一起500kV西门子断路器合闸故障分析

黄杰

摘  要：本文主要针对一起因电子元件损坏导致的500kV西门子3AT3EI型高压断路器合闸故障进行分析研究。根据现场故障现象，本文通过对该断路器的合闸控制回路和相应的闭锁控制回路进行仔细分析推导，寻找出故障发生真正原因，并根据故障原因提出相应的防范措施，为避免同类断路器设备此类故障再次发生提供借鉴，切实提高超高压电网设备的运行可靠性。

关键词：500kV断路器  控制回路  拒合  故障分析

中图分类号：TM561                           文献标识码：A                    文章编号：1674-098X（2020）12（c）-0119-03

Abstract： This paper mainly analyzes a closing fault of 500kV Siemens 3AT3EI high voltage circuit breaker caused by electronic component damage. According to the on-site fault phenomenon， this paper analyzes and deduces the closing control circuit and the corresponding locking control circuit of the circuit breaker， finds out the real cause of the fault， and puts forward corresponding preventive measures according to the fault causes， so as to provide reference for avoiding similar circuit breaker equipment from happening again， and effectively improve the operation reliability of ultra-high voltage power grid equipment.

Key Words： 550 kV circuit breaker;Control circuit; Refuse to close;Fault analysis

西門子3AT3EI型高压断路器采用了定开距、石墨双喷嘴设计，双运动压气式灭弧方式，液压氮气储能操动机构，灭弧能力强，控制性能优异，因此在我省500kV电网中有着广泛应用。但由于运行环境不断变化以及断路器自身元器件缺陷或老化，设备在运行过程中会引发各种故障。本文通过本公司一起500kV西门子3AT3EI型高压断路器合闸故障处理过程实例进行分析，并根据故障原因提出相应的防范措施。

1  故障简述

某500kV变电站运行人员进行送电倒闸操作，遥控合上某500kV断路器后，发现测控屏上断路器分、合闸位置指示灯都亮起，经向调度部门汇报后进行一次试分合操作，指示灯显示依旧异常，于是向调度部门申请将该断路器转为冷备用状态，准备进行位置指示灯显示异常消缺。

随后，检修人员赶到该变电站现场，进行位置指示灯显示异常消缺处理。但在对该断路器传动回路进行检查处理过程中，信号突然消失，指示灯恢复正常，并未发现相关回路异常。于是，将该台断路器进行现场手动分合闸操作三次，后台远动分合闸操作三次，均无异常现象。

运行人员向调度部门申请将断路器投入运行，但在送电过程中断路器突然合闸不成功，三相不一致继电器动作，三相全跳至分位。检修人员检查故障录波器，发现A相合闸过程没有电流通过，A相合闸不成功，因此导致三相不一致继电器动作，断路器三相全跳至分闸位置。

该台高压断路器型号为3AT3EI，德国西门子生产，于1997年10月15日出厂，1999年12月5日投入运行，最近一次的修试日期为2017年5月20日。

2  现场检查

经调度部门批准将该台断路器转为检修状态，进行故障检查处理。检修人员现场测量正电源1101端子、负电源1102端子、远控合闸回路端子7a、7b、7c电位全部正常，未发现异常现象。

随后进行就地试操作，现场手动合闸，断路器合闸成功，未发生异常现象，故障再次消失。再进行两次操作均未发生异常。但在进行第三次操作时，故障终于再现，断路器A相合闸失败，三相不一致动作，三相跳闸。由于三相不一致继电器K61得电动作，导致合闸总闭锁继电器K12失电动作，合闸回路断开。

现场将复位按钮S3复位，再次对断路器控制回路进行检查测量，未发现回路异常。检修人员再次尝试进行就地手动合闸，三相都合闸成功，但是合闸总闭锁继电器K12却未吸合，合闸回路总闭锁，但是三相不一致出口继电器K61、K63未吸合，这次三相不一致未动作。

