核电厂6kv接触器非全相合闸故障原因分析及处理

刘东兵等

摘 要：某核电厂柴油机进行低负荷试验时，一台SCO型6kv接触器负载电机缺相运行，正常干预失效，分、合控制电源操作后，再进行分闸操作成功，经分析，此非全相合闸故障，是接触器双稳态永磁操作机构发生中间态所致。文章详细分析了双稳态永磁操作机构的中间态的原因及故障处理。

关键词：中间状态；非全相；双稳态永磁操作机构；真空接触器

1 设备介绍

某核电厂6kv应急母线，采用ABB公司生产的ZVC-VSC接触器（双稳态永磁机构），该接触器有两种控制模式：即SCO（单命令操作）和DCO（双命令操作）模式。文章涉及的是SCO模式。

电源模块给电容充电，电容为控制器及分、合闸线圈供电，使控制器及分、合闸线圈工作不受外电源影响。分、合闸命令送控制器分别经20ms、25ms延时触发分、合闸指令实现接触器的分、合闸；分、合闸指令脉宽分别为20ms、32ms。

2 原因分析

2.1 双稳态永磁机构结构和动作原理

机构在分闸位置时动铁心上端气隙小、磁阻低，下端气隙大、磁阻高。永久磁铁的磁场主要作用动铁心的上端；磁力线几乎全部穿过动铁心的上端，产生相应的吸力。该吸力通过传动机构传送至真空灭弧室的动触头上。使其保持分闸状态。合闸线圈通电后产生磁场，其磁力线主要集中在动铁心的下端，并在上端与永久磁铁的磁力线相抵消。随着激磁电流的上升，下端吸力增加，上端吸力减少。当下端吸力大于反力，动铁心开始向下运动。当动铁心运动到合闸位置时， 其磁力线分布状况分闸位置时相对称。

2.2 双稳态永磁机构的受力分析假设机构的行程为L，磁保持力一端为F1，另一端为F2，不考虑机构的阻力。动铁心在L/2处，两端磁保持力的平衡点，动铁心通过L/2处，动铁心的所受力方向发生转向，考虑机构本身阻力Fx，动铁心所受的电磁合力小于Fx时，动铁心会停在以L/2为中心的一个区域内，这是双稳态永磁操作机构固有的特性，即文章所提及的中间状态。

2.3 线圈电流的输出特征

2.4 SCO模式接触器非全相故障原因分析

用（0-100ms）合闸命令在SCO模式的ZVC接触器上进行大量的试验，当合闸命令在25-60ms区间时，接触器多次进入中间状态；合闸命令在30-40ms区间进入中间状态最多，25ms-30ms、40ms-60ms区间偶尔进入。文章重点分析30-40ms区间。

黄线为分合闸电流曲线，红线为脉冲命令曲线，蓝线为动触头位置信号。

从图3可以看出合闸线圈电流上升时间14-15ms，电流下降时间9-10ms，电流再次上升的时间7-8ms；动铁心到达刚合点的时间24-25ms，动触头弹跳时间20ms左右。分闸线圈电流上升时间7-8ms，电流下降时间8-9ms，电流再次上升时间5ms左右；动铁心到达刚分位置时间15ms左右。控制器在收到合闸命令上升沿，延时25ms触发合闸指令，合闸线圈得电，控制器收到合闸命令下降沿，延时20ms触发分闸指令，分闸线圈得电。以30ms合闸命令为例（见图4），合闸线圈得电时间为：30-25+20=25ms，动触头到达刚合位置，正在弹跳时分闸线圈得电；如动触头向合闸方向运动，分闸线圈施加的磁场力需要克服机构的运动惯性和合闸位置永磁体施加的磁场力及机构阻力（较正常合闸多了机构的运动惯性），使分闸线圈的电流比正常值大，电流上升时间加长到10ms-12ms左右，造成分闸线圈得电20ms时间已到，动铁心没有运动到分闸位置，如果机构的阻力大于永磁体提供的磁场力，衔铁会停留在中间位置。

