防止中壓永磁機構(gòu)開關(guān)拒動研究及應(yīng)用

神華國華九江發(fā)電有限責(zé)任公司 邢得富

目前我國電力系統(tǒng)及發(fā)電廠10kV電壓等級中壓開關(guān)應(yīng)用較多，近年來隨著電子技術(shù)以及新材料的發(fā)展，新型永磁機構(gòu)真空斷路器憑借其傳動機構(gòu)元件少、動作過程簡單、可靠性高、壽命長以及維護量小等特點，迅速得到推廣，現(xiàn)已應(yīng)用于各行各業(yè)。我廠為新建1000MW火力發(fā)電機組，廠用中壓配電系統(tǒng)全部采用YDDMB系列永磁機構(gòu)真空斷路器，雖然新型永磁機構(gòu)開關(guān)優(yōu)點突出，但是與傳統(tǒng)彈簧儲能優(yōu)質(zhì)品牌相比仍有不足之處需要完善，在調(diào)試期及商業(yè)運營初期均發(fā)生開關(guān)拒分缺陷，因處理及時幸未造成設(shè)備損壞和經(jīng)濟損失。

1 開關(guān)設(shè)備簡介及開關(guān)故障案例

火力發(fā)電廠中壓配電開關(guān)常采用10kV（6kV）真空斷路器（接觸器），常見開關(guān)品牌主要有ABB、西門子、施耐德等，傳統(tǒng)的中壓開關(guān)主要采用彈簧儲能和電磁鐵操作機構(gòu)，彈簧操作機構(gòu)由儲能電機、儲能彈簧、合閘、保持合閘和分閘幾個部分組成，優(yōu)點是不需要大功率的電源，但結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜、零件數(shù)量較多（約為200個），要求加工精度高、制造工藝復(fù)雜，成本高。電磁操作機構(gòu)結(jié)構(gòu)較簡單，但結(jié)構(gòu)笨重，合閘線圈消耗功率很大，對供電系統(tǒng)及機械結(jié)構(gòu)沖擊大。開關(guān)設(shè)備的故障率和其零件的數(shù)量成正比，降低開關(guān)傳動機構(gòu)數(shù)量可有效降提升工作可靠性，近年來在借鑒以上兩種操作機構(gòu)優(yōu)缺點的基礎(chǔ)上出現(xiàn)一種新型的操作機構(gòu)—永磁機構(gòu)，已廣泛應(yīng)用在各行各業(yè)，近年系統(tǒng)內(nèi)新建電廠均采用此類產(chǎn)品。

我廠廠用電電壓等級分為10kV、0.4kV兩種，分別采用YDDMB（YDDMFB）、YDDLB兩種型式永磁機構(gòu)斷路器，開關(guān)斷口采用真空滅弧方式，主要部件有線圈及永磁體、控制器（電子元件）、電容器、傳運軸等，動作過程簡單，用其做的開關(guān)零件比彈簧機構(gòu)減少80%，具有結(jié)構(gòu)簡單，體積小等特點。我廠機組廠用電系統(tǒng)于2017年6月份受電，開關(guān)受電后總體運行良好，調(diào)試期及商運初期發(fā)生幾起開關(guān)故障缺陷，低壓開關(guān)（YDDLB）5起，均為無法正常合閘，中壓開關(guān)（YDDMB）發(fā)生兩起拒分缺陷，因處理及時幸未造成重大設(shè)備損壞，因中壓設(shè)備故障時破壞較大，如不能及時退出將造成重大安全和經(jīng)濟損失，現(xiàn)重點對兩起中壓開關(guān)拒分案例進行介紹。

1.1 案例一

2017年09月05 日09：44分，啟動1B管狀帶式輸送機保持15Hz低速運行用于施工單位調(diào)整皮帶跑偏，15點40分左右通知輸煤程控停止運行，輸煤程控遠(yuǎn)程操作無法停運，聯(lián)系現(xiàn)場作業(yè)人員就地緊急停止，結(jié)果皮帶機速度降至最低速保持運行，現(xiàn)場緊急停止無效，隨后維護人員對開關(guān)進行檢查，發(fā)現(xiàn)高壓開關(guān)斷路器遠(yuǎn)方、就地均無法進行分閘，測量二次分閘信號已送入開關(guān)，開關(guān)未執(zhí)行跳閘動作，后續(xù)決定將10kV公用A段全部停電，采用停上級電源的方式強制開關(guān)退出停運。開關(guān)退出運行后緊急解鎖開關(guān)，將開關(guān)搖至檢修位對開關(guān)內(nèi)部進一步詳細(xì)檢查、并未發(fā)現(xiàn)明顯異常，再次對開關(guān)通控制電源進行動作測試，開關(guān)仍拒分，經(jīng)與廠家聯(lián)系后更換了開關(guān)控制器、電容器等部件，開關(guān)動作恢復(fù)正常。