合闸总闭锁K12继电器的断电条件包括：K81漏氮告警继电器、K2合闸油压低闭锁继电器、K7防跳继电器、K61三相不一致继电器、K10分闸总闭锁。现场分闸总闭锁继电器K10吸合，分闸回路未闭锁，可以排除。三相不一致继电器K61未动，可以排除。通过电压法测量，将故障范围缩小到到K7、K2、k81三个继电器这段回路，这三个继电器装设在集成电路板上，测量电位比较困难。通过间接法测量继电器K2、K81端子未动作，基本确定K7继电器动作了。

再次对合闸回路进行测量，测量端子排1002上监视回路5a端子+10V，而5b，5c端子都是+55V，电位不正常。将5a线头拔出检查，测量5a线端子上+55V，1002剩下端子-55V，有负电传过来，但此时合闸回路S1LA常闭节点应该是打开状态，负电过不来。

于是怀疑辅助开关节点可能发生粘连，测量合闸控制回路辅助开关节点S1LA31、32，都是-55V，再将31线头拔掉，31线上-55v，31节点上没电，而32节点上也是-55V，辅助开关节点没有粘连。

若控制回路中各元器件均正常，在分闸状态下，S1LA辅助开关常开节点打开，常闭节点闭合，如图所示。在合闸状态下，S1LA辅助开关切换，常开节点闭合，常闭节点打开，且二极管无法反向导通，因此二极管正端电压为-55V，而二极管负端1002端子上电压应该约为55V，而非-55V，因此怀疑该断路器V12LA的二极管性能异常。由于二极管性能异常，发生反向导通，监视回路5a端子上正电从二极管负端串到二极管正端，导致K7继电器动作。

随后将该二极管找出，将其拆解后对V12LA二极管的电阻进行测试，用万用表欧姆档测量发现该二极管正向导电时电阻达3933Ω，反向导电电阻为3547Ω，用万用表二极管档测量正向电压0.517V，反向电压1.172V。

对该断路器B相（可正常分合闸）的相同的二极管进行电阻测量，用万用表欧姆档测量二极管正向导电时电阻达4.86MΩ，反向导电电阻为无穷，用万用表二极管档测量V12LB正向0.528V，反向导电电阻为无穷，因此确定V12LA二极管异常。

3  故障分析与处理

3.1 合闸控制回路原理

断路器在分闸位置时，跳位监视继电器TWJ正电，经过1002端子，经过断路器辅助开关常闭节点S1LA31、32，经过合闸线圈Y1LA，再经过合闸总闭锁继电器K12常开节点（正常状态吸合）到负电，分闸位置指示灯亮，实现分位监视。

断路器远控A相合闸操作时，正电从测控端子7a过来，经过远近控切换开关，经过二极管V12LA，经过1002端子，经过断路器辅助开关常闭节点S1LA31、32，经过合闸线圈Y1LA，再经过合闸总闭锁继电器K12常开节点到负电，合闸线圈动作，实现合闸。

断路器合闸后，辅助开关S1LA常开常闭节点进行切换，合闸回路中常闭节点S1LA31、32打开，防跳回路中防跳继电器K7前面串联的S1LA常开节点闭合。此时，如果合闸回路还有正电过来，合闸回路中常闭节点S1LA31、32已经打开，合闸回路不通，但是可以经过S1LA常开节点（此时闭合），经过防跳继电器K7到达负电，防跳继电器K7吸合，防跳功能启动。此时虽然合闸命令存在，合闸回路有正电过来，但是合闸回路不通，不会再进行合闸动作。

3.2 合闸总闭锁回路原理

合闸总闭锁K12继电器的断电条件包括：K81漏氮告警继电器、K2合闸油压低闭锁继电器、K7防跳继电器、K61三相不一致继电器、K10分闸总闭锁。而K10分闸总闭锁的断电条件又包括：K3分闸油压低闭锁继电器、K5 SF6低闭锁分合闸继电器、K14漏氮延时闭锁分闸。

当油泵打压至355bar且油泵继续打压时，K81漏氮告警继电器启动闭锁合闸，3小时后K14漏氮延时继电器启动闭锁分闸;

