萬能式斷路器誤動作故障分析及試驗(yàn)方法改進(jìn)

李潔礫 沈 銘

（寶鋼工業(yè)技術(shù)服務(wù)有限公司，上海 201900）

低壓萬能式斷路器作為工礦企業(yè)配電網(wǎng)控制與保護(hù)的重要電氣設(shè)備[1-2]，主要用于線路過載、短路或欠電壓保護(hù)，也可用作不頻繁接通和分?jǐn)嚯娐穂3]。過流脫扣器是斷路器的保護(hù)動作核心部件，它的實(shí)時(shí)性與精確性決定了斷路器的性能[4]。在現(xiàn)有工礦企業(yè)供配電系統(tǒng)中，低壓斷路器用電子式控制器已逐漸取代了傳統(tǒng)的過流脫扣器，成為了新一代斷路器首選。它具有功能集成化，結(jié)構(gòu)模塊化，可靠性好，便維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)[5-6]；但同時(shí)也存在抗電磁干擾能力較弱等缺點(diǎn)[7]。

過流時(shí)，通常電子式控制器控制過流脫扣器使斷路器分?jǐn)啵珜τ诓糠中吞枖嗦菲魍瑫r(shí)存在電子控制器控制其他類型脫扣器分?jǐn)嗟暮髠浔Ｗo(hù)方式。這種保護(hù)方式目前缺乏針對性的試驗(yàn)方法。本文介紹了一種后備保護(hù)動作特性驗(yàn)證的斷路器新的常規(guī)試驗(yàn)方法，利用新方法準(zhǔn)確判定一起萬能式斷路器誤動作故障原因。此方法供參考。

1 故障概述

西門子低壓萬能斷路器（型號3WE7381)是某生產(chǎn)廠重要控制設(shè)備，已投運(yùn)近30年，缺少后備件替代。在2015年9月以來，該設(shè)備無故多次跳閘。技術(shù)人員對現(xiàn)場負(fù)載和點(diǎn)檢記錄查驗(yàn)：斷路器分合閘動作正常；無負(fù)載接地、相間短路等故障問題。現(xiàn)場繼電保護(hù)系統(tǒng)無故障報(bào)警記錄。對萬能斷路器進(jìn)行內(nèi)場大電流整定試驗(yàn)，按原有整定方案進(jìn)行檢查時(shí)也未發(fā)現(xiàn)智能電子脫扣器存在動作值偏差。將該斷路器重新投入運(yùn)行狀態(tài)，不久后再次跳閘。

2 原因分析

技術(shù)人員從萬能式斷路器（圖 1）上拆下電子脫扣器，并對其進(jìn)行解體檢查分析。該脫扣器除了集成電路板以外，內(nèi)部還存在S16，S17，S18三副輔助接點(diǎn)（圖2）通過插針與控制回路連接。

圖1 3WE萬能式低壓斷路器

圖2 電子式控制器集成電路和控制接點(diǎn)

通過查閱圖紙，過流時(shí)電子控制器控制分?jǐn)喾绞接袃煞N：①輸出過流電信號，控制HA過流脫扣器分?jǐn)鄶嗦菲鳛檫^流動作主保護(hù)方式；②輸出過流電信號控制S16、S17輔助接點(diǎn)動作，斷開欠壓脫扣器控制回路，欠壓脫扣器動作分?jǐn)鄶嗦菲鳛檫^流動作后備保護(hù)方式。主保護(hù)方式的動作優(yōu)先度高于后備保護(hù)方式。

對斷路器電動分閘的所有控制方式進(jìn)一步分析，以脫扣器型式分有三類。

2.1 用分勵脫扣器斷開

當(dāng)分勵脫扣器電源電壓（在脫扣動作時(shí)間測得）保持在額定控制電源電壓US的70%和110%之間（交流在額定頻率下），在斷路器所有工作條件下分勵脫扣器應(yīng)脫扣，使斷路器斷開。

