（1）連接軸加工冗余度不足，與殼體之間存在一定的角度。更換符合標準尺寸的新聯鎖軸；使接觸器中的聯鎖軸尺寸在正常公差范圍之內。

（2）分合閘指示牌與傳動桿配合不合理，與前面板產生摩擦。加強分合閘指示傳動桿剛度（加寬分、合閘指示傳動桿的寬度、增加了傳動桿與聯鎖軸的固定點）；采用一體式分、合閘指示牌。

（3）閉鎖桿與外側支架上的螺母間產生干涉。更換新式支架，該支架上不存在焊接的螺母。

（4）輔助開關間隙過小會出現較大阻力。調整輔助開關處間隙在0.2～0.5mm范圍內。

通過兩方面的改造，6kv接觸器已經運行3年，未發生位于非全相的故障。

4 結束語

從雙永磁式操作機構特點來看，存在中間狀態是其固有特性，照成這一特性的原因是動鐵心的運行需要克服機構自身的阻力，在沒有外力介入的情況下，就會停在中間狀態。在設計上要避免沒有達到合閘穩態的情況下執行分閘操作，盡量減小機構自身的阻力。另外機構的自身阻力會隨使用年限的增加發生變化，在日常維護中需要關注機構自身的阻力的變化。

參考文獻

[1]周麗潔.永磁機構在中壓真空斷路器上的應用[J].華電技術，2008，30（10）.

[2]王寶平，常新平.應用雙穩態永磁操動機構的配電真空斷路器[Z].文章編號：1006-6047（2001）07-0058-02.

[3]呂錦柏，王毅，常廣，等.優化的永磁真空斷路器合閘控制方式[J].高電壓技術，2013，39（11）.