12kV真空断路器闭锁失效故障分析及改进方案_杨俊明.pdf

12 kV真空断路器闭锁失效故障分析及改进方案杨俊明1，游一民1，戴冬云1，黄小鹰1，谢锦鹏2（1.厦门理工学院电气工程与自动化学院，福建 厦门361024；2.斯玛特思电气有限公司，福建 厦门361024）摘要：在发电厂的实际运行中，真空断路器作为投切给水系统和冷却系统的控制开关而频繁操作，容易造成机械磨损老化，从而引发五防闭锁失效、合闸线圈烧损，甚至可能导致发电厂停电停工。文中通过阐述五防闭锁中防止断路器合闸失误的原理，进而分析发电厂断路器五防闭锁失效故障原因，并对合闸线圈的闭锁故障电流波形及其特征值进行对比分析。据此提出了针对该五防闭锁失效故障的3种改进方案，并进行对比分析。最终选择微动开关与接近开关作闭锁舌片位置双确认的方式进行故障预警，实现直接避免闭锁失效引起的合闸线圈烧损等一系列事故。关键词：高压真空断路器；五防闭锁；合闸线圈烧损；故障分析；故障策略Lockout Failure Analysis and Improvement Strategy of 12 kV Vacuum Circuit BreakerYANG Junming1，YOU Yimin1，DAI Dongyun1，HUANG Xiaoying1，XIE Jinpeng2（1.School of Electrical Engineering and Automation，Xiamen University of Technology，Fujian Xiamen 361024，China；2.Xiamen SMTS Intelligent Electric Co.，Ltd.，Fujian Xiamen 361024，China）Abstract:In the actual operation of the power plant，vacuum circuit breaker，as the control switch of the switchingwater supply system and the cooling system，is frequently operated，which is prone to cause mechanical wear and aging and，eventually，failure of fiveprevention lockout，burning of the closing coil and even power outage of powerplant.By way of explaining the principle of preventing closing fault of circuit breaker in the fiveprevention in this paper，the reasons for the failure of the fiveprevention lock out of the circuit breaker of the power plant is analyzed.Furthermore，the lockout fault current waveform and its features of the closing coil are compared and analyzed.Onthis basis，three kinds of modification proposals for the fault of the fiveprevention lockout are proposed，comparedand analyzed.Finally，the micro switch and the proximity switch are selected as the double confirmation of the latching tongue position for fault early warning，which can directly avoid a series of fault as burning of closing coil due tothe failure of the lockout.Key words:high voltage vacuum circuit breaker；five prevention lockout；burning of closing coil；failureanalysis；failure strategy0引言高压真空断路器具有体积小、重量轻，开断能力强，开断时间短，使用寿命长、结构简单，维修工作量小，适合于频繁操作和快速切断等特点1-6。