1.2 案例二

2018年05月18 日04:32分，輸煤運行就地啟動7B輸煤皮帶調(diào)整皮帶跑偏。04:34分發(fā)現(xiàn)7B輸煤皮帶電機的制動器未松開，制動器和制動盤有摩擦現(xiàn)象。立即就地拉動7B輸煤皮帶的拉繩開關(guān)，發(fā)現(xiàn)7B輸煤皮帶未停止。就地按下7B輸煤皮帶電機的急停按鈕，發(fā)現(xiàn)7B輸煤皮帶仍未停止，就地按下7B輸煤皮帶制動器的合閘按鈕，發(fā)現(xiàn)7B輸煤皮帶電機的制動器也沒有松開，將7B輸煤皮帶電機的控制方式由就地切至遠(yuǎn)方，聯(lián)系主控制室遠(yuǎn)方停運7B輸煤皮帶，發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)方也無法將7B輸煤皮帶停止。

05:15分電氣一次維護人員接值長通知立即趕至10kV公用配電室。現(xiàn)場確認(rèn)開關(guān)在合閘位，儲能指示不亮，開關(guān)遠(yuǎn)方無法分閘，維護人員對外回路檢查完成并就地電動分閘無效后，于05:40分手動分開7B輸煤皮帶的高壓開關(guān)，后續(xù)開關(guān)搖至試驗位置進行開關(guān)分合閘操作，開關(guān)動作恢復(fù)正常。

2 開關(guān)拒動原因分析

發(fā)生兩起中壓開關(guān)拒分缺陷后，廠家技術(shù)人員到我廠分別對開關(guān)內(nèi)部元件逐一檢查分析。YDDMB型永磁機構(gòu)開關(guān)主要由線圈及永磁體、控制器（電子元件）、電容器、傳運軸等部件組成，影響開關(guān)拒分的部件有控制器、分合閘電容、線圈、傳動軸、接線端子、輔助接點、二次航空插頭，對兩臺開關(guān)部件檢查結(jié)果如下：

檢查開關(guān)傳動軸外觀無異常，手動分閘無卡澀，轉(zhuǎn)動部件潤滑良好，因永磁機構(gòu)特點，傳動部件極少，不易發(fā)生故障；檢查開關(guān)內(nèi)部接線端子，無松動、虛焊、絕緣破損現(xiàn)象，導(dǎo)通性良好，檢查無異常；測量開關(guān)輔助接點及底盤行程位置開關(guān)，開關(guān)動作正常，觸點電阻值均小于0.1歐姆，端子間絕緣電阻值大于500MΩ，多次動作測試測量值無變化，判斷該部件不易發(fā)生故障；檢查二次航空插頭，插針外觀無異常，插針與導(dǎo)線無虛焊現(xiàn)象，線間絕緣大于500MΩ，插入工作位置，導(dǎo)通良好，檢查結(jié)果正常。

檢查勵磁線圈直阻，與同類型開關(guān)線圈阻值對比相同，絕緣值大于500MΩ，多次通電試驗動作正常；檢查分合閘電容，電容充放電特性正常，電容充滿電后電壓顯示正常；對控制器解體檢查，內(nèi)部主要為電子元件，因開關(guān)分合閘產(chǎn)生振動，為防止電子元件受振動損壞，部份元件及電路板部分區(qū)域采用涂膠加固，因現(xiàn)場不具體檢測條件同時涉及產(chǎn)品商業(yè)機密，控制器返廠進行性能檢測，檢測結(jié)果未見明顯異常，但未排除導(dǎo)致開關(guān)拒動的可能性，同時廠家對控制器本體澆筑式插頭、插座進行了解體檢查，發(fā)現(xiàn)細(xì)小金屬絲，初步判定為組裝時錫焊殘渣，同時未排除導(dǎo)致開關(guān)拒動的可能性。

