目前，在發(fā)電廠、變電站、大型工廠等地方均運(yùn)用大量的高壓斷路器。操動(dòng)機(jī)構(gòu)是高壓斷路器的重要組成部分，而彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)具有成套性強(qiáng)、制造工藝要求適中、體積小、合閘電流小等特點(diǎn)，目前在10～35kV斷路器的運(yùn)用非常廣泛。

部分彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)在開(kāi)始投入運(yùn)行的前幾年機(jī)械特性都比較穩(wěn)定，但是在運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)的情況下，由于合閘半軸磨損、復(fù)位彈簧變形等原因，會(huì)導(dǎo)致斷路器在不該合閘時(shí)自動(dòng)合閘。在故障情況下，保護(hù)裝置加速跳開(kāi)斷路器后，若斷路器自動(dòng)合閘，則會(huì)加重對(duì)電網(wǎng)及電力設(shè)備的沖擊及損害。

斷路器因彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)老化而自動(dòng)合閘的情況給電網(wǎng)的安全運(yùn)行帶來(lái)極大的風(fēng)險(xiǎn)，亟需分析和防范。本文通過(guò)對(duì)一起斷路器反復(fù)分合閘事件的分析，提出一套相應(yīng)的解決方案。

1 彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)的構(gòu)成及工作原理

彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)、電磁系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)組成。以CT17彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)為例，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)通過(guò)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生動(dòng)能，電動(dòng)機(jī)再通過(guò)減速裝置和儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)的動(dòng)作，使合閘彈簧儲(chǔ)存機(jī)械能。儲(chǔ)能完畢后，通過(guò)閉鎖彈簧使彈簧保持在儲(chǔ)能狀態(tài)，然后切斷電動(dòng)機(jī)電源。

該閉鎖由圖1中的復(fù)位彈簧、合閘半軸及儲(chǔ)能完成卡口組成。當(dāng)斷路器收到合閘信號(hào)時(shí)，合閘彈簧將解脫合閘閉鎖裝置，以釋放合閘彈簧的儲(chǔ)能。

這部分能量中的一部分通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)使斷路器的動(dòng)觸頭動(dòng)作，進(jìn)行合閘操作；另一部分則通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)使分閘彈簧儲(chǔ)能，為分閘做準(zhǔn)備。在合閘動(dòng)作完成后，電動(dòng)機(jī)立即接通電源，通過(guò)儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)使合閘彈簧重新儲(chǔ)能，以便為下一次合閘做準(zhǔn)備。當(dāng)收到分閘信號(hào)時(shí)，分閘彈簧將解脫自由脫扣裝置，以釋放分閘彈簧儲(chǔ)存的能量，并使觸頭進(jìn)行分閘動(dòng)作。

圖1 彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)

（1—合閘半軸；2—合閘半軸上的卡口；3—復(fù)位彈簧；4—合閘彈簧；5—減速裝置）

2 一起斷路器反復(fù)分合閘事件的分析

2.1 事件過(guò)程

2016年11月23日，某110kV變電站10kV某饋線發(fā)生單相接地短路故障。該站10kV系統(tǒng)為小電阻接地方式，故障線路保護(hù)裝置在820ms后零序過(guò)流保護(hù)動(dòng)作跳閘，斷路器跳閘后1023ms重合閘動(dòng)作，重合于永久性故障，221ms零序加速保護(hù)動(dòng)作跳開(kāi)斷路器。

斷路器在跳開(kāi)后經(jīng)過(guò)10s左右又再次合上，合閘于故障，保護(hù)裝置零序加速保護(hù)再次動(dòng)作跳開(kāi)斷路器。斷路器跳開(kāi)后經(jīng)過(guò)10s左右又再次合上，再次合閘于故障，零序加速保護(hù)再次動(dòng)作跳開(kāi)斷路器。斷路器進(jìn)入了不停地合閘、分閘的循環(huán)狀態(tài)。

2.2 事件分析

事件發(fā)生后，對(duì)該饋線保護(hù)裝置、電氣回路及開(kāi)關(guān)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了各項(xiàng)檢查和試驗(yàn)，逐步排查可能的原因。