适用于投切各种不同性质的负荷及频繁操作的场所，大量地被发电厂、工矿企业及变电站等企业应用于保护和控制7-9。eVB系列户内真空断路器的主回路采用固封极柱结构，具有绝缘强度高、低温升、抗凝露、抗污秽、造价低、产品可靠性良好等特点，适合在温湿地区使用10-11。真空断路器广泛地应用于发电厂和核电站中，用于投切给水系统、冷却系统，属于频繁动作的开关电器，故容易造成机械磨损，从而引起开关第59卷第7期：018601922023年 7月16日High Voltage ApparatusVol.59，No.7：01860192Jul.16，2023DOI:10.13296/j.10011609.hva.2023.07.020_收稿日期：20230111；修回日期：20230316技术讨论故障。高压真空断路器常见的故障主要表现为，断路器误分误合、直流电流电阻增大、分合闸异常、触头行程故障、机械连锁故障等12-15，引起此类故障的主要原因有触头烧蚀、分闸速度降低、分闸弹簧疲劳、机构传动部件或开关本体磨损或变形等。文中针对由于eVB系列户内真空断路器的五防闭锁设计缺陷导致发电厂停电停工事故，进行了故障分析。首先阐述了五防闭锁中防止合闸失误的机械闭锁与电气闭锁原理，再对断路器底盘车推进到工作位置后合闸闭锁未能解锁的机械故障进行分析。通过对合闸线圈电流与铁心运动状态进行研究分析，确定发生闭锁故障时的合闸电流导通时间阈值。并针对闭锁舌片未解锁与合闸线圈烧毁问题提出了3种五防闭锁改进方案。1高压真空断路器的五防闭锁动作原理在发电机组的运行过程中，对开关的误操作轻则造成设备故障设备停运，严重的可能会造成人员伤亡及重大事故。因此，开关柜引入“五防”闭锁设计是电力设备安全运行、操作人员生命安全的重要保障。“五防”闭锁功能包括：防止误分、误合断路器；防止带地线合闸送电；防止带负荷拉合隔离开关；防止误入带电隔室；防止带电挂合接地线或接地开关。其中为防止误分、误合断路器是通过机械与电气闭锁共同实现16。防止断路器合闸失误的机械闭锁是通过限制断路器推进到工作位置时才允许合闸实现的。真空断路器侧视图见图1，通过摇动底盘车手把转动底盘车传动丝杆4，推动底盘车运动，当断路器底盘车未到达试验位置或工作位置时，合闸闭锁舌片3阻挡了合闸铁心联动片1，使其无法转动，又由于合闸铁心联动片与合闸电磁铁动铁心固定连接，动铁心运动行程受限，无法顶开合闸保持挚子，无法合闸。当断路器底盘车推进到试验位置或工作位置时，闭锁舌片在弹簧的作用下落入底板上的孔中，闭锁舌片下移大约2 mm的位置，让开了合闸铁心联动片的运动轨迹，实现合闸解锁。当合闸线圈带电合闸时，合闸铁心联动片可无阻碍转动，合闸脱扣器的动铁心运动，推动合闸保持挚子，实现合闸操作。防止断路器分、合闸失误的电气闭锁是通过在开关柜二次控制回路中，对断路器的辅助接点及脱扣器、底盘车闭锁开关等设备进行一系列“与”和“或”的逻辑闭锁控制实现的17。断路器底盘车电气闭锁原理图见图2，为实现断路器分合闸操作与底盘车位置形成闭锁控制，分别在分合闸回路串联底盘车连锁开关DS。当底盘车未到达工作位置时，DS1为常开状态，无法实现合闸操作。只有当底盘车到达工作位置时，DS1闭合，合闸线圈通电，合闸脱扣器推动合闸铁心联动片，断路器完成合闸。同时，断路器位置转换开关的常闭接点断开合闸回路。图2断路器底盘车电气闭锁原理图Fig.2Schematic diagram of electrical locking of circuitbreaker chassis2合闸闭锁失效故障分析高压真空断路器机械闭锁与机械结构的可靠性、制造工艺及材料有着密不可分的关系。底盘车合闸闭锁失效故障实物图见图3，随着产品运行年限的增加，闭锁系统中的零部件发生了不同程度的机械磨损，致使断路器手车已经到达工作位置，但闭锁舌片未按预定的模式下沉，导致未能实现合闸解锁。