真空断路器储能电源闭锁保护装置杨杰

真空断路器储能电源闭锁保护装置杨杰

杨杰张海清孙铮

（市北供电公司上海市宝山区200940）

摘要：断路器在经过一段时间的运行和操作后，其操动机构经常会发生部件卡涩或者元件损坏，导致断路器操动机构出现控制或传动类故障。而当操动机构中的储能回路中出现此类故障后，操动机构始终处在“未储能”的状态下，迫使其内部的储能电机进行运转储能，储能电机长时间连续运转，最终热击穿而损毁。BC-1A是一种储能电源闭锁保护装置，它可以设定切断路器的储能动作保护时间，当断路器在设定的时间内完成储能动作，装置不启动，反之则判定储能回路出现故障，立即切断储能电源，并强制闭锁储能电源，保护储能电机。

关键词：断路器；储能；电源闭锁保护

1引言

储能回路的功能是为断路器合闸提供所需的能量。每当断路器动作合闸之后，储能回路通过储能的电机对储能弹簧进行拉伸，为断路器进行自动蓄能，以备于下一次进行合闸操作或者是断路器进行自动重合闸时所使用。储能回路的这种工作方式就类似于马桶的水箱，当我们用完水箱中的水时，水箱会自动进行蓄水，为下一次使用做预先的准备。

真空断路器储能回路的通用原理图如图1所示，整个储能回路由储能电源开关2DK、储能辅助开关S2和储能电机M组成。合上储能电源开关2DK，当断路器未储能时，储能辅助开关S2的接点常闭，储能回路接通，储能电机M开始转动，拉升储能弹簧进行蓄能；当弹簧蓄能已满或完成后，通过传动机构向储能辅助开关S2发出断开指令，储能辅助开关S2常闭接点切换至断开，储能回路断电，储能电机失电停转，整个储能过程完成。

一旦储能回路中出现机械传动部件或者电气控制元件方面的故障后，储能回路始终未能撤销”未储能“的指令，储能电机就将持续保持高速连续运转，直至电机烧毁。

2电机损毁案例及故障分析

2015年9月26日35千伏罗店变电站二号主变10千伏二（2）开关储能故障，储能辅助开关常闭节点损毁，如图2所示；储能电机击穿发黑，如图3所示。这是我们配网变电检修人员经常会遇到的断路器缺陷。电机损毁的原因是由于储能辅助开关的常闭接点多次拉弧后损伤，无法进行转换，接点始终常闭，虽然断路器储能完成，但是储能回路长期通电，储能电机被迫连续运转，直至烧毁。

图3储能电机

储能辅助开关损坏只是造成电机损毁的故障中的一种。通过对对断路器弹簧操动机构故障进行了汇总分析，将造成储能电机损毁的弹簧操动机构原因分为以下四类：

（1）传动润滑脂干涸。储能机构齿轮锁扣粘合，无法复位、带动储能弹簧进行蓄能，造成储能电机长时间空转。在无人值班站中，往往当运行人员接到指令赶到现场后，储能电机已经烧毁。

（2）储能辅助开关损坏。对于频繁操作的断路器，如电容器组分组投切断路器，储能辅助开关的切换动作按钮容易疲劳性损伤，损伤后就无法切断储能电源，致使储能电机长时间空转，直至烧毁。

（3）传动连杆的变形和松动。传动连杆故障后，无法控制储能辅助开关切断储能电源，储能电源回路持续接通，储能电机长期空转，电刷受损，电机损坏。

（4）储能弹簧断裂。在多年的工作中，仅某型号的断路器发生过储能卷簧断裂，造成储能电机长时间空转损毁

以上4类缺陷的表象和原因各不相同，但都对储能电机造成了较大的伤害。真空断路器采用的储能电机大都是短时工作制或断续工作制电机。根据《GB755-2008旋转电机定额和性能标准规定》【1】中所定义的短时工作制电机和断续周期制电机，其运行周期中都需要有一个停机和断能的时间，以满足电机有一个足够的时间冷却，以恢复电机自身的热稳定，如图4图、5所示。

可见，断路器中所采用的储能电机都不满足连续运转的条件。而作为断路器的动力控制和传送机构的储能回路，其缺乏故障后对自身采取的停止运作的保护保护装置，一旦当储能回路出现控制或者传动故障后，无法打破这个死循环的命令，储能电机长期连续运转，最后热稳定击穿而损毁。

如果在电源侧装设一种电源保护装置，当储能回路出现电气控制或者机械传动故障后，就可以帮助储能电机脱离死循环的连续运转，切断电源，避免储能电机连续运转而受损。因此当弹簧操动机构出现传动和控制故障后，对储能电机的电气回路中对流过的电流进行时间采样，当回路中流过的电流时间大于该型号断路器所规定的储能完成时间，就可以判定弹簧操动机构出现故障，立即采取保护措施，切断储能电源，停止电机工作。