根據(jù)上述檢查結(jié)果綜合分析，因控制器為電子電路元件，受溫度、濕度影響較大（調(diào)試期配電室空調(diào)未設(shè)入），部份元件及電路板部分區(qū)域采用涂膠加固、影響元件散熱，電子元件易損壞。同時電子元件存在“沐盆曲線”特性，至使產(chǎn)品使用一段時間后存在故障損壞概率。結(jié)合本廠低壓開關(guān)（YDDLB）拒動（控制器損壞）原因分析，YDDMB型永磁機構(gòu)開關(guān)拒動原因初步判斷為控制器失效損壞所致，后續(xù)開關(guān)更換控制器、電容器后開關(guān)分合閘動作正常，未再發(fā)生拒分現(xiàn)象。

3 防止中壓永磁機構(gòu)開關(guān)拒分的方案及應(yīng)用

YDDMB系列新型永磁操動機構(gòu)其元件極少，動作過程簡單，用其做的開關(guān)零件比彈簧機構(gòu)減少80%，從而降低機構(gòu)及開關(guān)方面的故障率，永磁機構(gòu)開關(guān)雖然機構(gòu)元件很少，但為實現(xiàn)電力儲能及合、分閘控制增加了電子控制器部件，此裝置為電子元件組成，電子元件正常工作極易受溫度、濕度、電壓、電流以及本身使用壽命影響，一但損壞將直接導(dǎo)致開關(guān)拒動（我廠1B管帶機、7B管帶機開關(guān)在調(diào)試期均發(fā)生拒動問題）且不易發(fā)現(xiàn)和排查，控制器部件不穩(wěn)定性直接降低了開關(guān)可靠性，我廠YDDMB（YDDMB）開關(guān)總計164臺，主要負(fù)責(zé)變壓器及10kV電機供電，一但設(shè)備發(fā)生故障同時開關(guān)不能立即分?jǐn)啵瑢⒃斐芍卮蟀踩敖?jīng)濟損失，直接影響機組安全穩(wěn)定運行，解決永磁開關(guān)拒分閘問題勢在必行。

3.1 解決方案

為解決開關(guān)拒分問題，專業(yè)技術(shù)人員共提出了兩套解決方案備選，方案一為在開關(guān)外柜門手動分閘操作口處設(shè)計加裝電動分閘裝置，用電動裝置代替人力手動分閘、不改變開關(guān)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，此方案電動裝置執(zhí)行分閘動作過程中存在固有分閘時間較長的問題，而且分閘時間分散性較大，分閘時間過長將導(dǎo)致設(shè)備故障損壞加大，同時分閘時間過長將導(dǎo)致開關(guān)保護與上級保護時間不匹配，無法滿足保護時間級差要求，開關(guān)將發(fā)生越級跳閘問題，造成擴大停電范圍等后果，可靠性仍不高，故此方案未予采用。

根據(jù)以上分析可知，開關(guān)控制器為最薄弱部件，其它部件可靠性較高，方案二以防止控制器失效為技術(shù)突破口，以此來達(dá)到防止開關(guān)拒分的目的，經(jīng)與廠家技術(shù)人員溝通并獲得技術(shù)支持，在此方案中新發(fā)明設(shè)計一套緊急分閘裝置，當(dāng)開關(guān)原有控制器或其它元件故障時，緊急分閘裝置直接輸出電壓作用到分閘線圈，越過控制器執(zhí)行跳開開關(guān)動作，從而提高開關(guān)分閘可靠性，以及避免開關(guān)拒動造成的設(shè)備損壞和經(jīng)濟損失，方案詳細(xì)如下。

緊急分閘裝置安裝在10kV中壓開關(guān)柜上部二次控制室內(nèi)，電源取自控制電源DC110V，同開關(guān)本身控制電源同源，輸入、輸出線通過端子以及航空插頭接入開關(guān)內(nèi)部動作線圈上，開關(guān)執(zhí)行分閘命令時，緊急分閘裝置與開關(guān)控制器同時接收分閘信號，裝置內(nèi)部設(shè)有延時模塊（通電延時70～100ms）和開關(guān)分合位置檢查接點，正常分閘時緊急分閘裝置并不參與動作輸出跳閘，其輸出電壓采用物理接點隔離。

