BF1-110頻率繼電器屢次燒損之原因分析

尤家安

（中冶集團銅鋅有限公司巴基斯坦·山達克銅金項目，北京 100028）

BF1-110頻率繼電器屢次燒損之原因分析

尤家安

（中冶集團銅鋅有限公司巴基斯坦·山達克銅金項目，北京 100028）

本文對 BF1-110型頻率繼電器的觸點屢次燒損故障，經過檢查相關元件，根據現場故障現象，通過反復試驗和全面分析，針對跳閘鐵心動作異常，分解后發現內部存有油泥狀粘稠物，以及頻率繼電器觸點容量不夠，從而確定了頻率繼電器被燒的原因和改進措施，為從事該項工作的檢修技術人員提供了來自現場的第一手經驗參考。

頻率繼電器；跳閘線圈；跳閘鐵心；跳閘頂桿；低頻；脫扣連扳；觸點粘連；跳閘拒動

礦區自備電廠通過兩條6.3kV架空線路（東、西環）向采場提供5000～5500kW的動力電源，其控制開關型號為ZN-10C/1250-20，電磁操動機構型號為CD10。因為電廠機組容量較小、系統穩定性差、受負荷變化影響較大，因此原設計在采礦東、西環線路開關的繼電保護中分別加裝了頻率保護裝置，用于系統頻率下降時自動甩負荷，快速恢復系統穩定，使電廠機組安全運行。而采用的手車式斷路器（以下簡稱為開關）在運行中頻繁操作故障相對較多，因跳閘機構存在故障導致跳閘線圈以及相關元件燒毀，而不能快速切除線路負荷，致使故障擴大給生產造成較大損失。本文通過案例分析、試驗最終查明了屢燒頻率繼電器觸點和跳閘線圈的原因所在。

1　故障現象及故障檢查

1.1故障現象

2015年3月6日采礦西環線路突然停電，電廠保護裝置顯示系統頻率低，機組聲音有異常，伴隨燈光發生明暗變化。15min后維修人員進入高壓開關站檢查，發現采礦東、西環線路開關全部跳閘，兩條線路均顯示低頻保護動作。檢查中發現，東環線路開關及保護裝置正常，而西環線路開關的跳閘線圈和信號繼電器表面變黑。

將西環線路開關的跳閘線圈及信號繼電器更換后，開關移到檢修位置進行手動分、合閘試驗，一切正常。然后將開關推入開關柜的試驗位置進行按鈕分、合閘試驗則出現了問題，合閘表現為：有時能夠合上閘，但狀態不對（合閘狀態，同時存在跳閘拒動），而有時合閘即跳閘。跳閘表現為：有時可以跳閘，而有時不能跳閘，甚至有時不作任何操作就會隨機跳閘。跳閘鐵心動作異常：當開關按鈕分閘時，觀察跳閘鐵心已經動作，但頂不開脫扣機構，鐵心不能下落返回，且信號繼電器掉牌不能復位，跳閘線圈和信號繼電器開始發熱。

1.2故障檢查

開關在檢修位置進行手動分、合閘試驗一切正常，說明分、合閘傳動機構沒有問題。然后將開關推入開關柜的試驗位置，并把跳閘壓板-B斷開如圖2（a）所示，按鈕分、合閘試驗均正常，當跳閘壓板-B聯通后，按鈕分、合閘就出現問題。將頻率繼電器-F摘下檢查，經PDS-3型變頻變壓電源試驗后確認常閉觸點-F11-14粘連短路已經失去開關作用。打開頻率繼電器外殼，內部電路板上的電子元件完好，電路板上的兩個小型繼電器型號為 G2R-2/12VDC，保護動作時高、低頻開關量分別由此輸出，其中低頻開關量輸出端就是常閉觸點-F11-14。如圖1所示，常閉觸點-F11-14已經過熱、變色、粘連，動觸點的塑料推桿已經熔化變形，銜鐵被卡住無法動作，觸點處于短接狀態。

圖1　小型繼電器常閉觸點-F11-14粘連情況

更換頻率繼電器-F后，經過試驗故障消失設備恢復正常。開關投入運行3天后故障依舊，經查又是頻率繼電器-F常閉觸點-F11-14粘連，經反復查找故障原因無結果的情況下，再次更換頻率繼電器-F，經過按鈕分、合閘試驗沒有發現問題的情況下，將開關再次投入運行，3個月后同樣的故障又發生了，檢查結果還是頻率繼電器-F觸點11-14粘連，發現每次觸點11-14粘連都和系統頻率下降有關。

