试析断路器机械故障及其成因

试析断路器机械故障及其成因

侯彦农

国网山西省电力公司检修分公司 山西省太原市   030032

摘要：目前，我国市场上消费量较多的是真空断路器和SF6断路器。真空断路器以及部分SF6断路器特别是220kV以内电压级别的SF6一般均采用弹簧机构，220kV以上电压级别的SF6断路器基本采用液压机构抑或液压弹簧机构。基于机构的区别，断路器形成了工作模式的差别，但它们的结构没有根本的区别，仅为工作形式有所不同。断路器机械特性故障分为三种，即拒动、误动和其他故障等。分析其故障成因较多，大体可分为两类，一类为断路器机械性能降低、劣化导致的故障，另一类为由于断路器二次回路产生的故障。以下分三方面对断路器机械故障进行探究，并对其产生的原因进行剖析。

关键词：断路器；机械故障

1 断路器拒动故障及其成因

断路器的拒动故障是设备故障之一，指断路器设备在继电保护及安全自动装置动作或在操作过程中拉合控制开关并发出工作指令时拒绝动作。该故障主要分为两种，即拒分和拒合。通常情况下，断路器的拒合故障出现于检修前后，也可以出现在断路器故障更换其他输电线路供电的情况下，所以该故障仅为局部一台断路器出现问题，并不会因此较多影响其他线路。相较而言，线路中发生的拒分故障能够较大地影响到系统的安全运行，可形成上一级断路器跳闸，这也被叫做“越级跳闸”，出现这种情况会扩大事故停电范围，严重的会形成系统解列，并能够形成大范围停电的重大事故。所以我国的检修单位对于拒分故障的重视程度较高。

分析断路器拒动的成因较多，控制回路中线路、元器件以及储能机构等出现问题后，均可形成断路器的拒动，而机械故障会较多引发电气故障。故此，分析发生拒动故障的成因不能仅仅单一分析电气问题或单一分析机械故障，可从以下原因进行剖析:

断路器无法响应分合闸指令。是指线路两端均有电压但无电流通过，故障成因主要为端子脱落、航插插针变形或插入不够、线路断线等问题，这些情况的形成主因是控制回路中有断点，回路不能导通，形成推动故障。这类故障可归纳成人为因素和电气性能因素。如端子脱落、航插插针变形、航插插入不够等均可归为人为因素导致的线路断路问题，针对这种情况，要加大人员培训力度、调整作业流程，可以有效避免此类情况发生;如线圈烧毁、端子氧化等均可归为电气性能因素，针对该情况，未出现问题时不易发现，可采用稳态电流变化对断路器实施检测。

断路器无法执行分合闸动作。分析断路器拒动的另外成因为机械性能劣化，可形成在合闸指令已经传递到分合闸线圈时，机械部件不能实施分合闸动作。机械性能劣化引起的拒动故障可归纳为两类:一类成因于电磁铁、脱扣板等脱扣有关机构的卡涩;另一类成因是虽然脱扣机构正常执行动作，但却不能将能量传递到动触头上，该类型的问题应归为传动机构故障。如出现绝缘拉杆断裂问题，则断路器不能把储能机构中的能量传递到动触头，所以辅助开关也不能工作。如有传动机构卡涩的问题，则断路器的触头启动时间将变慢，大多数情况下断路器动触头动作后辅助触点开始工作，由此在传动机构引发了辅助开关切换的时间一并变慢。

2 断路器误动故障及其成因

这里所探究的误动故障是指断路器在没有接收到动作指令时即发生动作，其中涵盖了保护跳闸、偷跳、合后即分等非人为因素形成的断路器动作。现阶段，在传统预防性试验时不应脱扣，断路器分闸脱扣器的最低动作电压处在额定电压的30%～60%之间，合闸最低动作电压处于额定电压的30%～80%(交流为85%)之间。国家标准(如GB11022和DL/T596)明确规定了断路器最低动作电压，对于30%及以下额定电压不应脱扣的要求，目的是防止电力设备干扰引起的断路器误动作。在实际工作中，即使对于断路器误动的试验较为精细，却仍然发生较多的断路器误动问题。

在分析断路器误动的成因时，发现该故障的发生与拒动十分相似，其原因主要为操作机构无法保持状态或电气部分受到干扰或出现问题。

操作机构无法保持状态。断路器设备的机械部件是由简单自由度为1的四连杆机构组成的，分合闸保持挚子是用来限制断路器运动的，可以理解为在四连杆机构的主动轴上加上了约束，使其自由度变为0。而断路器误动的成因源自其机械结构无法保持住状态，四连杆机构的约束不能制止主动轴的运动，四连杆机构的自由度可回归为1。当储能部件恰处在储能完成状态，那么就会使断路器形成误动。

电气受到干扰或出现故障。在正常情况下断路器分合闸回路为断路状态，在工作中，下达动作指令后，分合闸回路才会形成联通。在分合闸动作完成时，机械结构会将分合闸回路切断。在异常情况下，断路器元器件会受到干扰，导致分合闸回路处于联通状态，进而使断路器执行分合闸动作。此外，变电站断路器布局也会对其产生影响，如布局紧凑，在母线带电时磁场范围内的导线可形成感应电，在国家标准中，对于对断路器最低动作电压也有明确规定，即处于30%工作电压以下时断路器不可实现分合动作，主要是为避免感应电对断路器造成影响而形成误动。

3 断路器的其他问题

断路器与机械特性相关的故障问题，在拒动与误动以外还存在某些情况不会影响断路器的正常工作、却对断路器的使用寿命有影响。如断路器在动、静触头接触前或分开后有产生电弧的情况，合闸速度过低将使预击穿时间延长，而分闸速度过低会使分闸时拉弧变长，这两种情况即分闸时的拉弧以及合闸时预击穿所产生的电弧均可烧毁断路器的触头，严重地妨害断路器的使用寿命。除了以上对断路器产生的情况，电磁铁绝缘也会导致产生拒动误动，长时间使电磁铁带电可使断路器线圈的功能性降低，匝间短路将使通过线圈的电流较大，会烧毁线圈并且使断路器出现拒动问题，最低的动作电压降低会使断路器产生误动问题。

工作流程方面来看，断路器出现故障主要是出现在电气部分执行操作指令、机械结构动作及断路器实施分合闸动作等步骤。其中，机械结构动作还可以细分，主要分合闸脱扣机构动作和传动机构动作。

在断路器每次工作时，其储能电机会对断路器实施储能操作，这项动作可以使断路器在下次工作时能够稳定地实施分合闸指令。断路器的分合闸速度过低主要存在于以下两种原因:一方面，断路器储能机构存有缺陷，可使转化为触头动能的能量不足，造成断路器速度降低;另一方面，储能能量较为正常，断路器机构却运行不够流畅，致使储能机构存储的能量需要分出较多能量来抵消卡涩所需，致使不能提供足够的能量转化为触头动能。

4 结语

从以上分析，断路器拒动、误动和其他故障会造成断路器机械故障。本文深入剖析了导致断路器机械故障的成因，并可为断路器故障检测提供借鉴。

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