当开关接收到合闸命令，合闸线圈带电，驱动铁心动作，由于闭锁舌片的阻挡，合闸电磁铁未能触及合闸挚子而无法实现开关合闸，从图1高压真空断路器的结构简图Fig.1Structure diagram of high voltagebreaker contactor技术讨论杨俊明，游一民，戴冬云，等.12 kV真空断路器闭锁失效故障分析及改进方案 1872023年7月第59卷第7期而造成负责切断合闸线圈回路的断路器辅助开关未能动作，合闸线圈在通流时间过长的情况下烧损，引发故障。图3底盘车合闸闭锁故障实物图Fig.3Physical diagram of chassis vehicle closing andlocking failure3合闸线圈电流分析高压断路器分、合闸过程的电流波形包含着丰富的信息。通过对线圈电流波形的分析能得出铁心的运动行程信息，根据电流波形和电流信号的一些特征还能够推断铁心运动是否有卡滞、拒分、拒合、脱扣等故障18-19。合闸线圈回路的正常合闸电流曲线图见图4，通过分解开关从分合闸线圈接收动作命令到开关动作完毕整个过程，得到其动作过程的线圈电流波形由I1、I2、I3特征值和动作时间t1、t2、t3、t4、t5组成。图4合闸电流曲线图Fig.4Closing current curve通过对合闸线圈回路建立等效电路图进行分析，可将合闸线圈电流波形分为以下5个阶段20-23：1)在t0t1时期，由于线圈电感的影响，电流上升，电磁铁吸力也逐渐增大，在t1电流增大至动作电流I1，铁心开始动作。2)在t1t2时期，铁心运动，电流在反电动势作用下开始下降，在t2时刻铁心停止运动，电流下降至谷点I2。3)在t2t3时期，铁心停止运动，等效电路再次变为阻感电路，线圈电流按指数规律上升，直至t3时刻达到稳态电流I3。4)在t3t4时期，铁心静止不动，根据合闸线圈回路微分方程的电流特解可知此时电流进入稳态。5)在t4t5时期，断路器辅助开关切断合闸回路，电流快速下降，铁心电磁吸力下降，在脱扣器弹簧作用下铁心归位。通过对某品牌eVB12真空断路器合闸电流与闭锁失效故障下的合闸电流进行采集对比，得到图5底盘车闭锁失效故障合闸电流曲线波形对比图与表1特征值对照表。当出现断路器合闸铁心联动片因闭锁舌片未下沉而卡涩，导致合闸失败时，铁心未能按照预定运动轨迹达到最大行程，电流未能下降至谷点电流I2便转而上升至稳态电流。在t4时刻，断路器由于未能完成合闸的状态转换，导致位置开关未能及时切断合闸回路，合闸电流持续导通。图5闭锁失效故障合闸电流曲线对照图Fig.5Contrast diagram of closing current curve ofblocking failure fault表1合闸回路电流曲线特征值对照表Table 1Comparison table of characteristic value ofcurrent curve of closing circuit特征值t1/mst2/mst3/mst4/mst5/msI1/mAI2/mAI3/mA正常合闸39571421682152 7762 0854 887闭锁失效故障下合闸40561382 7462 0694 911通过底盘车闭锁失效故障波形的分析及合闸实验数据，可知如果合闸回路电流持续导通超过300 ms，此时底盘车的合闸闭锁系统一定发生了故障，故将切除合闸回路的阈值设定为300 ms。1884闭锁失效解决方案文中从二次控制回路出发，针对断路器底盘车推进到位后，合闸闭锁未解锁，从而导致合闸回路电流持续导通线圈烧损故障，提出以下3种电气闭锁改进方案以提高“五防”闭锁防止合闸失误闭锁的可靠性。4.1 方案一：串接继电器切除合闸回路该方案引入继电器K1回路和传感器数据处理终端SIM500回路。SIM500用于合闸回路电流波形采集及处理，并在合闸线圈回路串接K1的常闭接点作为断路器位置转换开关DL在闭锁失效时未能正常切断合闸线圈回路的替代分断开关。该方案的原理图见图6，在传感器数据处理终端SIM500的节点J12：1与节点J14：5之间串接继电器K500作为继电器K1回路的触发开关。在继电器K1回路中，将K500的常开接点与K1的常开接点并联，然后串联点动开关S10构成继电器K1的起保停回路。最后，在合闸线圈回路中将K1的常闭接点串联在微机保护F1的节点XC1-14与断路器的A2节点之间。