2　原因分析

2.1開關及保護動作原理

在電力系統中由于有功、無功缺額引起頻率、電壓下降時，低周、低壓減載裝置將自動按頻率、電壓降低值切除部分電力用戶負荷，使系統的電源與負荷重新平衡，防止頻率、電壓崩潰事故，使整個系統盡快恢復正常［1］。如圖 2（a）、圖 3（a）所示，正常供電時，開關在工作位置并合閘，電壓小母線WV3.1、WV3.2、WV3.3帶電，由于電壓閉鎖繼電器-V、時間閉鎖繼電器-S和頻率繼電器-F都并聯在WV3.1和WV3.3母線上，所以觸點-S15-18、-V11-21均已接通，跳閘輔助觸點-QF1S2在接通位置，只有觸點-F11-14是斷開的，這時回路處在預備跳閘狀態。當系統頻率下降到48.5Hz（頻率繼電器的整定值）以下時，頻率繼電器-F動作觸點-F11-14接通，起動跳閘線圈-QF1Y2切除用電負荷，減輕電廠機組負擔，使系統頻率盡快恢復正常，同時信號繼電器動作顯示低頻跳閘。

圖2　控制保護（低頻跳閘）二次回路改進前、后原理圖

圖3　低頻保護電壓二次回路改進前、后原理圖

2.2跳閘鐵心動作異常分析

1）跳閘鐵心異常現象。試驗中發現跳閘鐵心不能上下自由竄動，存在卡澀現象，向上運動沖擊行程不夠，而每次運動的速度都有差異（時快時慢），當運動速度變慢時就會出現跳閘頂桿頂不開脫扣連板的情況，輔助觸點-QF1S2就不能斷開，觸點-S15-18、-V11-21均已接通，當觸點-F11-14發生粘連，跳閘鐵心向上運動后，跳閘頂桿就會一直停滯在脫扣連板處不動。

2）跳閘鐵心運動速度變慢或停頓的原因。如圖4所示，分解跳閘線圈發現，鐵心活動間隙（0.5mm）和鐵心行程空腔內有油泥狀粘稠物，會阻尼加速運動的鐵心，使鐵心運動速度減慢，瞬間沖擊力降低，鐵心向上沖擊時，在鐵心行程空腔內的油泥狀粘稠物受到擠壓會限制行程高度，乃至無法頂開脫扣連扳，鐵心在勵磁狀態會一直停留在脫扣連扳處，鐵心不能靠自身重力返回到原來的初始位置。這樣就造成了跳閘鐵心行程不夠，降低了開關的跳閘速度［2］，甚至不能跳閘。

圖4　跳閘線圈及脫扣機構示意圖

經現場調研，在檢修開關時，外方員工為了讓跳閘機構更靈活，往跳閘線圈鐵心的上端加注了過量潤滑機油，機油順著跳閘頂桿間隙流入活動間隙及鐵心行程空腔內并與粉塵混合形成了油泥狀粘稠物阻礙了鐵心運動。阻尼作用的大小跟機油粘度、粉塵、環境溫度以及鐵心是否經常動作有關，所以故障發生是隨機性的，經過3天甚至3個月運行時間，故障依然存在，也說明了故障的不穩定性。

2.3頻率繼電器觸點-F11-14粘連原因分析

1）跳閘回路電流計算。正常狀態測試：信號繼電器-X線圈電阻Rx=250Ω，跳閘線圈-QF1Y2電阻Ry2=88Ω，跳閘回路電壓U=220V DC，通過跳閘線圈-QF1Y2的正常電流IT=220/（250+88）=0.65A。故障后測試：信號繼電器-X線圈電阻Rx1=20Ω，跳閘線圈-QF1Y2電阻 Ry21=30Ω，則通過跳閘線圈-QF1Y2的故障電流IT1=220/（20+30）=4.4A。

