一起110kV组合电器断路器弹簧机构故障分析

罗湘慈 熊宏平 袁进雄

摘要：断路器是电网中最重要的电气设备之一，在电网中起着投切电气设备，切除故障电流等保护作用。如果断路器发生异常不及时消除，则在系统发生故障时，事故范围将有可能扩大。分析断路器的故障原因，及时消除设备异常，提高设备运行可靠性，保证电网安全具有重要意义。以一起110kV组合电器斷路器弹簧机构在运行中发生的异常为研究对象，在分析合闸弹簧预压力对断路器合闸时间、速度影响的基础上，对断路器故障进行分析，提出对断路器同类性故障处理意见及防范措施。

关键词：组合电器;断路器;弹簧机构;缺陷分析

引言

110kV高云变电站，110kV室内设备采用山东泰开高压开关有限公司生产的ZF10-126组合电器，三台断路器配CT26弹簧操作机构。2021年3月3日，运维人员正常巡视110kV高云变电站组合电器502断路器时发现：断路器弹簧机构储能拉杆已储能指示位置、储能扣板及凸轮位置方向与站内500、504间隔不一致。存在正常操作时导致断路器拒分，烧毁分闸线圈;线路故障时断路器拒分，越级跳闸，造成电网事件的风险。通过初步分析该故障的主要原因系合闸弹簧预压力发生改变所致，立即对断路器进行检修。

一、故障简述

经现场检查，502断路器机械、电气位置指示处于合闸状态，高压带电显示正常，后台电流及负荷显示正常，无异常信号。打开机构箱门检查发现502断路器弹簧机构储能拉杆位置指示不到位，储能扣板及凸轮位置方向与500、504间隔不一致，辅助开关拉杆连接螺帽松动，分合闸线圈正常。

二、缺陷处理情况

2.1经初步分析高云变电站三台断路器系同一厂家、同一时间、同一批次产品，查询设备运行记录发现504断路器有同类性缺陷，发生该故障的主要原因系合闸弹簧预压力发生改变所致。3月25日变电站502、500、504断路器停电检修，对三台断路器操作机构合闸弹簧进行了更换，经调试断路器回路电阻、机械特性及低电压动作试验合格。

2.2、现场试验数据

三、故障原因分析

3.1断路器合闸不到位分析

断路器分合闸动作时，弹簧输出操作功，通过传动部件带动灭弧室本体进行分合。当出现断路器合闸不到位卡滞时，此时断路器本体内灭弧室运动部件的质量并没有发生变化，出现问题可能的原因：一是传动环节阻力变大;二是合闸弹簧预压量调整不当，预压值较小，导致弹簧输出力值较小，合闸操作时不足以使断路器顺利合闸。

产品厂内装配时，各传动环节按照工艺规范需涂抹适量的润滑脂，产品供货后，图中“导杆传动”“机构传动”等位置长期暴露在空气中，经长时间的静置，导杆表面以及部分传动轴销连接件，会沾有一些灰沙粉尘等。同时，涂抹的润滑脂存在粘滞和挥发特性，增大了内摩擦系数。这样，在粘附杂质和摩擦系数的影响下，开关动作过程中可能会出现阻力增大的现象。

由于开关长期处于运行状态，操作较少，长期静置后有导致分合闸阻力增大的可能性，且第一次分合闸力矩有明显偏大的可能性。

断路器配备的 CT26 机构，其中分合闸弹簧分别置于各自的弹簧筒内，提前施加一个预紧力，用以调整分合闸弹簧输出力值大小，预压量分别如下图1中 L1 和 L2 所示：

通过对分合闸弹簧预压量的调整，使断路器分合闸速度、时间符合技术要求。合闸弹簧预紧调整不当时，预压余量较小，合闸阻力无变化时，短期内断路器可正常进行分合动作。当传动环节阻力变化时，可能由于合闸弹簧的预压裕度较小，此时出现弹簧的预压值与断路器的合闸特性不匹配，严重时导致合闸不到位。

分闸弹簧的预压调整也会影响断路器合闸特性。CT26机构合闸操作功一般分为四个部分：a、带动断路器合闸操作;b、给分闸弹簧储能;c、运动构件摩擦消耗;d、合闸缓冲器吸收的能量。