图6合闸回路串接继电器原理图Fig.6Schematic diagram of series connection relay ofclosing circuit在实际运行中，当发出合闸指令时，合闸线圈HQ得电，合闸脱扣器动作，同时传感器数据处理终端SIM500对合闸回路电流进行波形监控。此时若合闸闭锁舌片未成功下沉到位，将无法释放合闸储能弹簧，断路器合闸失败。断路器位置转换开关DL无法切断合闸回路，合闸回路电流持续导通直至达到设定的阈值，SIM500触发继电器K500动作并向运维人员发出闭锁故障告警信号，K500常开接点闭合，继电器K1回路导通并保持。此时合闸线圈回路的K1常闭接点替代转换开关DL分断合闸回路，保护合闸线圈不被烧损。待运维人员确认闭锁故障后，按下点动开关S10，恢复合闸回路K1常闭接点，检修合闸失败故障。4.2 方案二：串联脱扣器线圈保护装置该方案引入开关设备脱扣器线圈保护装置，该脱扣器线圈保护装置是由并联的延时模块、开关模块和阻抗模块构成，并与线圈进行串联，其电路原理图见图7。其中开关模块为常闭开关，在延时模块达到设定值时断开。在线圈通电后，延时模块开始计时，达到设定阈值后开关模块切开线路，同时阻抗回路接入控制回路，使控制回路电流降低，防止合闸线圈发生烧损24。图7线圈保护装置原理图Fig.7Schematic diagram of coil protection device该方案通过合闸故障电流持续导通的特点引入开关设备脱扣器保护装置，利用线圈保护装置的延时模块判断是否产生合闸失败下的故障电流。相较方案一，该方案节省了继电器K1回路与SIM500传感器终端处理回路。脱扣器线圈保护装置集成了继电器分断回路与电流导通时间判断的功能，降低了成本与设备安装难度。该方案原理图见图8，在合闸线圈回路中将线圈保护装置BH1串联在微机保护F1的节点XC1-14与断路器的A2节点。图8合闸回路串接脱扣器保护装置原理图Fig.8Schematic diagram of the protection device of thetripping device connected in series in the closing circuit在实际运行中，当发出合闸指令时，合闸回路导通，合闸线圈HQ得电，合闸脱扣器动作，同时线技术讨论杨俊明，游一民，戴冬云，等.12 kV真空断路器闭锁失效故障分析及改进方案 1892023年7月第59卷第7期圈保护装置的延时模块开始计时。若发生闭锁失效故障，必将导致合闸失败，断路器位置转换开关DL的常闭接点将无法及时切断合闸回路。在电流持续导通达到设定阈值时，脱扣器线圈保护装置动作，开关模块切开线路，其阻抗模块迫使合闸线圈回路电流大幅下降，保护合闸线圈不发生烧损。4.3 方案三：采用接近开关与微动开关进行到位判断微动开关是具有微小接点间隔的快动机构，外部的机械力通过传动元件将规定力与行程作用于动作簧片上，当动作簧片位移到临界点时产生瞬时动作。具有触点间距小、动作速度快的特点25-26。接近开关由震荡电路、晶体管开关电路、输出器等电路组成，在金属靠近其探头时能发出电信号，具有无需接触、可靠性好、定位精准、频率响应快等优点27-28，但是无校验机制，存在一定误触发或不触发的概率29。该方案为避免微动开关或接近开关单一传感器误触发或不触发引起故障误判，故在闭锁舌片的不同位置安装了微动开关与接近开关对闭锁舌片的位置进行双确认位置监测。运维人员在进行合闸操作前可对闭锁舌片进行位置确认，做到故障预判，直接避免因闭锁失效时发出合闸命令导致线圈烧损等故障。该方案的原理图见图9，在传感器数据处理终端SIM500的节点J14：1与节点J14：2之间串联微动开关CGQ1，同时将接近开关CGQ2串联在SIM500的节点J15：1与节点J15：2之间。机械安装示意图见图10，通过多功能传感器固定板将微动开关固定在闭锁舌片左侧，接近开关安装于闭锁舌片正前方。通过螺栓将微动开关驱动板与闭锁舌片进行固定连接，从而可从驱动板的位置判断闭锁舌片位置状态。