试验室在接触器运行情况下，用测力器测量动铁心从中间状态到分闸位置的最小力为128N，厂家标准：机构合、闸稳态最小保持力为160N。机构的稳态保持力与机构本身的阻力相差32N，动铁心保持中间状态的区间是很大。

3 现场整改

整改从两个方面开展：（1）对控制板进行改造，避免在合闸命令小于60ms时，接触器在没有达到合闸稳态的情况下执行分闸操作。（2）减少机构的阻力。

3.1 对控制板的改造

在合闸命令比较短的情况下，新控制板内部自发产生一个延时，使接触器在合闸操作完成后再执行分闸操作。这个延时在合闸命令为60ms及以下时，固定为42ms。而当合闸命令超过60ms时，这个延时会随着合闸命令的增加而减少。

REV.00为改造前的控制板；REV.04为改造后的控制板。

从图5可以看出，REV.04控制板合闸指令执行完成后延时42ms后分闸指令开始执行，从合闸指令开始执行到分闸指令开始执行共延时75ms。42ms的延时可为电容器再充电。另外REV.04控制板开放了EFA功能，即当电容电压低于规定值后，控制器会再发出一分闸指令。

3.2 减少机构的阻力

根据机构本身特点，找出4个引起机构阻力大的原因进行整改

（1）连接轴加工冗余度不足，与壳体之间存在一定的角度。更换符合标准尺寸的新联锁轴；使接触器中的联锁轴尺寸在正常公差范围之内。

（2）分合闸指示牌与传动杆配合不合理，与前面板产生摩擦。加强分合闸指示传动杆刚度（加宽分、合闸指示传动杆的宽度、增加了传动杆与联锁轴的固定点）；采用一体式分、合闸指示牌。

（3）闭锁杆与外侧支架上的螺母间产生干涉。更换新式支架，该支架上不存在焊接的螺母。

（4）辅助开关间隙过小会出现较大阻力。调整辅助开关处间隙在0.2～0.5mm范围内。

通过两方面的改造，6kv接触器已经运行3年，未发生位于非全相的故障。

4 结束语

从双永磁式操作机构特点来看，存在中间状态是其固有特性，照成这一特性的原因是动铁心的运行需要克服机构自身的阻力，在没有外力介入的情况下，就会停在中间状态。在设计上要避免没有达到合闸稳态的情况下执行分闸操作，尽量减小机构自身的阻力。另外机构的自身阻力会随使用年限的增加发生变化，在日常维护中需要关注机构自身的阻力的变化。

参考文献

[1]周丽洁.永磁机构在中压真空断路器上的应用[J].华电技术，2008，30（10）.

[2]王宝平，常新平.应用双稳态永磁操动机构的配电真空断路器[Z].文章编号：1006-6047（2001）07-0058-02.

[3]吕锦柏，王毅，常广，等.优化的永磁真空断路器合闸控制方式[J].高电压技术，2013，39（11）.

摘 要：某核电厂柴油机进行低负荷试验时，一台SCO型6kv接触器负载电机缺相运行，正常干预失效，分、合控制电源操作后，再进行分闸操作成功，经分析，此非全相合闸故障，是接触器双稳态永磁操作机构发生中间态所致。文章详细分析了双稳态永磁操作机构的中间态的原因及故障处理。

关键词：中间状态；非全相；双稳态永磁操作机构；真空接触器

1 设备介绍

某核电厂6kv应急母线，采用ABB公司生产的ZVC-VSC接触器（双稳态永磁机构），该接触器有两种控制模式：即SCO（单命令操作）和DCO（双命令操作）模式。文章涉及的是SCO模式。

电源模块给电容充电，电容为控制器及分、合闸线圈供电，使控制器及分、合闸线圈工作不受外电源影响。分、合闸命令送控制器分别经20ms、25ms延时触发分、合闸指令实现接触器的分、合闸；分、合闸指令脉宽分别为20ms、32ms。