2.2 用過流脫扣器HA斷開

1）過載情況下斷開

對于過載控制器所有的電流整定值，HA過流脫扣器應(yīng)使斷路器脫扣。

2）短路情況下斷開

對于短路電流控制器所有的電流整定值，HA過流脫扣器應(yīng)使斷路器脫扣。

2.3 用欠電壓脫扣器斷開

1）欠壓脫扣

欠壓脫扣器Q01與斷路器組合，當(dāng)外施電壓下降，甚至緩慢下降至額定電壓的70%至35%范圍內(nèi)，與斷路器組合的欠壓脫扣器應(yīng)動作，使斷路器脫扣。

2）過載時(shí)S16輔助接點(diǎn)控制欠壓脫扣器斷開

對于過載控制器所有的電流整定值，控制器應(yīng)發(fā)出電信號控制S16輔助接點(diǎn)動作，④-⑤常開接點(diǎn)閉合，保護(hù)系統(tǒng)中間繼電器K12接觸器線圈得電，K12常閉接點(diǎn)動作，欠壓線圈Q01失電（圖4），斷路器脫扣。

3）短路時(shí)S17輔助接點(diǎn)控制欠壓脫扣器斷開

對于短路電流控制器所有的電流整定值，控制器應(yīng)發(fā)出電信號控制S17（圖3）輔助接點(diǎn)動作。S17①-②常開接點(diǎn)閉合，K12接觸器線圈得電，K12常閉接點(diǎn)動作，欠壓線圈Q01失電（圖4），斷路器脫扣。

圖3 電子式控制器保護(hù)動作控制電路簡圖

圖4 后備保護(hù)控制回路電路簡圖

其中過流脫扣應(yīng)用于上述2.2節(jié)中的1）、2）和2.3節(jié)中的2）、3）這4種情況。

原有的常規(guī)試驗(yàn)存在3個問題。首先原過流特性試驗(yàn)只有主保護(hù)檢測，缺少后備保護(hù)同步檢測方法；其次控制器輔助接點(diǎn)動作狀態(tài)無指示器或輔助開關(guān)信號協(xié)助判定；最后缺少后備保護(hù)動作特性判定表。

技術(shù)人員設(shè)計(jì)新常規(guī)試驗(yàn)方案如下：

（1）驗(yàn)證欠電壓和分勵脫扣器動作試驗(yàn)。

（2）過載、短路保護(hù)特性試驗(yàn)，斷路器整定值脫扣動作判定主保護(hù)動作狀態(tài)。

（3）驗(yàn)證主保護(hù)動作特性合格后，再次進(jìn)行過載、短路保護(hù)特性試驗(yàn)時(shí)，驗(yàn)證后備保護(hù)動作狀態(tài)。S16，S17輔助接點(diǎn)動作判定輔助保護(hù)動作狀態(tài)。其中S16，S17輔助接點(diǎn)動作狀態(tài)以中間繼電器檢測回路來輔助判定。具體實(shí)施方案見第3部分第3節(jié)1）、第4節(jié) 1）和第5節(jié)1）。

（4）建立新的斷路器過流動作特性表。

3 改進(jìn)的常規(guī)試驗(yàn)方法和動作特性表

大電流整定試驗(yàn)是一種檢測低壓斷路器框架機(jī)構(gòu)動熱穩(wěn)定性、CT和過流控制器功能的電氣試驗(yàn)方法。過流時(shí)，該試驗(yàn)通過大電流發(fā)生裝置模擬一次回路大電流，電子控制器對電流互感器感應(yīng)產(chǎn)生的電量信號進(jìn)行采集、處理，并根據(jù)預(yù)定的設(shè)定值控制斷路器的斷開。相對于專用電子控制器測試儀的只能檢測某批次型號控制的單一性，大電流整定試驗(yàn)不受斷路器型號限制、不受過流脫扣器種類限制（包括電磁脫扣器，熱磁脫扣器，電子控制器等[8]）。本次西門子低壓斷路器過流檢測采用大電流整定試驗(yàn)來驗(yàn)證該斷路器過載和短路動作特性。

為了保證斷開試驗(yàn)完整性，在過流試驗(yàn)前應(yīng)驗(yàn)證分勵和欠壓脫扣性能。

3.1 驗(yàn)證分勵脫扣器

分勵脫扣器裝于斷路器上進(jìn)行試驗(yàn)。在周圍溫度+55±2℃，斷路器主電路無電流時(shí)，驗(yàn)證分勵脫扣器能在70%額定控制電源電壓下動作使斷路器斷開。

