變電站10kV電容開關機構常見缺陷分析與處理

方澤彬,李新海,曾令誠,范德和,閆超,齊明,朱文吉

(廣東電網有限責任公司中山供電局，廣東 中山 528400)

1 引言

近年來，隨著電網規模擴大，用戶對電能質量要求不斷增高，系統無功補償動態需求高，對作為無功補償設備的電容器組可靠運行要求越來越高。在實際運行中，由于電容投切頻繁，10kV電容開關受電網AVC自動控制系統控制，單臺電容開關每天投切次數可達6次以上[1]，電容開關動作次數多，開關機構缺陷逐漸增多。

因此，本文著重分析10kV電容開關機構常見缺陷類型，探討其對應的處理方法及措施，旨在降低10kV電容開關機構缺陷率，實現對10kV電容開關運行可靠性的提升。

2 10kV電容開關常見缺陷及危害分析

在日常運行過程中，10kV電容開關機構發生的重大、緊急缺陷主要有控制回路斷線、儲能故障、機構合后即分、無法可靠分閘等。據統計，2017年～2019年中山供電局變電二所管轄54座變電站10kV電容開關共發生缺陷186項，其中上述重大、緊急缺陷共137項，占比為73.7%，其分布情況見表1。

如不及時采取有效措施，表1中重大、緊急缺陷將嚴重影響10kV電容開關可靠運行，造成無功補償可用率下降，母線電壓質量下降，影響10kV系統供電質量，嚴重者將導致10kV電容開關拒動、保護越級跳閘、10kV母線失壓、供電區域大面積停電事故發生。

表1 中山供電局變電二所10kV電容開關缺陷情況統計

3 10kV開關機構原理

因真空斷路器具有耐高壓、分斷性能強、電弧不外露、體積小、檢修維護方便，安全可靠、壽命長等優點，目前國內10kV電力系統主要采用VS1、ZN28、ZN11、ZN7等型號真空斷路器，上述真空斷路器機構結構及動作原理類同，其中VS1型真空斷路器應用范圍最廣，故本文以VS1型真空斷路器機構為例進行常見缺陷分析，并提出相應的檢修運維措施。10kV VS1型真空斷路器機構見圖1。

圖1 10kV VS1型真空斷路器機構

3.1 機構儲能

10kV開關機構儲能方式分為電動儲能及手動儲能兩種，均是通過拉伸合閘彈簧進行儲能。機構電動儲能是通過儲能回路給儲能電機通電，電機轉動帶動彈簧儲能，儲能到位后，儲能到位行程開關動作，切斷儲能電機電源，儲能標記指向已儲能位置，機構完成儲能過程。手動儲能時，使用手動儲能手柄插入儲能孔中，通過手動順時針旋轉來持續給合閘彈簧能量，直至儲能完成，儲能標記指向已儲能位置，實現彈簧儲能。

10kV開關配備的彈簧儲能機構工作機理為開關合閘后自動電動儲能，即開關完成一次合閘后，機構自動進行電動儲能，完成儲能過程，并為下一次分合閘提供能量準備。

3.2 合閘過程

10kV開關機構正常電動合閘操作是通過合閘控制回路實現。如圖2所示，在合閘控制回路中，S1為儲能行程節點，S2為合閘閉鎖節點，S3為開關位置節點，Y3為合閘線圈。正常運行時，當開關在分閘位置，常閉輔助接點S3處于閉合狀態；當開關在合閘位置，常閉輔助接點S3處于斷開狀態。開關遠方發合閘操作指令或就地進行合閘操作時，合閘控制回路導通，合閘線圈Y3帶電動作。如圖1所示，合閘線圈Y3帶電動作后其銜鐵撞擊合閘撥片，使半軸與儲能保持掣子脫離咬合，儲能保持掣子轉動，合閘彈簧釋放能量，帶動主軸轉動使滅弧室動觸頭進入合閘位置，并與半軸扣接，使機構保持在合閘狀態，同時拉伸分閘彈簧為分閘儲能。10kV開關位置由分閘轉為合閘后其常閉輔助接點S3斷開，從而斷開合閘控制回路，完成合閘。