在10千伏配网中，真空断路器的电机储能时间一般不超过15秒，根据断路器厂家的产品资料所查找的常用断路器储能时间，如表1所示。当真空断路器15秒内未完成储能工作，即可判定储能回路出现故障。所以匹配的保护动作时间大于15秒即可，但为了保证动作的可靠性，适当增加一定的时间裕度，就可以以保证动作时间方面的可靠性。根据常用断路器型号的不同，将保护装置的动作时间一般设置在20~30秒之间。

因此，匹配的储能电源闭锁保护装置动作时间略大于15秒即可，为了保证动作的可靠性，增加一定的时间裕度，根据不同型号的断路器，将保护装置的动作时间设置在20~30秒之间（特殊型号断路器根据设备说明书和现场设备情况，合理匹配动作保护时间）。

3储能电源闭锁保护装置的设计与工作原理

要保护储能电机跳出这样的死循环关键就是给储能回路增设一种断开机制，一旦回路出现控制或传动故障后，闭锁储能电源保护储能电机。本文将介绍一种自行研发的电机保护保护装置-----储能电源闭锁保护装置BC-1A。该保护装置通过感应回路中电流流过的时间，与该型号断路器的储能完成时间来进行比较，当储能回路超时未完成储能动作时，即判定储能回路中出现了传动或控制故障，立即切断储能电源，以实现断路器电机保护。

储能电源闭锁保护装置BC-1A由一个交流220伏电压继电器U，一个交流220伏带延时的电压继电器SU，一个交流电流继电器I和一个指示灯D组成,如图6所示。

图6储能电源闭锁装置BC-1A装置图

电压继电器U用于动作电机回路和实现自保持功能；带延时电压继电器SU用于计量动作时间，控制电压继电器U的启动。电流时间继电器I用于感应储能回路中流过电流，启动带延时继电器SU。延时继电器SU节点的动作时间在1秒至3600秒的范围内根据断路器型号不同实现可调，目前由于真空断路器的储能时间一般不超过15秒，我们将SU继电器节点动作时间设置为20秒动作。储能电源闭锁保护装置BC-1A的动作应具备足够的可靠性。当储能回路正常时，装置保证不发生误动；当储能回路故障时，装置必须可靠动作，实现电源闭锁，其工作原理，如图7所示.

1、U：交流220伏电压继电器

2、SU：交流220伏带延时的电压继电器，

3、I：一个交流电流继电器

4、D：指示灯

5、S2:断路器储能辅助开关

6、M:储能电机

图7储能电源闭锁装置BC-1A电气原理图

（1）储能回路正常时，装置保证不发生误动。

当储能回路正常，合上储能电源控制开关2DK，储能回路电源接通，储能电机M得电并开始转动，带动储能弹簧进行储能，同时储能保护装置电流继电器I线圈得电，接点I-1闭合，带延时继电器SU线圈得电(开始计时20秒)；与此同时，断路器15秒内储能完成，断路器储能辅助开关S2接点断开，切断储能电机电源，同时电流继电器I线圈失电，接点I-1断开，带延时电压继电器SU线圈失电，停止计时，接点SU-1不动作，电压继电器U不启动，储能保护装置就不再启动。

（2）储能回路故障时，装置可靠动作，实现电源闭锁。

当储能回路故障，合上储能电源控制开关2DK，储能电机得电开始转动，电流继电器I线圈得电，接点I-1闭合，带延时电压继电器SU线圈得电开始计时，当计时20秒后，储能电机仍然得电转动（20秒内未完成储能或储能回路电源无法断开），接点SU-1闭合，电压继电器U线圈得电，接点U-1断开，切断电机电源，并强制闭锁储能回路电源，指示灯D亮，发出就地报警信号，同时断路器自身未储能灯常亮，向远方发出故障信号。

（3）强制闭锁，不自动复归

当储能回路故障，电压继电器U线圈得电，接点U-2闭合，U线圈实现电压自保持，将强制闭锁储能电源。储能电源闭锁保护装置BC-1A若不失电，将不会自动复归（断开2DK，保护装置将自动复归）。

结语

储能电源闭锁保护装置BC-1A，从技术上解决了断路器储能回路出现控制和传动故障后造成储能电机受损问题，进一步降低了断路器设备的维护时间，维护成本，降低了停电作业时间，同时也提升了断路器运行可靠性，提高了城市电网的安全、经济稳定运行。

参考文献：

【1】旋转电机定额和性能标准规定：GB755——2008【s】