图9微动开关与接近开关接线回路原理图Fig.9Schematic diagram of micro switch wiring circuit在进行合闸操作前，通过SIM500终端进行逻辑判断，当CGQ1与CGQ2对闭锁舌片位置判断均为下沉到位，则输出允许合闸命令；当CGQ1与CGQ2对闭锁舌片位置判断不一致时，提示运维人员检查传感器运行环境；当CGQ1与CGQ2对闭锁舌片位置判断均为未下沉到位，而底盘车位置在工作位上，则发出闭锁故障预警，不允许合闸操作。5方案对比与实际安装方案一引入继电器回路及传感器数据集中处理终端回路，能够对合闸回路电流波形起到有效监控并能及时发出故障信息，但成本高、二次控制回路改动较大。方案二仅在合闸回路串接脱扣器线圈保护装置，相较方案一改造成本低、接线方便，但只对线圈进行了有效保护，未能发出故障信息。方案一、二均是在二次电气控制回路进行改进并未涉及闭锁舌片的位置状态监测。方案三从闭锁舌片位置的状态监测出发，二次控制回路增加了位置传感器，能够有效的在闭锁失效故障发生前发出故障预警，但需在操动机构中加装传感器固定板，改动量较大。综合对比以上3种方案优缺点，前两种方案对合闸回路电流的导通时间进行计时，在无需人工直接干预的前提下解决了线圈不烧损的问题，但仍然未能对故障直接预警。方案三采用微动开关与接近开关双确认的方法对闭锁舌片状态进行监测，不仅改造成本低、二次回路接线简单，最重要的是能够在运维人员进行合闸操作前直接进行预警。方案三的施工安装图见图11，通过实验验证，该方案切实可靠有效地起到闭锁失效故障预警作用。6结论文中针对发电厂中出现的高压真空断路器五防闭锁失效故障进行分析并提出了改进方案。图10接近开关与微动开关机械安装图Fig.10Mechanical installation diagram of proximityswitch and micro switch 190图11接近开关与微动开关实际安装图Fig.11Proximity switch and micro switch actualinstallation diagram1)通过对真空断路器的五防闭锁中防止断路器合闸失误的机械闭锁与电气闭锁原理的阐述，分析了合闸闭锁失效的原因。2)通过对断路器合闸线圈电流与闭锁失效故障电流波形分析对比及特征值的获取，提出了发生闭锁失效时，分断合闸回路的电流导通时间阈值。3)提出了串接继电器切除合闸回路、串联脱扣器线圈保护装置、采用接近开关与微动开关进行到位判断3种改进方案。对比分析了3种方案的优缺点，最终确定采用微动开关与接近开关做闭锁舌片到位双确认的方案可起到故障预警作用，直接避免闭锁失效引起的合闸线圈烧损等一系列事故。参考文献：1曹宇鹏，罗林，王乔，等.基于卷积深度网络的高压真空断路器机械故障诊断方法J.电力系统保护与控制，2021，49(3)：3947.CAO Yupeng，LUO Lin，WANG Qiao，et al.Fault diagnosisof highvoltage vacuum circuit breaker with a convolutionaldeep networkJ.Power System Protection and Control，2021，49(3)：3947.2梁伟杰，曾新雄，黄建，等.基于FMECA和FTA分析的真空断路器分合闸线圈烧毁风险评估方法研究J供用电，2021，38(11)：8590.LIANG Weijie，ZENG Xinxiong，HUANG Jian，et alResearch on risk assessment method of opening and closingcoil burnout of vacuum circuit breaker based on FMECAand FTA analysisJDistribution&Utilization，2021，38(11)：8590.3王军龙，杨欢红，张劲松，等.基于低能量直流的真空断路器短路开断能力评估J.智慧电力，2022，50(7)：2328.WANG Junlong，YANG Huanhong，ZHANG Jinsong，et al.Short circuit breaking capacity evaluation of vacuumcircuit breaker based on lowenergy DCJ.Smart 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