2）頻率繼電器-F觸點-F11-14的分斷容量小。頻率繼電器-F中的小型繼電器G2R-2/12V DC常閉觸點-F11-14的標稱容量是 5A/250V AC、5A/30V DC，根據繼電器觸點在直流電路中不同工作電壓時控制感性負載（時間常數為40ms±5ms）的最大分斷電流值［3］，此觸點 220VDC的工作電壓最大分斷電流為 0.2A，顯然不能可靠分斷大于 220V DC，0.65A的電流而發生粘連。

3）持續跳閘電流的產生。頻率繼電器-F動作，其觸點-F11-14持續接通時間與系統低頻率運行時間有關。當系統頻率降至48.5Hz以下時，頻率繼電器-F動作觸點-F11-14接通，跳閘線圈起動，但由于鐵心受到油泥狀粘稠物的阻尼作用速度變慢、行程縮短、結果是跳閘拒動。因為開關跳閘拒動，負荷不能快速切除，系統頻率就不能及時恢復正常，持續低頻率運行的時間就會延長，所以造成頻率繼電器動作后觸點-F11-14不能及時返回（打開），觸點-F11-14始終在接通狀態，使跳閘回路長時間帶電。因為跳閘線圈-QF1Y2是短時間帶電設計，電流型信號繼電器-X的額定電流為0.025A，它們不允許長時間帶電工作，所以會發生燒線圈情況。

4）跳閘線圈-QF1Y2過熱后燒毀內部層間絕緣被破壞發生短路時，通過跳閘線圈-QF1Y2的故障電流IT1=4.4A，是正常跳閘電流的6倍，在跳閘拒動的情況下，跳閘回路持續故障電流使接觸不良的頻率繼電器-F觸點-F11-14首先開始發熱乃至過熱，塑料推桿熔化變形后，銜鐵和觸點被卡住使觸點粘連。

5）由于常閉觸點-F11-14容量和工作間隙小，電弧作用造成的三點瞬時電連通現象［4］，使其觸點表面反復拉弧形成斑痕，導致接觸不良，增加了分斷直流220V的難度，使觸點粘連。

2.4開關在試驗位置按鈕不能正常合閘的原因分析

1）有時能夠合上閘但狀態不對。開關在跳閘狀態時，位置觸點-S1和輔助觸點-QF1S1均接通，按下-S3合閘接觸器-KM1吸合，開關到達合閘位置后，觸點-QF1S1斷開的同時觸點-QF1S2接通。當觸點-F11-14發生粘連時，觸點-S15-18、-V11-21均在接通位置，跳閘線圈-QF1Y2通電勵磁，跳閘鐵心向上運動，由于跳閘鐵心動作異常，在頂不開脫扣連板的情況下，跳閘頂桿上端停滯在脫扣連板處（即不能脫扣跳閘，頂桿也無法回落）如圖4所示，跳閘回路處于帶電跳閘中，此時開關雖然能夠合上閘，但屬于不正常合閘狀態。

2）有時合閘即跳。開關在跳閘狀態時，位置觸點-S1、-QF1S1、-S15-18、-V11-21均已接通，當觸點-F11-14發生粘連時，按下-S3合閘接觸器-KM1吸合，開關到達到合閘位置后，觸點-QF1S2接通，當觸點-F11-14發生粘連時，跳閘線圈就處于通電跳閘狀態，所以合不上閘。

2.5開關在試驗位置按鈕不能正常跳閘的原因分析

1）有時可以跳閘。開關在合閘狀態時，位置觸點-S1、-QF1S2、-S15-18、-V11-21均已接通，而觸點-QF1S1是斷開的，當觸點-F11-14在斷開時，低頻保護跳閘回路處在開路狀態，此時按下-S4是可以正常跳閘的。

2）有時不能跳閘。由于開關拒動而燒壞跳閘線圈，這種異常現象經常發生在分閘鐵心卡死不回原位，繼電器觸點動作后，由于油斷路器分閘回路輔助接點斷不開，致使分閘線圈長期帶電所致［5］。開關在合閘狀態時，跳閘回路輔助觸點-QF1S2、-S15-18、-V11-21均在接通位置，當觸點-F11-14處于粘連時，低頻保護跳閘回路接通，雖然跳閘鐵心向上運動，由于跳閘鐵心動作異常，不能順利頂開脫扣連板，不能完成跳閘，結果-QF1S2始終斷不開，跳閘線圈持續帶電，在電磁力的維持下，跳閘頂桿上端會緊貼脫扣連板不能自動返回到原來的起始位置，所以當按下-S4時無效，跳閘鐵心不會重新向上沖擊，所以不能跳閘。