通過(guò)試驗(yàn)和檢查發(fā)現(xiàn)：

1）在斷路器合閘狀態(tài)下，彈簧已儲(chǔ)能，直接手切斷路器，斷路器分閘，未出現(xiàn)自動(dòng)重合現(xiàn)象。

2）在斷路器合閘狀態(tài)下，彈簧已儲(chǔ)能，直接手切斷路器，然后迅速手合再次手切，斷路器開(kāi)始進(jìn)行彈簧儲(chǔ)能，在儲(chǔ)能完成時(shí)斷路器出現(xiàn)自動(dòng)合閘 現(xiàn)象。

3）在儲(chǔ)能過(guò)程中，用萬(wàn)用表監(jiān)視合閘電氣回路，當(dāng)斷路器自動(dòng)合上時(shí)，未監(jiān)視到有合閘脈沖。

4）在斷路器合閘狀態(tài)下，彈簧已儲(chǔ)能，僅保留儲(chǔ)能電源，切斷保護(hù)裝置電源、控制電源，在斷路器機(jī)構(gòu)本體進(jìn)行分閘，然后迅速合閘再次分閘，儲(chǔ)能完成時(shí)出現(xiàn)自動(dòng)合閘現(xiàn)象。

以上試驗(yàn)表明，開(kāi)關(guān)的自動(dòng)合閘現(xiàn)象與開(kāi)關(guān)保護(hù)裝置及控制回路無(wú)關(guān)。

5）檢查保護(hù)裝置防跳回路，回路正確，但并無(wú)法阻止開(kāi)關(guān)反復(fù)分合閘。

6）對(duì)斷路器彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行檢查。該彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)為CT17的操動(dòng)機(jī)構(gòu)，如圖1所示。經(jīng)過(guò)檢查，發(fā)現(xiàn)斷路器在分閘狀態(tài)進(jìn)行儲(chǔ)能時(shí)，在儲(chǔ)能完成瞬間自動(dòng)釋能，斷路器自動(dòng)合閘。其自動(dòng)釋能的原因是復(fù)位彈簧（圖1中的3）變形導(dǎo)致其拉動(dòng)的合閘半軸（圖1中的1）偏位，彈簧儲(chǔ)能后卡于合閘半軸上的卡口（圖1中的2）無(wú)法卡住，導(dǎo)致彈簧釋能，斷路器合閘。

發(fā)生該起事件后，對(duì)相關(guān)運(yùn)行時(shí)間超過(guò)8年以上的彈簧儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)的斷路器進(jìn)行了相應(yīng)的檢查，發(fā)現(xiàn)采用復(fù)位彈簧保持合閘半軸平衡方式的機(jī)構(gòu)存在相同的問(wèn)題。雖然檢查發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的機(jī)構(gòu)數(shù)量較少，但是通過(guò)以上分析可以看出，合閘半軸的復(fù)位彈簧變形會(huì)造成彈簧儲(chǔ)能到位后儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)無(wú)法自保持，導(dǎo)致自動(dòng)釋能進(jìn)行合閘，釋能后彈簧又開(kāi)始儲(chǔ)能。

若此時(shí)線路上發(fā)生永久性故障，則斷路器在跳閘、重合于故障后本應(yīng)加速跳開(kāi)隔離故障，而由于重合閘后，彈簧儲(chǔ)能到位時(shí)又自動(dòng)釋能，導(dǎo)致斷路器再次合閘于故障，斷路器便進(jìn)入跳閘、合閘的死循環(huán)，造成斷路器反復(fù)分合閘的故障。斷路器反復(fù)分合閘的故障會(huì)對(duì)一次設(shè)備造成極大的沖擊，甚至?xí)?dǎo)致斷路器嚴(yán)重?fù)p毀。

由于本次開(kāi)關(guān)分合閘事件是由機(jī)械原因造成的，所以目前所采用的電氣防跳回路不能起到防止這類開(kāi)關(guān)跳躍的作用。而彈簧儲(chǔ)能的儲(chǔ)能電動(dòng)機(jī)回路也無(wú)法阻出現(xiàn)這種不停儲(chǔ)能的情況。儲(chǔ)能電動(dòng)機(jī)回路如圖2所示。