圖2 10kV開關控制回路圖

3.3 分閘過程

如圖1所示，10kV開關合閘完成后其分閘回路常開輔助接點S4閉合，當10kV開關收到遠方或就地分閘操作命令時，分閘控制回路導通，分閘線圈Y2帶電動作，其銜鐵撞擊分閘裝置動作使合閘保持掣子與半軸脫扣，分閘彈簧釋放能量，帶動主軸轉動使滅弧室動靜觸頭分離，從而實現開關分閘。分閘過程后段，由分閘緩沖器吸收分閘過程剩余能量并限定分閘位置。

分閘過程完成后，輔助開關的常開輔助接點S4斷開，常閉輔助接點S3重新閉合。

4 10kV開關機構常見缺陷原因分析及處理

4.1 機械故障原因分析及處理

10kV開關常見機械故障包括復位彈簧復歸不到位導致合后即分故障及半軸卡滯導致拒分故障，具體原因分析及處理措施如下：

(1)復位彈簧復歸不到位導致合后即分故障原因分析

由10kV開關合閘原理可知，開關機構合閘成功的必要條件包括儲能正常、合閘閉鎖電磁鐵正常需帶電動作、合閘線圈能正常動作于合閘撥片，使半軸與儲能保持掣子脫離咬合，使得合閘彈簧釋放能量帶動主軸轉動完成合閘。合閘過程完成后通過復位彈簧回彈力驅動合閘撥片復位，因復位彈簧在長期頻繁動作后出現疲勞、變形損壞等，將導致合閘撥片復位不及時或不到位，儲能保持掣子無法到位與儲能到位滾輪進行有效咬合，機構脫扣導致合后即分，嚴重時機構將不停儲能后又脫扣，造成電機過熱損毀、機構齒輪盒損壞以及不停震動導致其他零部件松動等。

(2)半軸卡滯導致拒分故障原因分析

10kV開關分閘動作前，合閘保持掣子與半軸相互咬合扣接，當分閘線圈或手動分閘裝置動作，半軸正常轉動，帶動半軸與合閘保持掣子脫扣，實現機構分閘。當半軸兩側軸套有磨損或卡澀，將增大轉動阻力導致半軸轉動卡滯，無法分閘。

(3)機械故障處理措施

處理上述故障時，先觀察現象，進行機構泄能，在確保安全情況下，逐步檢查機構各個部位，結合缺陷情況進行深入分析，找出可能存在的原因進行處理。

在日常檢修時重點檢查機械轉動部位潤滑度是否足夠，可適當加涂雪油、黃油膏等潤滑劑以確保機構可靠運行，檢查各個系統模塊運轉是否正常，存在安全隱患的半軸、復位彈簧、軸套等機械部件需及時進行更換處理，消除隱患。

4.2 控制回路斷線缺陷原因分析及處理

造成10kV開關控制回路斷線的原因包括分合閘線圈燒毀、合閘閉鎖電磁鐵缺陷、二次接線接觸不良等，具體如下：

(1)分合閘線圈燒毀缺陷原因分析及處理

10kV開關的分合閘是利用給分合閘線圈帶電后產生的電磁作用，把電能轉化為機械能，使線圈的銜鐵撞擊分合閘操動機構，釋放彈簧儲存的能量達到開關分合閘的目的。而在10kV開關機構缺陷中，分合閘線圈燒毀的缺陷率占比大，也是導致控制回路斷線的主要因素之一。

正常情況下，10kV開關使用的分合閘線圈額定電流為1～2A，可承受電流不大于3A[2]，當線圈回路故障如繼電器卡澀等導致分合閘回路無法短時間內及時斷開，分合閘線圈則一直通電，由于分合閘線圈的線徑比較小，長時間通電將導致線圈過熱融膠，直至燒毀。線圈燒毀一般表現為開關在分(合)閘狀態下無法電動合(分)閘，此時后臺發控制回路斷線信號。

出現此類缺陷時可先檢查輔助開關連桿是否正常，并用萬用表進行逐步排查，檢查分合閘線圈有無燒融燒焦卡死、電阻值偏差多大(線圈電阻初值差不超過±5%)，處理時需恢復輔助開關連桿并將有問題的線圈進行更換。

(2)閉鎖電磁鐵缺陷原因分析及處理

10kV開關機構閉鎖電磁鐵包括合閘閉鎖電磁鐵及底盤閉鎖電磁鐵。閉鎖電磁鐵的作用是防止操作人員誤碰合閘回路造成事故或小車不到位合閘造成事故。在合閘回路中串接了閉鎖的常開輔助接點，只有合閘閉鎖電磁鐵帶電，合閘回路才導通。當開關操作電源空開未斷開或合閘閉鎖電磁鐵銜鐵運行時間長卡澀導致回路未斷開，合閘閉鎖電磁鐵長時間帶電發熱將導致其線圈受損或融膠，將直接影響合閘回路的正常通斷。底盤閉鎖電磁鐵線圈燒壞將導致開關小車不能正常搖至工作位置，后臺發控制回路斷線故障信號。