3.2 驗(yàn)證欠壓脫扣器

欠壓脫扣器裝于斷路器上進(jìn)行試驗(yàn)。

1）釋放電壓

當(dāng)欠壓脫扣器外施電壓下降時(shí)，甚至緩慢下降至額定電壓的70%至35%范圍內(nèi)，欠電壓斷路器應(yīng)動作使斷路器斷開。

2）動作極限試驗(yàn)

當(dāng)外施電源電壓低于欠壓脫扣器額定電壓35%時(shí)，應(yīng)防止斷路器合閘。當(dāng)外施電源電壓等于或高于欠壓脫扣器額定電壓85%，應(yīng)保證斷路器能合閘。

3）過電壓情況下性能

在斷路器閉合，主電路無電流情況下，對欠壓脫扣器施加110%額定控制電壓4h，應(yīng)驗(yàn)證欠壓脫扣器能耐受并不損害其功能。

3.3 過載保護(hù)特性試驗(yàn)

過載保護(hù)特性試驗(yàn)在斷路器各極同時(shí)通電情況下驗(yàn)證。周圍溫度不超過40℃，下限為?5℃。

3WE斷路器電子控制器具有過載長延時(shí)功能，按照反時(shí)限動作，設(shè)IN為額定電流，其時(shí)間-電流特性曲線[9]為

式中，Ir為整定電流；tL為整定時(shí)間；I為過流值；T為反時(shí)限任意測試時(shí)間。根據(jù)負(fù)載及上下級選擇整定值tL為2倍過載長延時(shí)時(shí)間120s（±10%）。

驗(yàn)證過載主保護(hù)動作特性合格后，進(jìn)行后備保護(hù)特性試驗(yàn)。

過載時(shí)電子控制器通過第2部分第2.2節(jié)1）和第2.3節(jié)2）兩種控制方式分?jǐn)唷Ｔ诤髠浔Ｗo(hù)動作特性試驗(yàn)時(shí)，在原有特性試驗(yàn)基礎(chǔ)上接入中繼檢測回路，驗(yàn)證S16輔助接點(diǎn)動作狀態(tài)。

1）后備保護(hù)特性試驗(yàn)流程

（1）電子控制器X3插件上找出S16的引出插針。

（2）連接中間繼電器檢測回路。在測試期間繼電器K1保持外施額定電壓。將S16常開接點(diǎn)④-⑤與檢測繼電器K1常開接點(diǎn)并聯(lián)后，與K1繼電器控制回路串聯(lián)形成監(jiān)測自鎖回路。當(dāng)S16接點(diǎn)動作時(shí)，K1繼電器得電后K1常開接點(diǎn)自鎖，可以使K1繼電器保持動作鎖定（見圖5）。

圖5 過載保護(hù)特性試驗(yàn)中繼檢測回路

（3）通2Ir試驗(yàn)電流，檢測K1繼電器是否動作。

試驗(yàn)結(jié)果與表1比對驗(yàn)證電子脫扣器后備保護(hù)動作。

2）動作特性表

表1 斷路器過載試驗(yàn)動作特性表

3.4 短路保護(hù)特性試驗(yàn)

短路保護(hù)特性試驗(yàn)在斷路器各極同時(shí)通電情況下驗(yàn)證。

3WE斷路器電子控制器具有短路短延時(shí)功能，按照反時(shí)限動作，無短路瞬動保護(hù)設(shè)定。其動作時(shí)間為

式中，Ir為整定電流；ts為短延時(shí)整定時(shí)間；I為過流值；T為定時(shí)限任意測試時(shí)間。根據(jù)負(fù)載及上下級要求選擇整定值ts為4倍短路短延時(shí)時(shí)時(shí)間0.3s（±10%）。

驗(yàn)證短路主保護(hù)動作特性合格后，進(jìn)行后備保護(hù)特性試驗(yàn)。

短路時(shí)電子控制器通過2.2.2和2.3.3兩種控制方式分?jǐn)唷Ｔ谠刑匦栽囼?yàn)基礎(chǔ)上接入中繼檢測回路，驗(yàn)證S17輔助接點(diǎn)動作狀態(tài)。