電動(dòng)機(jī)儲(chǔ)能回路只是簡(jiǎn)單采用空氣開(kāi)關(guān)K對(duì)電動(dòng)機(jī)儲(chǔ)能回路進(jìn)行保護(hù)，只有在儲(chǔ)能回路短路或電動(dòng)機(jī)堵轉(zhuǎn)的情況下，儲(chǔ)能回路電流增大到超過(guò)空氣開(kāi)關(guān)K的動(dòng)作值，空氣開(kāi)關(guān)才會(huì)跳開(kāi)。對(duì)于這種不斷儲(chǔ)能的情況，電流無(wú)法使空氣開(kāi)關(guān)K動(dòng)作，無(wú)法切除儲(chǔ)能電動(dòng)機(jī)回路，使儲(chǔ)能電動(dòng)機(jī)停止儲(chǔ)能，從而防止以上情況出現(xiàn)。

圖2 儲(chǔ)能電動(dòng)機(jī)電氣回路

3 解決方案

目前沒(méi)有防止由于儲(chǔ)能彈簧自動(dòng)釋能而導(dǎo)致斷路器自動(dòng)合閘的有效方法?，F(xiàn)場(chǎng)只能對(duì)運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)的饋線斷路器彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行維護(hù)檢修，對(duì)于無(wú)法停電維護(hù)的饋線，只能暫時(shí)退出線路的重合閘功能。但是退出重合閘功能會(huì)大大降低供電可靠性。現(xiàn)場(chǎng)亟需一套有效防止出現(xiàn)彈簧自動(dòng)釋能的保護(hù)方案。

本文基于彈簧操作機(jī)構(gòu)的構(gòu)成原理、彈簧儲(chǔ)能電動(dòng)機(jī)儲(chǔ)能回路的特點(diǎn)、重合閘方式及現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的實(shí)際情況，提出在彈簧儲(chǔ)能的電動(dòng)機(jī)回路中接入一個(gè)智能控制器的解決方案。

該智能控制器通過(guò)檢測(cè)儲(chǔ)能電動(dòng)機(jī)回路的電流來(lái)判斷斷路器的操作機(jī)構(gòu)有沒(méi)有在設(shè)定時(shí)間內(nèi)進(jìn)行第二次儲(chǔ)能的行為。若斷路器的操作機(jī)構(gòu)在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行第二次儲(chǔ)能，則說(shuō)明斷路器在反復(fù)分合閘，此時(shí)通過(guò)串聯(lián)在電動(dòng)機(jī)回路中的繼電器接點(diǎn)斷開(kāi)電動(dòng)機(jī)回路，阻止斷路器的操作機(jī)構(gòu)繼續(xù)儲(chǔ)能，以達(dá)到防止斷路器反復(fù)分合閘的目的。

智能控制器的構(gòu)成如圖3所示。圖3中CT為霍爾元件電流互感器，HK為儲(chǔ)能回路投退切換開(kāi)關(guān)，CK為彈簧儲(chǔ)能行程開(kāi)關(guān)。智能控制器主要由信號(hào)處理器、計(jì)數(shù)處理器、計(jì)時(shí)器、繼電器及電壓變換器等模塊組成。

圖3 智能控制器的構(gòu)成

1）采樣處理

目前儲(chǔ)能電動(dòng)機(jī)回路基本都為直流回路，直流電流的檢測(cè)可采用霍爾元件電流互感器（如為交流回路，則可采用交流電流互感器）作為傳感器進(jìn)行檢測(cè)。正常情況下，操作機(jī)構(gòu)儲(chǔ)能完成后，彈簧儲(chǔ)能行程開(kāi)關(guān)CK被斷開(kāi)，儲(chǔ)能回路基本無(wú)電流，只有很小的供給智能控制器工作的電流，將該電流值作為閥值。