出現閉鎖電磁鐵故障的處理措施是更換新的閉鎖電磁鐵并檢查試驗合格。

(3)機構二次接線接觸不良缺陷原因分析及處理

10kV開關二次回路缺陷主要包括機構二次接線端子排接觸不良，二次接線的緊固螺絲松動，分合閘線圈接線存在松動導致接觸不良等，導致后臺發控制回路斷線信號。

開關機構尤其是電容開關機構動作頻繁，長期工況帶來的頻繁震動易引起二次接線端子排固定座松動、接線排插扣接不牢，這些均是導致二次接線排松脫的常見缺陷。在日常檢修時需對二次接線接點做緊固檢查，確保其可靠接觸，有損壞則需及時更換配件。分合閘線圈二次接頭與控制回路接線壓接頭也容易因震動而松脫，尤其是分閘線圈為垂直擺置，如夾緊力不夠(見圖3)且沒有采取防松脫措施，長期運行后，易導致分閘線圈接線松動、脫落。

圖3 10kV開關二次接線松脫掉落

為了解決此隱患，可采取焊錫固定技術對接線處進行加焊緊固，確保接線緊固無脫落。

圖4 加固錫焊垂直擺置的10kV開關分閘線圈

(4)輔助開關故障原因分析及處理

輔助開關是承載開關機構常開和常閉輔助接點的關鍵設備，用于反映開關主觸頭的分合狀態，其常閉常開輔助接點對二次控制回路的分閘、合閘、信號回路等起通斷作用，達到斷開或閉合開關回路的目的，并能正確發出位置信號、啟動裝置等。

實際使用中，中間推桿移位、接線端子松動，觸頭接觸不良、底座及封蓋斷裂等是輔助開關的常見缺陷，均可導致輔助開關失效，控制回路接點失靈，發控制回路斷線異常信號，嚴重者可能引發開關拒合、拒分事件及越級跳閘事故。本缺陷處理措施為更換輔助開關并檢查試驗合格。

4.3 儲能缺陷原因分析及處理

10kV開關機構電動儲能缺陷主要有儲能不到位、機械故障導致無法儲能及儲能電機空轉。

(1)儲能不到位缺陷原因分析及處理

10kV開關儲能回路中儲能到位行程開關(見圖1)是一種限位開關，其常閉接點串接于電機控制回路，用于切除電機電源(見圖2)。其位置調整不當將影響電機儲能，該行程開關通過固定螺絲固定且固定螺孔存在較大虛位，長期運行時固定螺絲可能松動而引起行程開關發生移位導致過早切除電機電源，從而導致儲能不到位。

因此，需檢查確認儲能行程開關接點切換是否正常，如儲能正常則可通過上下方向調整行程開關位置至合適位置，恢復機構正常儲能功能。

(2)機械故障導致無法儲能缺陷原因分析及處理

10kV開關儲能系統機械部分構成主要包括有儲能電機、齒輪盒、傳動鏈條、合閘彈簧等。而常見缺陷主要是儲能電機損壞、齒輪盒故障等將直接導致儲能失敗，造成開關無法正常分合閘。

在處理此類缺陷時，機構卸能確保可安全作業，然后由外往里逐個拆卸，一一檢查各模塊功能是否正常，存在損壞的則更換新的備品備件，因卡滯而轉動不暢的則可加涂潤滑劑進行維護，在機械轉動部位可加涂潤滑劑以確保轉動部位順暢。

(3)儲能電機空轉致燒毀缺陷原因分析及處理

若10kV開關控制儲能電機轉動的行程開關損壞或調節不到位，行程開關將不能起到相應的限位作用，致使在電機儲能到位后，控制回路無法切斷，電機一直空轉，電機繞組將一直通電發熱直至燒毀，伴隨異味、冒煙等現象發生，儲能到位指示燈不亮。