1）實(shí)施方案

（1）電子控制器X3插件上找出S17的引出插針。

（2）連接中間繼電器檢測回路。在測試期間繼電器K1保持外施額定電壓。將S17常開接點(diǎn)①-②與檢測繼電器K1常開接點(diǎn)并聯(lián)后，與K1繼電器控制回路串聯(lián)形成監(jiān)測自鎖回路。當(dāng)S17接點(diǎn)動作時(shí)，K1繼電器得電后K1常開接點(diǎn)自鎖，可以使K1繼電器保持動作鎖定（見圖6）。

圖6 短路保護(hù)特性試驗(yàn)中繼檢測回路

（3）通4Ir，檢測K1繼電器是否動作。

試驗(yàn)結(jié)果與表2比對，驗(yàn)證電子脫扣器后備保護(hù)動作。

2）動作特性表

表2 斷路器短路試驗(yàn)動作特性表

3.5 反時(shí)限約定不脫扣特性試驗(yàn)

在基準(zhǔn)溫度下（上限不超過40℃，下限為?5℃），電流整定值的1.05倍時(shí)，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，脫扣器能承載而不動作的規(guī)定電流值即約定不脫扣電流[10]。萬能式斷路器在不脫扣電流試驗(yàn)中應(yīng)保持＞2h合閘狀態(tài)。

驗(yàn)證約定不脫扣試驗(yàn)動作特性合格后，進(jìn)行后備保護(hù)特性試驗(yàn)。

約定不脫扣試驗(yàn)時(shí)在原有特性試驗(yàn)基礎(chǔ)上接入中繼檢測回路，驗(yàn)證S16、S17輔助接點(diǎn)動作狀態(tài)。

1）實(shí)施方案

（1）電子控制器X3插件上找出S16、S17的引出插針。

（2）連接中間繼電器檢測回路。在測試期間繼電器K1保持外施額定電壓。將S16、S17常開接點(diǎn)與檢測繼電器K1常開接點(diǎn)并聯(lián)后，與K1繼電器控制回路串聯(lián)形成監(jiān)測自鎖回路。當(dāng)S16、S17任一接點(diǎn)動作時(shí)，K1繼電器得電后K1常開接點(diǎn)自鎖，可以使K1繼電器保持動作鎖定（見圖7）。

圖7 約定不脫扣試驗(yàn)中繼檢測回路

（3）通1.05Ir，檢測K1繼電器是否動作。

試驗(yàn)結(jié)果與表3比對，驗(yàn)證電子脫扣器保護(hù)動作。

2）動作特性表

表3 斷路器約定不脫扣試驗(yàn)

4 故障判定及解決方案

按照新的斷路器常規(guī)試驗(yàn)方法對該故障斷路器進(jìn)行二次檢測，并按照表1至表3進(jìn)行動作特性判定。

在反時(shí)限約定不脫扣試驗(yàn)中，斷路器分?jǐn)啵ǎ?h），K1動作自鎖定。經(jīng)對比狀態(tài)表3可知過流后備保護(hù)方式存在故障點(diǎn)。按照后備保護(hù)系統(tǒng)圖進(jìn)行故障點(diǎn)排查。S16、S17接點(diǎn)接觸良好，電動試驗(yàn)正常；集成電路板檢測控制回路開路。經(jīng)外協(xié)檢測單位確認(rèn)，電子式控制器執(zhí)行電路中電容擊穿。更換電容后斷路器再次按新的大電流整定試驗(yàn)方法進(jìn)行測試，判定斷路器斷開試驗(yàn)動作合格。報(bào)告見表4。

表4 斷路器整定試驗(yàn)報(bào)告簡表

5 結(jié)論

根據(jù)本文的研究，改進(jìn)了電子式控制器的過流保護(hù)特性試驗(yàn)方法，檢測出斷路器備用保護(hù)動作異常，準(zhǔn)確查找出斷路器誤動作故障問題。修復(fù)后斷路器在現(xiàn)場投送后無誤動作情況，運(yùn)行良好。

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