2 原因分析

2.1 双稳态永磁机构结构和动作原理

机构在分闸位置时动铁心上端气隙小、磁阻低，下端气隙大、磁阻高。永久磁铁的磁场主要作用动铁心的上端；磁力线几乎全部穿过动铁心的上端，产生相应的吸力。该吸力通过传动机构传送至真空灭弧室的动触头上。使其保持分闸状态。合闸线圈通电后产生磁场，其磁力线主要集中在动铁心的下端，并在上端与永久磁铁的磁力线相抵消。随着激磁电流的上升，下端吸力增加，上端吸力减少。当下端吸力大于反力，动铁心开始向下运动。当动铁心运动到合闸位置时， 其磁力线分布状况分闸位置时相对称。

2.2 双稳态永磁机构的受力分析假设机构的行程为L，磁保持力一端为F1，另一端为F2，不考虑机构的阻力。动铁心在L/2处，两端磁保持力的平衡点，动铁心通过L/2处，动铁心的所受力方向发生转向，考虑机构本身阻力Fx，动铁心所受的电磁合力小于Fx时，动铁心会停在以L/2为中心的一个区域内，这是双稳态永磁操作机构固有的特性，即文章所提及的中间状态。

2.3 线圈电流的输出特征

2.4 SCO模式接触器非全相故障原因分析

用（0-100ms）合闸命令在SCO模式的ZVC接触器上进行大量的试验，当合闸命令在25-60ms区间时，接触器多次进入中间状态；合闸命令在30-40ms区间进入中间状态最多，25ms-30ms、40ms-60ms区间偶尔进入。文章重点分析30-40ms区间。

黄线为分合闸电流曲线，红线为脉冲命令曲线，蓝线为动触头位置信号。

从图3可以看出合闸线圈电流上升时间14-15ms，电流下降时间9-10ms，电流再次上升的时间7-8ms；动铁心到达刚合点的时间24-25ms，动触头弹跳时间20ms左右。分闸线圈电流上升时间7-8ms，电流下降时间8-9ms，电流再次上升时间5ms左右；动铁心到达刚分位置时间15ms左右。控制器在收到合闸命令上升沿，延时25ms触发合闸指令，合闸线圈得电，控制器收到合闸命令下降沿，延时20ms触发分闸指令，分闸线圈得电。以30ms合闸命令为例（见图4），合闸线圈得电时间为：30-25+20=25ms，动触头到达刚合位置，正在弹跳时分闸线圈得电；如动触头向合闸方向运动，分闸线圈施加的磁场力需要克服机构的运动惯性和合闸位置永磁体施加的磁场力及机构阻力（较正常合闸多了机构的运动惯性），使分闸线圈的电流比正常值大，电流上升时间加长到10ms-12ms左右，造成分闸线圈得电20ms时间已到，动铁心没有运动到分闸位置，如果机构的阻力大于永磁体提供的磁场力，衔铁会停留在中间位置。

试验室在接触器运行情况下，用测力器测量动铁心从中间状态到分闸位置的最小力为128N，厂家标准：机构合、闸稳态最小保持力为160N。机构的稳态保持力与机构本身的阻力相差32N，动铁心保持中间状态的区间是很大。

3 现场整改

整改从两个方面开展：（1）对控制板进行改造，避免在合闸命令小于60ms时，接触器在没有达到合闸稳态的情况下执行分闸操作。（2）减少机构的阻力。

3.1 对控制板的改造

在合闸命令比较短的情况下，新控制板内部自发产生一个延时，使接触器在合闸操作完成后再执行分闸操作。这个延时在合闸命令为60ms及以下时，固定为42ms。而当合闸命令超过60ms时，这个延时会随着合闸命令的增加而减少。

REV.00为改造前的控制板；REV.04为改造后的控制板。

从图5可以看出，REV.04控制板合闸指令执行完成后延时42ms后分闸指令开始执行，从合闸指令开始执行到分闸指令开始执行共延时75ms。42ms的延时可为电容器再充电。另外REV.04控制板开放了EFA功能，即当电容电压低于规定值后，控制器会再发出一分闸指令。

3.2 减少机构的阻力

根据机构本身特点，找出4个引起机构阻力大的原因进行整改

（1）连接轴加工冗余度不足，与壳体之间存在一定的角度。更换符合标准尺寸的新联锁轴；使接触器中的联锁轴尺寸在正常公差范围之内。

（2）分合闸指示牌与传动杆配合不合理，与前面板产生摩擦。加强分合闸指示传动杆刚度（加宽分、合闸指示传动杆的宽度、增加了传动杆与联锁轴的固定点）；采用一体式分、合闸指示牌。

