一起小行程開關異常引起變電站10kV母線失壓故障的分析

鄺玉芳 周小藝 鄭衛文

摘要：本文重點分析了中置式高壓開關柜VS1（ZN63A）型開關發生拒分引起變電站10kV母線失壓故障的原因，提出了針對同型號并采用相同二次接線方式高壓開關柜的消缺整改措施，以及今后預防存在類似隱患設備投入電網運行的措施，有效提高配置VS1（ZN63A）型開關中置式高壓開關柜的運行可靠性，保證電力系統的安全穩定運行。

關鍵詞：行程開關;母線失壓;原因分析;隱患處置及預防

0引言

行程開關又稱限位開關或位置開關。它是一種根據運動部件的行程位置而切換電路工作狀態的控制電器。行程開關的動作原理與控制按鈕相似，在機床、起重設備、電力裝置及自動化生產線等自動化裝置中應用廣泛。在本案例中置式高壓開關柜中，微動式行程開關安裝在小車開關機構已完成儲能行程位置上，當小車開關機構完成儲能時，儲能部件觸壓行程開關推桿使觸點動作而實現電路的切換，達到控制機構自動儲能及在機構未儲能時斷開開關合閘回路和發出機構未儲能信號目的，因此開關機構所配置微動式行程開關是否正確動作對高壓開關柜的正常運行帶來直接影響。但現實中，行程開關、輔助開關等二次元器件，在電氣設備采購技術協議、工程竣工驗收，設備日常運維及故障查找中往往被忽視。

一、事件經過及對系統的影響

（一）故障前電網運行方式

某220kV變電站共配置有2臺主變，220kV及110kV側雙母結線，10kV側為單母分段，事件發生前#1主變帶10kV 1M母運行，#2主變帶10kV 2M母運行，10kV母聯500開關熱備用，10kV備自投投入。

（二）故障發生經過

2019年3月12日11時33分，該220kV變電站10kV F8饋電線路發生故障，其線路保護裝置動作，開關正確跳閘，經延時后自動重合閘啟動，F8開關重合于發生永久故障線路上，期間F8饋線保護裝置突然失電，F8開關拒分，導致#2接地變保護動作，跳開#2主變變低側502開關，造成10kV 2M母失壓。

（三）缺陷設備信息

拒分開關型號：VS1（ZN63A）

出廠日期： 2006-04-01? ? ? ?投運日期： 2006-11-27

二、開關拒分原因查找及分析

（一）保護動作及現場設備狀態

變電站10kV 2M母失壓后，現場檢查發現10kV F8饋線保護裝置黑屏，合閘指示燈亮，開關柜內1DK1保護裝置電源空開及開關機構儲能電源空開3DK在分位。

#2接地變520開關分閘燈亮，520開關柜保護裝置動作信息：000ms整組啟動，908ms高壓零序過流1時限動作，1209ms高壓零序過流2時限動作。

查看變電站后臺動作報文如下：

11：33：39：216? F8零序過流Ⅰ段動作

11：33：40：774? F8重合閘動作

11：33：41：735? #2接地變 高壓零序過流Ⅰ時限動作

11：33：41：751? 備自投放電（閉鎖10千伏母線備自投）

11：33：42：036? #2接地變 高壓零序過流Ⅱ時限動作

11：33：42：063? #2接地變520開關分

11：33：42：065? #2主變變低502開關分閘

通過上述保護報文及后臺報文分析，判斷11時33分39秒216毫秒F8饋線線路發生故障，其線路保護零序I段動作，跳開F8開關。經保護重合閘延時1.5秒，在11時33分40秒774毫秒，F8保護重合閘動作，合上開關，但此時線路故障仍然存在，開關成功重合后保護裝置電源空開突然發生跳閘，保護裝置失電，沒有進入保護重合后加速邏輯。故障線路零序電流流過10kVⅡ段母線520接地變的高壓側零序CT，11時33分41秒735毫秒，#2接地變高壓零序過流Ⅰ時限動作閉鎖10kV備自投，11時33分42秒036毫秒，#2接地變高壓零序過流Ⅱ時限動作跳開接地變520開關和#2主變變低502開關。

