試析斷路器機械故障及其成因

南方電網德宏供電局 羅光鴻 何順全 羅啟俊 許國龍

目前，我國市場上消費量較多的是真空斷路器和SF6斷路器。真空斷路器以及部分SF6斷路器特別是220kV以內電壓級別的SF6一般均采用彈簧機構，220kV以上電壓級別的SF6斷路器基本采用液壓機構抑或液壓彈簧機構?；跈C構的區別，斷路器形成了工作模式的差別，但它們的結構沒有根本的區別，僅為工作形式有所不同[1]。斷路器機械特性故障分為三種，即拒動、誤動和其他故障等。分析其故障成因較多，大體可分為兩類，一類為斷路器機械性能降低、劣化導致的故障，另一類為由于斷路器二次回路產生的故障[2,3]。以下分三方面對斷路器機械故障進行探究，并對其產生的原因進行剖析。

1 斷路器拒動故障及其成因

斷路器的拒動故障是設備故障之一，指斷路器設備在繼電保護及安全自動裝置動作或在操作過程中拉合控制開關并發出工作指令時拒絕動作。該故障主要分為兩種，即拒分和拒合。通常情況下，斷路器的拒合故障出現于檢修前后，也可以出現在斷路器故障更換其他輸電線路供電的情況下，所以該故障僅為局部一臺斷路器出現問題，并不會因此較多影響其他線路。相較而言，線路中發生的拒分故障能夠較大地影響到系統的安全運行，可形成上一級斷路器跳閘，這也被叫做“越級跳閘”，出現這種情況會擴大事故停電范圍，嚴重的會形成系統解列，并能夠形成大范圍停電的重大事故。所以我國的檢修單位對于拒分故障的重視程度較高[4]。

分析斷路器拒動的成因較多，控制回路中線路、元器件以及儲能機構等出現問題后，均可形成斷路器的拒動，而機械故障會較多引發電氣故障。故此，分析發生拒動故障的成因不能僅僅單一分析電氣問題或單一分析機械故障，可從以下原因進行剖析：

斷路器無法響應分合閘指令。是指線路兩端均有電壓但無電流通過，故障成因主要為端子脫落、航插插針變形或插入不夠、線路斷線等問題，這些情況的形成主因是控制回路中有斷點，回路不能導通，形成推動故障。這類故障可歸納成人為因素和電氣性能因素。如端子脫落、航插插針變形、航插插入不夠等均可歸為人為因素導致的線路斷路問題，針對這種情況，要加大人員培訓力度、調整作業流程，可以有效避免此類情況發生；如線圈燒毀、端子氧化等均可歸為電氣性能因素，針對該情況，未出現問題時不易發現，可采用穩態電流變化對斷路器實施檢測。

斷路器無法執行分合閘動作。分析斷路器拒動的另外成因為機械性能劣化，可形成在合閘指令已經傳遞到分合閘線圈時，機械部件不能實施分合閘動作。機械性能劣化引起的拒動故障可歸納為兩類：一類成因于電磁鐵、脫扣板等脫扣有關機構的卡澀；另一類成因是雖然脫扣機構正常執行動作，但卻不能將能量傳遞到動觸頭上，該類型的問題應歸為傳動機構故障。如出現絕緣拉桿斷裂問題，則斷路器不能把儲能機構中的能量傳遞到動觸頭，所以輔助開關也不能工作。如有傳動機構卡澀的問題，則斷路器的觸頭啟動時間將變慢，大多數情況下斷路器動觸頭動作后輔助觸點開始工作，由此在傳動機構引發了輔助開關切換的時間一并變慢。

2 斷路器誤動故障及其成因

這里所探究的誤動故障是指斷路器在沒有接收到動作指令時即發生動作，其中涵蓋了保護跳閘、偷跳、合后即分等非人為因素形成的斷路器動作?，F階段，在傳統預防性試驗時不應脫扣，斷路器分閘脫扣器的最低動作電壓處在額定電壓的30%～60%之間，合閘最低動作電壓處于額定電壓的30%～80%(交流為85%)之間。國家標準（如GB11022和DL/T596）明確規定了斷路器最低動作電壓，對于30%及以下額定電壓不應脫扣的要求，目的是防止電力設備干擾引起的斷路器誤動作。在實際工作中，即使對于斷路器誤動的試驗較為精細，卻仍然發生較多的斷路器誤動問題[5]。

在分析斷路器誤動的成因時，發現該故障的發生與拒動十分相似，其原因主要為操作機構無法保持狀態或電氣部分受到干擾或出現問題。

操作機構無法保持狀態。斷路器設備的機械部件是由簡單自由度為1的四連桿機構組成的，分合閘保持摯子是用來限制斷路器運動的，可以理解為在四連桿機構的主動軸上加上了約束，使其自由度變為0。而斷路器誤動的成因源自其機械結構無法保持住狀態，四連桿機構的約束不能制止主動軸的運動，四連桿機構的自由度可回歸為1。當儲能部件恰處在儲能完成狀態，那么就會使斷路器形成誤動。

電氣受到干擾或出現故障。在正常情況下斷路器分合閘回路為斷路狀態，在工作中，下達動作指令后，分合閘回路才會形成聯通。在分合閘動作完成時，機械結構會將分合閘回路切斷。在異常情況下，斷路器元器件會受到干擾，導致分合閘回路處于聯通狀態，進而使斷路器執行分合閘動作。此外，變電站斷路器布局也會對其產生影響，如布局緊湊，在母線帶電時磁場范圍內的導線可形成感應電，在國家標準中，對于對斷路器最低動作電壓也有明確規定，即處于30%工作電壓以下時斷路器不可實現分合動作，主要是為避免感應電對斷路器造成影響而形成誤動。

3 斷路器的其他問題

斷路器與機械特性相關的故障問題，在拒動與誤動以外還存在某些情況不會影響斷路器的正常工作、卻對斷路器的使用壽命有影響。如斷路器在動、靜觸頭接觸前或分開后有產生電弧的情況，合閘速度過低將使預擊穿時間延長，而分閘速度過低會使分閘時拉弧變長，這兩種情況即分閘時的拉弧以及合閘時預擊穿所產生的電弧均可燒毀斷路器的觸頭，嚴重地妨害斷路器的使用壽命。除了以上對斷路器產生的情況，電磁鐵絕緣也會導致產生拒動誤動，長時間使電磁鐵帶電可使斷路器線圈的功能性降低，匝間短路將使通過線圈的電流較大，會燒毀線圈并且使斷路器出現拒動問題，最低的動作電壓降低會使斷路器產生誤動問題。

工作流程方面來看，斷路器出現故障主要是出現在電氣部分執行操作指令、機械結構動作及斷路器實施分合閘動作等步驟。其中，機械結構動作還可以細分，主要分合閘脫扣機構動作和傳動機構動作。

在斷路器每次工作時，其儲能電機會對斷路器實施儲能操作，這項動作可以使斷路器在下次工作時能夠穩定地實施分合閘指令。斷路器的分合閘速度過低主要存在于以下兩種原因：一方面，斷路器儲能機構存有缺陷，可使轉化為觸頭動能的能量不足，造成斷路器速度降低；另一方面，儲能能量較為正常，斷路器機構卻運行不夠流暢，致使儲能機構存儲的能量需要分出較多能量來抵消卡澀所需，致使不能提供足夠的能量轉化為觸頭動能。

4 結語

從以上分析，斷路器拒動、誤動和其他故障會造成斷路器機械故障。本文深入剖析了導致斷路器機械故障的成因，并可為斷路器故障檢測提供借鑒。