当分闸弹簧的预压量调整较大时，断路器合闸操作中，除克服摩擦阻力外，还需克服对分闸弹簧的预压，由于分闸弹簧的调整不当，也极有可能造成合闸不到位。当传动阻力增大，弹簧预压量不足，合分闸速度下降超出技术要求时，运动系统末端动能发生改变，机构缓冲特性也会出现不匹配;此时增加弹簧预压量，调节合分闸速度达到技术要求值后，机构缓冲特性才能恢复为与相应末端动能匹配。

3.2 电动不能分闸分析

①当机构合闸完成时，机构拐臂和合闸保持掣子扣接，合闸保持掣子和分闸掣子扣接，合闸状态得到保持。同时分闸弹簧能量储满，以备后续的分闸操作。当机构接到分闸信号，分闸电磁铁吸合，推动分闸掣子转动，为合闸保持掣子让开位置。这时候分闸弹簧能量释放，拐臂在弹簧的拉动下进行分闸。

②当机构出现合闸不到位的异常时，凸轮和大拐臂挤住，大拐臂和掣子无法扣接，机构无法进行分闸动作。若对此时的机构施加分闸信号，由于机构无法分闸，分闸线圈长期带电，会导致分闸线圈烧坏。

3.3 储能指示异常分析

断路器因合闸不到位，机构储能凸轮与行程开关仍未脱离接触，机构无法储能。根据弹簧机构的储能原理，在合闸不到位的情况下，即使行程开关接通，储能电机转动，也只能空转，棘轮和棘爪无法接触，无法实现储能，最终烧毁电机。故出现合闸不到位的情况下，必然会出现储能状态异常。

3.4 机构弹簧性能分析

若弹簧性能在长期运行后发生了疲劳，导致弹簧力值减小，是有可能发生操作功不足，合闸不到位现象的。对该型产品所配弹簧进行了力学特性检测，测量值如表1、2、3，测试的压缩量对应关系见下图2：

3.5、试验数据分析：该批断路器交接试验日期为2015年11月，从上表中交接与检修前后试验数据及弹簧测试数据分析，三台断路器分、合闸时间，分、合闸速度均有明显变化，其主要原因是分合闸弹簧传动阻力增大，弹簧预压量不足，分合闸速度下降，导致合闸不到位。

四、结论和防范措施

4.1结论

以上分析表明，某变电站110kV组合电器三台断路器新安装调试合格后，短期内合闸阻力基本无变化，断路器合闸特性不会发生明显改变。随设备投运时间的增加，传动环节阻力增大，合闸弹簧预压力发生变化，合闸特性受到阻力增大的影响，出现合闸速度降低导致机构合闸不到位。

4.2防范措施

（1）同类设备巡视时重点检查项目

①查看断路器分合指示是否与开关本体一致;

②查看后台二次信号指示是否与开关本体实际状态一致;

③查看储能状态是否正常;

④查看辅助开关拉杆是否正常。

（2）在停电检修时对其它同型产品进行排查。通过实测预紧与特性数据的对比，判断现场设备所配弹簧的调整或力值输出是否符合技术要求。如有特性超差的，可通过调整弹簧预压量予以消除，无法消除的更换弹簧。

排查方法：①对间隔断路器进行机械特性测量，测试断路器分合闸时间和速度是否符合技术要求，如有特性超差的，可通过调整弹簧预压量予以消除，若无法消除的进行更换弹簧处理。②特性合格的，为进一步提高合闸操作功的裕度，需进行进一步验证试验，试验方式为：将断路器合闸弹簧的预压量回退 5mm，再次进行特性试验，查看此时断路器是否可以正常进行分合闸，查看特性参数值是否符合技术要求值。如符合，将此合闸弹簧再压紧 5mm（复原），此间隔排查完毕。通过此种验证，预留 5mm合闸弹簧预压量的操作功以克服由于长期运行不动作造成的合闸阻力增大。

（3）新设备投运时，严格按照设备的验收标准把好旁站验收关，旁站试验项目需签名确认。

参考文献：

[1]徐国政，张节容，钱家骊，黄瑜珑.高压断路器原理和应用[M].北京：清华大学出版社，2004

[2]周帆.高压断路器在线监测及故障诊断系统设计探讨[J].电子元器件与信息技术.2020，4（10）

作者简介：罗湘慈（1967-），男，汉，湖南慈利人，大专，高级工程师，主要研究方向：变电设备检修。