（二）故障設備詳細檢查情況

從保護動作記錄判斷，F8開關拒動是造成變電站母線失壓的直接原因，但經現場詳細檢查和試驗，確認F8開關保護裝置正常內部無短路，保護裝置電源空開及儲能電源空開正常，VS1小車開關各輔助元器件、輔助開關等正常，相關二次回路絕緣電阻合格，小車開關處于試驗位置狀態下保護各項傳動操作正常，小車開關本體及機構未發現機械咔澀等異常情況，其開關特性、分合閘電壓試驗等結果合格，開關儲能電機阻值、儲能電機速度以及運轉工況均正常，絕緣電阻合格，缺陷原因查找未果。

（三）原因分析

從現場檢查結果分析，F8饋線的保護裝置電源空開和開關操作機構儲能電源空開發生跳閘應該在F8開關成功重合閘后，開關機構儲能微動式行程開關出現變位時發生，因此故障查找不能忽略串聯在開關機構儲能電源回路、保護電源回路起切換功能的微動式行程開關本體的工況。

1、現場核對，VS1開關機構已儲能位置與三只微動式行程開關關聯（型號：LXW20-11M，額定電壓：AC-12 16A 380V? ?DC-12 5A 250V），其現場安裝方式見圖1，三行程開關從外到內分別被命名為S1、S2、S3，其外形及內部結構見圖2，其接點動作狀態見圖3（以S3接線方式畫模擬圖）。

（1）S1行程開關接入的二次回路

S1行程開關只應用了一對常開接點，在機構儲能后閉合，是合閘回路接通的必要條件;其接觸、對地絕緣是否良好，只影響到開關合閘回路和開關控制電源。

（2）S2行程開關接入的二次回路

S2行程開關只應用了一對常閉接點，串聯在儲能電機電源回路中，在機構儲能后斷開，停止儲能電機的運轉;其接觸、對地絕緣是否良好，只影響到儲能電機的運轉和儲能電源開關。

（3）S3行程開關接入的二次回路

S3行程開關常閉（機構儲能后斷開）、常開接點（機構儲能后接通）分別接入保護裝置彈簧未儲能告警信號回路和彈簧已儲能位置信號燈回路，即分別接入到保護裝置電源空開所控制回路和儲能電源空開控制回路。（見圖6、7）

從圖6可見，開關機構未儲能時，正電+HM通過1DK1（保護裝置電源空開）再通過行程開關S3的常閉接點36、26端子（未儲能時接通），再經過811電纜進入保護裝置開入，再通過保護裝置出來經過1DK1（保護裝置電源空開），最后接入負電，保護裝置報“彈簧未儲能”信號。

從圖7可見，開關機構儲能后，正電+HM通過3DK（開關儲能電源空開），經過電纜871再到已儲能燈BD再經過電纜874，再經過行程開關S3的常開接點24、34端子（儲能后接通），再經過電纜872再經過3DK（開關儲能電源空開）再到負電-HM，已儲能燈BD點亮。

（4）行程開關解體檢查

從上述S1、S2、S3三行程開關所接入的二次回路來看，只有S3牽涉到保護裝置電源及開關機構儲能電源回路，因此將行程開關S3拆下并進行解體檢查。

將S3解體后發現，行程開關34端子所連接靜觸頭及26端子所連接靜觸頭的觸點位置均有明顯電弧燒蝕痕跡，動觸頭對應位置也出現明顯電弧燒蝕痕跡，同時在塑料殼體相應位置也有電弧燒蝕時留下的印記（見圖8）;檢查行程開關動靜觸頭均采用銅質材質，觸點處采用了鍍銀處理，符合規范要求。