当油压低至278bar时，K2合闸油压低闭锁继电器启动闭锁合闸，油压低至263bar时K3分闸油压低闭锁继电器启动闭锁分闸;

当SF6气压低至闭锁值K5继电器启动闭锁分合闸;

当断路器三相状态不一致时，K61三相不一致继电器启动，断路器三相跳至分位同时闭锁合闸;

当合闸命令节点粘连或合闸按钮卡死，合闸回路持续给电，防跳继电器K7启动闭锁合闸回路。

正常情况下，K12和K10继电器都是吸合状态，一旦有一个控制条件不满足，都会导致合闸闭锁继电器K12断电，合闸回路总闭锁。

3.3 故障现象分析

综合断路器分合位位置指示灯同时亮、A相无法合闸、防跳继电器K7动作三个故障现象进行分析：

当断路器全部合位时，合闸位置指示灯应该正常亮起，而跳闸位置指示灯亮是由于跳位监视继电器TWJ通过劣化的二极管反向导通和防跳回路形成导通回路，因此造成了断路器合闸后分、合闸指示灯都亮的现象。

由于二极管性能异常，当进行合闸操作时，回路电阻变大，流过合闸线圈电流减小，达不到合闸线圈动作条件，导致A相合闸线圈不动作，A相合闸失败。

由于二极管发生反向导通，监视回路5a端子上正电从二极管负端串到二极管正端，导致防跳继电器K7继电器动作，从而合闸总闭锁K12继电器动作，闭锁合闸回路。

该二极管的性能劣化处于一个动态变化的过程，因此造成了多个故障现象，具有很强的迷惑性，给快速排除故障带来了不少麻烦。

3.4 故障处理

经过对现场一系列故障现象的诊断分析，最终将故障原因确定为二极管元件性能异常。随后，检修人员立即寻找备品，将故障的二极管进行了更换处理。更换二极管后，合闸回路检查正常，现场进行五次就地分合闸测试和五次远控分合闸测试，现场三相分合闸正常，后台显示的分合闸状态正常，分合闸位置指示灯显示正常，最终故障成功消除。

4  防范措施

目前老式德国西门子断路器产品使用此种结构的二极管，在运行过程中可能存在劣化失效的情况，因此提出以下建议：

（1）在例行停电检修时，针对西门子断路器二次回路中使用的二极管进行重点排查，确保控制回路中二极管性能正常;

（2）目前西门子断路器老式产品使用此种结构的二极管，且该公司不再提供此类备品，一旦发生损坏可能无备品备件替换，因此需要考虑进行此种类型二极管的同类产品性能替代;

（3）对各类断路器跳闸位置监视继电器TWJ接入合闸回路的方式、TWJ与防跳继电器K7线圈的匹配情况进行分析排查，对可能存在的K7通过TWJ持续得电风险的情况应進行回路技术改造，例如在跳闸位置监视回路中多加一副断路器辅助开关常开节点从而避免串电可能，进一步提高产品运行可靠性。

5  结语

通过对一起500kV西门子断路器合闸故障检查处理过程进行仔细分析，找出了该型号断路器的拒合故障原因，并提出了相关防范措施和改进建议，从而避免此类故障再次发生，影响电网运行安全。

参考文献

[1] 景棹.500kV断路器合闸电阻故障分析及应用维护[J].财富时代，2020（6）：199.

[2] 彭翔天，高燃，万礼嵩，等.500kV断路器合闸电阻故障分析及运行建议[J].东北电力技术，2020，41（7）：53-56.

[3] 林晓辉.关于轴承引起断路器合闸故障分析及处理[J].现代国企研究，2019（12）：75.

[4] 杨建伟，王振星.断路器合闸线圈烧坏故障分析与处理[J].农村电工，2020，28（10）：48.

[5] 朱继鹏.高压断路器操作机构故障诊断方法研究[D].北京：华北电力大学，2019.

[6] 张强.低压万能式断路器机械故障诊断及程度评估方法的研究[D].天津：河北工业大学，2017.