電動(dòng)機(jī)每進(jìn)行一次儲(chǔ)能，電動(dòng)機(jī)電流都將經(jīng)歷從閥值增加至工作電流、再變?yōu)殚y值的過(guò)程。檢測(cè)重點(diǎn)在于檢測(cè)電動(dòng)機(jī)回路的電流變化，以電動(dòng)機(jī)電流的變化過(guò)程判斷儲(chǔ)能電動(dòng)機(jī)的行為。故在傳感器之后，應(yīng)經(jīng)過(guò)信號(hào)處理電路進(jìn)行相關(guān)處理，以便于檢測(cè)該電流的變化。

2）計(jì)數(shù)處理

計(jì)數(shù)處理器只需檢測(cè)電動(dòng)機(jī)電流從閥值增加至工作電流的次數(shù)，即檢測(cè)電動(dòng)機(jī)電流的上升沿個(gè)數(shù)，便可以得到斷路器操作機(jī)構(gòu)的儲(chǔ)能次數(shù)。

3）計(jì)時(shí)處理

計(jì)時(shí)器根據(jù)斷路器實(shí)際進(jìn)行一次儲(chǔ)能的時(shí)間來(lái)確定計(jì)數(shù)周期，計(jì)數(shù)周期應(yīng)比實(shí)際儲(chǔ)能時(shí)間稍長(zhǎng)，可在實(shí)際儲(chǔ)能時(shí)間的基礎(chǔ)上加2～3s作為計(jì)數(shù)周期。

4）邏輯判斷及出口

斷路器在正常操作過(guò)程中或者經(jīng)歷永久性故障時(shí)，只會(huì)在合閘或重合閘后進(jìn)行一次儲(chǔ)能，若在設(shè)定的計(jì)數(shù)周期內(nèi)，斷路器操作機(jī)構(gòu)的儲(chǔ)能次數(shù)超過(guò)一次，則說(shuō)明斷路器起碼進(jìn)行了兩次合閘，此時(shí)應(yīng)斷開(kāi)儲(chǔ)能回路，起到防止斷路器反復(fù)分合閘的作用。

可通過(guò)在電動(dòng)機(jī)回路中串入繼電器的常閉接點(diǎn)斷開(kāi)儲(chǔ)能回路，當(dāng)計(jì)數(shù)器結(jié)果超過(guò)1時(shí)，驅(qū)動(dòng)繼電器，使繼電器常閉接點(diǎn)斷開(kāi)。同時(shí)，通過(guò)繼電器的常開(kāi)接點(diǎn)閉合提供告警信號(hào)。

若斷路器因檢修需要反復(fù)分合閘試驗(yàn)，則可通過(guò)投退控制功能退出此智能控制器的功能。

通過(guò)以上分析可知，本文提出的智能控制器可有效防止出現(xiàn)斷路器因機(jī)械老化等原因而導(dǎo)致的彈簧自動(dòng)釋能合閘現(xiàn)象，有效彌補(bǔ)了目前該領(lǐng)域的空缺。

結(jié)論

10～35kV斷路器目前大量采用了彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)，而彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)的儲(chǔ)能保持主要采用了由復(fù)位彈簧、合閘半軸組成及儲(chǔ)能完成卡口組成的方式，比如CT17、CT19、VS1及部分進(jìn)口的老式彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)。當(dāng)這類斷路器運(yùn)行年限較長(zhǎng)、儲(chǔ)能保持部分出現(xiàn)機(jī)械老化時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致斷路器自動(dòng)釋能合閘，甚至?xí)?duì)電網(wǎng)、設(shè)備的安全運(yùn)行造成嚴(yán)重的威脅。

本文對(duì)一起斷路器反復(fù)分合閘事件進(jìn)行了深入分析，闡明了該起事件的根本原因是由合閘半軸磨損、復(fù)位彈簧變形等導(dǎo)致的。針對(duì)此現(xiàn)象提出了一個(gè)采用儲(chǔ)能回路的智能控制器的解決方案，該控制器可使斷路器在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行第二次儲(chǔ)能時(shí)斷開(kāi)儲(chǔ)能回路，以達(dá)到有效防止斷路器反復(fù)分合閘的目的。