（5）缺陷原因分析

從S3行程開關解體結果來看，在11時33分40秒774毫秒，F8保護重合閘動作后，開關機構能量釋放，行程開關S3的推桿復位，動觸頭從接通常開接點34、24端子觸點（已儲能燈光信號回路）跳轉至通常閉接點36、26端子觸點（彈簧未儲能告警信號回路）時，行程開關動觸頭彈簧發生變形或因觸頭觸點粘連等異常情況，導致S3行程開關34端子與26端子兩接點接通（見圖9），使保護裝置正電+BM與電機儲能負電-HM形成短路，最終導致保護裝置電源空開以及開關儲能電源空開發生跳閘（見圖10）。

三、暴露問題

（一）VS1（ZN63A）型小車開關機構所配置的LXW20-11M型微動式行程開關，其常閉、常開接點共用一動觸頭，且觸頭間距小（只有2mm），存在行程開關內常閉、常開接點回路間跨接隱患。

（二）二次回路設計不合理，保護裝置回路與開關機構儲能回路同接入一微動式行程開關，增加保護回路短路、接地及保護裝置誤（拒）動及誤（拒）發信等風險。

（三）已儲能指示燈回路設計不合理，指示燈應安裝在行程開關后端即負電源端，并在回路中接入限流電阻，以防電器元件內部異常時回路發生短路。

四、隱患處置及預防

經核查，電網內有大量配置VS1型小車開關的高壓開關柜在運行，其運行時間很多已超過12年，柜內微動式行程開關等二次元器件已開始老化，發生同類故障的概率逐步增大，為防止同類事件的發生，應對保護、儲能回路同接入一微動式行程開關（LXW20-11M型）的中置式高壓開關柜進行整改。具體方案如下：

（一）應急處置方案

將已儲能指示燈安裝在行程開關常閉接點后（見圖11），當再出現同類短路故障時，已儲能指示燈將串聯在短路回路中，從而不會因行程開關內部短路造成保護裝置電源空開跳閘情況。分析如下：

1、已儲能指示燈改接在行程開關接點后，若再出現同類事件時（即S3行程開關34與26兩接點短接），情況如下：

此時回路串聯了已儲能指示燈，回路電流為額定電流，保護裝置電源空開及機構儲能電源空開不會發生跳閘，若接點一直無法恢復正常，則保護裝置不會發出“彈簧未儲能”信號。

2、若S3行程開關24與36兩接點發生短接，儲能電源正電會進入保護裝置，保護裝置報“彈簧未儲能”信號，保護裝置電源空開及開關機構儲能電源空開均不會發生跳閘。

從上述分析情況可以知道，將已儲能指示燈改接到S3行程開關常閉接點后能有效避免行程開關內部故障造成保護裝置電源空開跳閘情況發生。

（二）徹底處置措施

1、存量設備處置措施

將S3行程開關更換為常閉、常開接點完成獨立封裝結構的微動式行程開關，或增加一行程開關，將開關未儲能保護信號回路與開關機構已儲能指示燈回路完全區分開，徹底消除安全隱患。

2、新增設備處置措施

針對基建工程、技改工程，在設計審查、物資采購（簽訂采購技術協議時）時，提出必須將高壓開關柜保護裝置回路與其它二次回路完全分開要求，并在設備到貨、竣工驗收中嚴格把關，確保按要求落實到位。

五、結論

行程開關、輔助開關等二次元器件的結構、質量及配置方式將直接影響到電力設備的工況和電網的安全穩定運行;但因其價值低、數量多、廠家雜、型號繁多，往往在設備采購、竣工驗收、運維檢修及故障原因查找中被忽視，因此建議相關部門在修編設備技術規范時對二次元器件提出詳細、明確的技術參數要求，確保采購產品質量。同時，設計單位在開展設計時應詳細核對廠家提供的二次圖紙，二次元件結構和性能，確保設備控制、保護回路的安全可靠。

參考文獻

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