針對此類缺陷，須適當調整行程開關位置使其能夠準確切換，如行程開關已損壞，應及時更換。并進行5次以上儲能測試，經測試正常方能投入運行。

4.4 機構無法可靠分閘缺陷原因分析及處理

10kV開關機構分閘故障，首先對分閘控制回路進行檢查，通過檢查回路的相關接點逐個排查故障點，分閘回路常見故障主要是接點接觸不良、線圈損壞、分閘緩沖器故障等。

分閘緩沖器常見故障是漏油。10kV開關機構分閘時產生很大的動能，在分閘結束時如果不把這部分剩余能量充分吸收掉，將導致開關觸頭反彈，造成分閘失敗，同時過大的沖擊力會使機構磨損加劇。設置分閘緩沖器所起作用就是在分閘結束時可以吸收掉分閘彈簧的剩余能量，防止觸頭反彈，確保分閘成功。同時保護機構避免受到太大的沖擊，減少分閘彈振幅度。

目前，開關機構所使用的分閘緩沖器為油緩沖器(見圖5)，其結構包括圓柱形殼體，螺桿，活塞圓盤，內部有止動塞，彈簧及液壓油，止動塞上部為螺桿，下部為圓柱體。止動塞通過連接桿與動力件相連，活塞圓盤連有彈簧，彈簧壓縮在下部，周圍注滿液壓油。當連桿受擠壓向下運動時，活塞往下運動，內部液壓油壓力增大，活塞圓盤受擠壓瞬間陡增。

圖5 10kV開關機構分閘緩沖器

工況情況下，緩沖器活塞圓盤長期受開關機構頻繁動作影響，常出現螺桿卡滯或圓盤松動漏油的情況，當螺桿卡滯時，分閘緩沖器螺桿無法復位，開關分閘時，分閘緩沖器將頂住開關拐臂使其分閘不到位，分閘失敗，出現開關拒分，嚴重時將導致10kV母線越級跳閘。當活塞圓盤松動漏油，嚴重時將導致分閘緩沖器失去緩沖作用，分閘產生的巨大動能得不到有效化解，影響機構的機械壽命和可靠性。

日常停電檢修可通過以下措施檢查分閘緩沖器。當機構處于分閘時，檢查傳動軸是否緊壓緩沖器，分閘緩沖器是否處于壓縮狀態，有無滲漏油現象。當機構處于合閘時，檢查緩沖器是否回彈返回。對機構分、合閘時間及速度進行機械特性測試，檢測值是否符合規定值。

檢修時要加強對緩沖器進行檢查，檢查其固定頂蓋有無松動或漏油痕跡，如果已損壞，則應及時進行更換。

4.5 機構合閘缺陷原因分析及處理

10kV開關合閘狀態下，當合閘保持掣子與半軸扣接量不足，扣接量應在1.5～2.5mm范圍內，當扣接量小于臨界值1.5mm，長期運行中，易出現合后即分無法自保持現象。

合閘動能通過拉伸合閘彈簧提供，當合閘時如果半軸僅剛剛能將合閘保持掣子鎖住在合閘位置，那么在機構經過多次合閘、分閘操作后，相關部件發生磨損，開關合閘后合閘保持掣子與半軸出現咬合扣接量變少，當扣接量小于臨界值1.5mm時，半軸不能將合閘保持掣子鎖住在合閘位置，即出現機構自動脫扣分閘而無法保持合閘的缺陷。

因此，檢修或驗收開關機構時，要著重檢查合閘保持掣子與半軸扣接深度是否足夠，如接近臨界點，則可通過調節半軸轉動角度來提高兩者的扣接量，以確保合閘可靠保持。

10kV開關合閘的同時為分閘提供動能。當分閘線圈通電撞擊或手動按壓分閘裝置時，合閘保持掣子與半軸脫扣，開關分閘。同時分閘裝置在其復位彈簧的作用恢復到原先位置，等待下一次合閘。如出現復位彈簧彈力不足導致分閘裝置恢復不到位，機構將持續處于分閘動作有效狀態，機構出現合后即分現象。

在日常檢修時，可對機構所有的轉動部位進行細致檢查，看看有無變形、卡澀，加涂適量潤滑油減輕摩擦，確保開關可靠分合閘。

5 結論

本文對10kV開關常見缺陷危害與原因進行分析，提出了相應的運維處理措施，為變電檢修人員提供了有效的指導，有益于提升檢修人員的檢修水平，同時，通過相應措施可降低10kV電容開關缺陷率，提高10kV電力系統供電可靠性。