（3）闭锁杆与外侧支架上的螺母间产生干涉。更换新式支架，该支架上不存在焊接的螺母。

（4）辅助开关间隙过小会出现较大阻力。调整辅助开关处间隙在0.2～0.5mm范围内。

通过两方面的改造，6kv接触器已经运行3年，未发生位于非全相的故障。

4 结束语

从双永磁式操作机构特点来看，存在中间状态是其固有特性，照成这一特性的原因是动铁心的运行需要克服机构自身的阻力，在没有外力介入的情况下，就会停在中间状态。在设计上要避免没有达到合闸稳态的情况下执行分闸操作，尽量减小机构自身的阻力。另外机构的自身阻力会随使用年限的增加发生变化，在日常维护中需要关注机构自身的阻力的变化。

参考文献

[1]周丽洁.永磁机构在中压真空断路器上的应用[J].华电技术，2008，30（10）.

[2]王宝平，常新平.应用双稳态永磁操动机构的配电真空断路器[Z].文章编号：1006-6047（2001）07-0058-02.

[3]吕锦柏，王毅，常广，等.优化的永磁真空断路器合闸控制方式[J].高电压技术，2013，39（11）.

摘 要：某核电厂柴油机进行低负荷试验时，一台SCO型6kv接触器负载电机缺相运行，正常干预失效，分、合控制电源操作后，再进行分闸操作成功，经分析，此非全相合闸故障，是接触器双稳态永磁操作机构发生中间态所致。文章详细分析了双稳态永磁操作机构的中间态的原因及故障处理。

关键词：中间状态；非全相；双稳态永磁操作机构；真空接触器

1 设备介绍

某核电厂6kv应急母线，采用ABB公司生产的ZVC-VSC接触器（双稳态永磁机构），该接触器有两种控制模式：即SCO（单命令操作）和DCO（双命令操作）模式。文章涉及的是SCO模式。

电源模块给电容充电，电容为控制器及分、合闸线圈供电，使控制器及分、合闸线圈工作不受外电源影响。分、合闸命令送控制器分别经20ms、25ms延时触发分、合闸指令实现接触器的分、合闸；分、合闸指令脉宽分别为20ms、32ms。

2 原因分析

2.1 双稳态永磁机构结构和动作原理

机构在分闸位置时动铁心上端气隙小、磁阻低，下端气隙大、磁阻高。永久磁铁的磁场主要作用动铁心的上端；磁力线几乎全部穿过动铁心的上端，产生相应的吸力。该吸力通过传动机构传送至真空灭弧室的动触头上。使其保持分闸状态。合闸线圈通电后产生磁场，其磁力线主要集中在动铁心的下端，并在上端与永久磁铁的磁力线相抵消。随着激磁电流的上升，下端吸力增加，上端吸力减少。当下端吸力大于反力，动铁心开始向下运动。当动铁心运动到合闸位置时， 其磁力线分布状况分闸位置时相对称。

2.2 双稳态永磁机构的受力分析假设机构的行程为L，磁保持力一端为F1，另一端为F2，不考虑机构的阻力。动铁心在L/2处，两端磁保持力的平衡点，动铁心通过L/2处，动铁心的所受力方向发生转向，考虑机构本身阻力Fx，动铁心所受的电磁合力小于Fx时，动铁心会停在以L/2为中心的一个区域内，这是双稳态永磁操作机构固有的特性，即文章所提及的中间状态。

2.3 线圈电流的输出特征

2.4 SCO模式接触器非全相故障原因分析

用（0-100ms）合闸命令在SCO模式的ZVC接触器上进行大量的试验，当合闸命令在25-60ms区间时，接触器多次进入中间状态；合闸命令在30-40ms区间进入中间状态最多，25ms-30ms、40ms-60ms区间偶尔进入。文章重点分析30-40ms区间。