當(dāng)原控制器故障時，雖接收到分閘指令，但不能正常輸出電壓驅(qū)動勵磁分閘線圈動作，此時緊急分閘裝置自收到分閘指令后開始計時，當(dāng)計時時間到后同時檢測開關(guān)在合閘位，裝置直接輸出電壓對跳閘線圈勵磁執(zhí)行分閘動作。緊急分閘裝置動作輸出后，同時發(fā)出信號閉鎖原開關(guān)合閘控制回路，防止開關(guān)在緊急分閘動作中執(zhí)行合閘命令，造成控制回路短路。緊急分閘裝置本身帶自鎖及報警提示，也可輸出開關(guān)量用于遠(yuǎn)方監(jiān)視和判斷，便于維護人員故障判斷和原因查找。該裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、響應(yīng)速度快、時間精度高、自動化程度高、動作可靠等特點。

圖1 緊急分閘裝置動作原理圖

2019年1 月緊急分閘裝置樣品設(shè)計生產(chǎn)完成，現(xiàn)場在備用間隔安裝開展試驗傳動，經(jīng)過反復(fù)試驗驗證，各項傳動試驗結(jié)果達(dá)到預(yù)期設(shè)計目標(biāo)及要求。我廠2號機組擴大性C修期間對廠用10kV2A、2B段共52臺開關(guān)首批加裝了緊急分閘裝改造，現(xiàn)場運行時間已超過一年，改造后裝置動作可靠性、準(zhǔn)確性達(dá)到100%，永磁機構(gòu)開關(guān)未發(fā)生拒分缺陷，有效提升開關(guān)設(shè)備可靠性。

3.2 其它管理提示

永磁開關(guān)控制器為電子元件，且受制造工藝、溫度、濕度影響較大，我廠地處長江中游區(qū)域，天氣較炎熱、雨水較多，在調(diào)試期間配電室空調(diào)未及時安裝，室內(nèi)溫度較高，此區(qū)間多次發(fā)生控制器故障損壞缺陷，后續(xù)配電室空調(diào)、除濕機投入運行后此類問題未再發(fā)生。跟據(jù)運營維護經(jīng)驗，建議永磁機構(gòu)開關(guān)配電室運行溫度不超過28℃，濕度不大于80%。我廠使用永磁機構(gòu)開關(guān)數(shù)量較多，中、低壓開關(guān)合計使用近500臺，因開關(guān)控制器為電子元件產(chǎn)品、均存在“沐盆特性”，在使用一段時間后存在故障損壞概率，建議與廠家開展控制器產(chǎn)器質(zhì)量篩選研究，進一步提高產(chǎn)品質(zhì)量及合格率。

注意電壓波動對控制器的影響，我廠廠用電受期間因受外部因素影響，采用施工電源受電，其容量較小（7900kVA）、線路較長、電壓變化較大、諧波分量較多，對電子元件使用壽命有一定影響；產(chǎn)品本身制造質(zhì)量控制，目前我廠發(fā)生的幾起開關(guān)缺陷已及時通報廠家，廠家正在不斷進行產(chǎn)品質(zhì)量研究、優(yōu)化設(shè)計，提升產(chǎn)品可靠性以及智能化程度，后續(xù)將密切跟蹤新立品研發(fā)進展，及時更換可靠性更高的控制器部件；本廠開關(guān)控制及分合閘儲能電容均為電子類產(chǎn)品，理論上應(yīng)有使用壽命要求、按周期進行更換，廠家說明書中未明確維護更換時間，建議各用戶及時與開關(guān)生產(chǎn)廠家聯(lián)系，明確電子類部件更換周期，在部件壽命到來前進行有計劃更換，以保證開關(guān)可靠性。

4 結(jié)語

綜上所述，YDDMB系列中壓開關(guān)憑借著永磁操動機構(gòu)其元件少、動作過程簡單、可靠性高，壽命長以及維護量小等特點近年來被快速應(yīng)用于各行各業(yè)，但是與傳統(tǒng)的彈簧儲能優(yōu)質(zhì)品牌相比仍有不足之處需要完善。本文僅對我廠發(fā)生的幾起開關(guān)拒分問題進行了原因分析，并提出了相應(yīng)的解決方案與管理提示，由于樣本存在一定局限性，原因分析僅代表我方意見，不作為其它用戶同類產(chǎn)品缺陷判定依據(jù)。