3）有時不作任何操作就會隨機跳閘。開關在合閘狀態時，由觸點-F11-14粘連原因可知，多種因素影響狀態不夠穩定，有時會出現時粘時不粘（接觸不良）的現象，于是跳閘線圈失電跳閘鐵心復位，得電又重新勵磁，鐵心重新向上沖擊脫扣連扳進行跳閘，否則跳閘鐵心無法再次跳閘。

3　處理結果及改進措施

將故障跳閘線圈分解后如圖5所示，用汽油將污物徹底清洗并回裝，對開關進行試驗一切正常，故障排除。

圖5　跳閘線圈及鐵心分解

為了提高保護裝置動作的可靠性，取消原電路中的電壓閉鎖繼電器-V見圖3（b）所示，增加一個中間繼電器擴大其跳閘回路的觸點容量，取代頻率繼電器-F觸點11-14避免觸點粘連發生。改進后的電路詳見圖2（b）、圖3（b）所示。其動作原理：正常供電時開關在合閘狀態，電壓小母線帶電，時間閉鎖繼電器-S和頻率繼電器-F都并聯在 WV3.1 和WV3.3母線上，所以觸點-S及跳閘輔助觸點- QF1S2均在接通位置，只有觸點-F是斷開的，回路處在預備跳閘狀態。當系統頻率下降到48.5Hz（整定值）以下時，頻率繼電器動作觸點-F接通，起動中間繼電器-Z，常開觸點-Z接通跳閘線圈-QF1Y2切除用電負荷，使系統頻率盡快恢復正常。實踐證明經過改進后的電路徹底杜絕了此類故障的發生。

4　結論

綜上所述，跳閘線圈被錯誤地加注潤滑機油后，由于現場粉塵嚴重，在跳閘線圈銅套與鐵心的活動間隙以及鐵心行程空腔內形成油泥狀粘稠物，對鐵心的運動形成阻尼減速作用，影響了跳閘鐵心的行程高度，鐵心頂桿不能可靠頂開脫扣連扳，導致跳閘拒動，是頻率繼電器觸點屢次被燒原因之一。其次，頻率繼電器觸點容量不夠大，是造成觸點粘連原因之二。因此在檢修工作中，類似電磁鐵的設備不能隨意注油，特別是粘度大粉塵高的環境，另外在設備檢修工作中不能忽視小問題的存在。

［1］ 孫斌， 鐘成元. 低頻低壓自動減載裝置的一點改進［J］. 電力安全技術， 2001（6）： 42.

［2］ 余有生. CD10操作機構掉閘鐵心磁化的消除［J］. 農村電氣化， 1990， 5： 28.

［3］ 陸鴻聲. 控制繼電器觸點分斷容量［J］. 電世界，1999（9）： 44.

［4］ 李輝全. JRW-3M型繼電器觸點瞬時粘連現象的研究［J］. 機電元件， 1987（2）： 21-27.

［5］ 章奎. 淺談 CD10型電磁式操作機構故障原因及處理方法［J］. 中國科技信息， 2006（13）： 96-97， 87.

Analysis of Reasons for Repeated Burn of Frequency BF1-110 Relay

You Jiaan
（MCCT Pakistan Saindak Project， Beijing 100028）

In view of repeated burns on contact spot of Frequency BF1-110 Relay， based on its failure appearance， by examining relative component， conducting repetitive tests， and making comprehensive analysis， this paper focuses on the abnormity in the act of tripped iron core. With a thought given to the grease-like sticky things found inside the core and the insufficient capacity in the relay contact spot， the reason and improvement measures for the burns are finalized， providing a first-hand reference for technical repairmen in this field.

frequency relay； trip coil； trip iron core； trip mandril； low frequency； trip connecting plate； contact spot adhesion； tripping rejecting act

尤家安（1959-），男，黑龍江寶清縣人，工程師，現在中冶集團銅鋅有限公司巴基斯坦·山達克銅金項目，主要從事發電廠、變電站及設備維護管理工作。