黄线为分合闸电流曲线，红线为脉冲命令曲线，蓝线为动触头位置信号。

从图3可以看出合闸线圈电流上升时间14-15ms，电流下降时间9-10ms，电流再次上升的时间7-8ms；动铁心到达刚合点的时间24-25ms，动触头弹跳时间20ms左右。分闸线圈电流上升时间7-8ms，电流下降时间8-9ms，电流再次上升时间5ms左右；动铁心到达刚分位置时间15ms左右。控制器在收到合闸命令上升沿，延时25ms触发合闸指令，合闸线圈得电，控制器收到合闸命令下降沿，延时20ms触发分闸指令，分闸线圈得电。以30ms合闸命令为例（见图4），合闸线圈得电时间为：30-25+20=25ms，动触头到达刚合位置，正在弹跳时分闸线圈得电；如动触头向合闸方向运动，分闸线圈施加的磁场力需要克服机构的运动惯性和合闸位置永磁体施加的磁场力及机构阻力（较正常合闸多了机构的运动惯性），使分闸线圈的电流比正常值大，电流上升时间加长到10ms-12ms左右，造成分闸线圈得电20ms时间已到，动铁心没有运动到分闸位置，如果机构的阻力大于永磁体提供的磁场力，衔铁会停留在中间位置。

试验室在接触器运行情况下，用测力器测量动铁心从中间状态到分闸位置的最小力为128N，厂家标准：机构合、闸稳态最小保持力为160N。机构的稳态保持力与机构本身的阻力相差32N，动铁心保持中间状态的区间是很大。

3 现场整改

整改从两个方面开展：（1）对控制板进行改造，避免在合闸命令小于60ms时，接触器在没有达到合闸稳态的情况下执行分闸操作。（2）减少机构的阻力。

3.1 对控制板的改造

在合闸命令比较短的情况下，新控制板内部自发产生一个延时，使接触器在合闸操作完成后再执行分闸操作。这个延时在合闸命令为60ms及以下时，固定为42ms。而当合闸命令超过60ms时，这个延时会随着合闸命令的增加而减少。

REV.00为改造前的控制板；REV.04为改造后的控制板。

从图5可以看出，REV.04控制板合闸指令执行完成后延时42ms后分闸指令开始执行，从合闸指令开始执行到分闸指令开始执行共延时75ms。42ms的延时可为电容器再充电。另外REV.04控制板开放了EFA功能，即当电容电压低于规定值后，控制器会再发出一分闸指令。

3.2 减少机构的阻力

根据机构本身特点，找出4个引起机构阻力大的原因进行整改

（1）连接轴加工冗余度不足，与壳体之间存在一定的角度。更换符合标准尺寸的新联锁轴；使接触器中的联锁轴尺寸在正常公差范围之内。

（2）分合闸指示牌与传动杆配合不合理，与前面板产生摩擦。加强分合闸指示传动杆刚度（加宽分、合闸指示传动杆的宽度、增加了传动杆与联锁轴的固定点）；采用一体式分、合闸指示牌。

（3）闭锁杆与外侧支架上的螺母间产生干涉。更换新式支架，该支架上不存在焊接的螺母。

（4）辅助开关间隙过小会出现较大阻力。调整辅助开关处间隙在0.2～0.5mm范围内。

通过两方面的改造，6kv接触器已经运行3年，未发生位于非全相的故障。

4 结束语

从双永磁式操作机构特点来看，存在中间状态是其固有特性，照成这一特性的原因是动铁心的运行需要克服机构自身的阻力，在没有外力介入的情况下，就会停在中间状态。在设计上要避免没有达到合闸稳态的情况下执行分闸操作，尽量减小机构自身的阻力。另外机构的自身阻力会随使用年限的增加发生变化，在日常维护中需要关注机构自身的阻力的变化。

参考文献

[1]周丽洁.永磁机构在中压真空断路器上的应用[J].华电技术，2008，30（10）.

[2]王宝平，常新平.应用双稳态永磁操动机构的配电真空断路器[Z].文章编号：1006-6047（2001）07-0058-02.

[3]吕锦柏，王毅，常广，等.优化的永磁真空断路器合闸控制方式[J].高电压技术，2013，39（11）.