一起220 kV弹簧机构断路器分闸故障分析及处理

苗全堂，王佳辉，秦任鹏

(国网山东省电力公司东营供电公司，山东 东营 257100)

0 引 言

高压断路器是电网中重要的一次设备，能够关合、开断电网运行中的正常电流和故障电流，是电网控制和保护的主要执行设备[1]。操动机构是断路器分合闸操作的动力部分，直接控制断路器的分合闸操作，其可靠运行对于断路器正确动作至关重要。操动机构主要有弹簧机构、电磁机构、液压机构3种型式[2]。弹簧机构断路器由于结构紧凑、维护简单、检修次数少等诸多优点，被广泛应用于220 kV及以下电压等级电网中。但分合闸操作失灵仍是弹簧操动机构比较常见的故障，一旦发生类似故障，就会严重影响电力系统安全运行。因此，对发生的弹簧操动机构断路器分合闸故障进行分析并总结经验尤为重要。基于此，介绍了一起典型的由于合闸保持挚子质量不合格导致的220 kV弹簧机构断路器分闸故障，在进行故障处理及原因分析的基础上，对今后设备制造、验收、运检提出相应措施与建议。

1 故障概况

2019年10月19日，某220 kV变电站220 kV组合电器弹簧机构断路器停电过程中A相分闸线圈烧毁、A相保持在合闸位置，B、C两相动作正常、顺利分闸。故障发生时断路器A相如图1所示，故障设备型号为ZFW20-252，出厂时间为2017年6月，投运时间为2017年12月。

图1 故障设备机构箱Fig.1 Mechanism box of fault equipment

2 紧急分闸及本体检查

2.1 故障后紧急分闸处理

将线路对侧停电，拉开断路器控制电源和储能电源，按下分闸线圈衔铁，机构无反应。随后，将烧毁的电磁铁卸下，使用工具将图2中所示分闸挚子向分闸方向压下，分闸挚子可以正常动作，但合闸保持挚子没有反应，仍牢固地锁住主拐臂上的合闸保持销，如图3所示，机构仍然不能分闸。

图2 分闸挚子Fig.2 Switch-off trigger

使用工具助力如图4中所示输出连杆往合闸方向运动，输出拐臂无移动迹象，基本排除了上次合闸不到位导致机构未过死点引起的设备故障。随后，使用工具敲击图3中所示的合闸保持挚子，经过几次敲击后，顺利分闸。

图3 机构分闸故障处Fig.3 Switch-off fault position of mechanism

图4 输出连杆Fig.4 Connecting rod of output

2.2 本体分解物检测

分闸后，对A相灭弧室进行了SF6分解产物检测，SO2及HS等硫化物含量为0，推断A相灭弧室无燃弧现象，验证了上次合闸确实已经到位，同时也说明分闸线圈烧毁时A相处于完全合闸状态，输出拐臂还未往分闸方向动作。

3 原因分析及后续处理

3.1 弹簧机构原理介绍

弹簧操动机构是一种以弹簧作为储能元件，通过弹簧能量的释放实现断路器分、合闸操作的机械式操动机构[3]。弹簧操动机构的工作原理如图5所示，合闸弹簧由电机经减速装置实现压缩储能，分闸弹簧通过合闸弹簧能量的释放及机械联动实现压缩储能，并经各自的锁扣系统进行状态保持。设备正常运行时，分、合闸弹簧均处于已储能状态[4]。

图5 弹簧机构原理图Fig.5 Schematic diagram of spring mechanism

合闸时，合闸电磁铁带电动作，顶杆冲击合闸挚子，合闸锁扣系统解锁动作，合闸弹簧释放，经机械传动带动断路器触头合闸，同时，压缩分闸弹簧储能[5-6]。分闸时，分闸电磁铁带电动作，顶杆冲击分闸挚子，分闸锁扣系统解锁动作，分闸弹簧能量释放，经机械传动带动触头分闸。

3.2 原因分析及故障消除

正常合闸完成后，分闸系统机械结构如图6所示，合闸保持挚子主要受到外部的4个作用力：F1为在分闸弹簧拉力作用下主拐臂上合闸保持销的压力；F2为合闸保持销的摩擦力，由于合闸保持销具有轴承，因此，为滚动摩擦力，相比滑动摩擦力较小；F3为分闸挚子的压力；F4为合闸保持挚子压紧弹簧的复位力。

图6 分闸系统机械结构Fig.6 Mechanical structure of switch-off system

F1的力臂L1如图6所示，F1的力矩M1使合闸保持挚子逆时针转动，F2、F3、F4的力矩M2、M3、M4使合闸保持挚子顺时针转动。合闸完成后，逆时针力矩与顺时针力矩平衡，合闸保持挚子静止，机构维持在合闸状态。当分闸挚子受分闸电磁铁顶杆撞击动作后，作用力F3消失，平衡状态被打破，合闸保持挚子在力矩M1的作用下逆时针转动，释放合闸保持销，主拐臂在分闸弹簧的作用力下顺时针转动，实现分闸。本次故障时，作用力F3消失后，合闸保持挚子并未动作，根据其受力状况，分析可能的原因有：

1)作用力F1异常减小。分闸弹簧的复位力大小直接决定了F1的大小，分闸弹簧结构如图7所示，包括分闸弹簧、活塞杆、缓冲缸等部件。在分闸过程中，活塞杆动作近似直线运动，分闸弹簧输出力很大，在动作过程中出现卡涩的概率很小。上述处理过程中，通过敲击合闸保持挚子顺利分闸，而没对分闸弹簧进行任何操作，从而排除了分闸弹簧活塞杆和缓冲缸研缸的故障。

图7 分闸弹簧结构Fig.7 Construction of switch-off spring

2)作用力F4异常增大。由于F4为压紧弹簧的复位力，弹簧复位力应随运行时间增长而变小，不存在异常增大的可能性。

3)作用力F2异常增大。若合闸保持销滚动轴承损坏后，滚动摩擦变为滑动摩擦，合闸保持销摩擦力F2会异常增大。若材料硬度不够，合闸保持销和合闸保持挚子接触点表面出现压痕而不再光滑，也会使摩擦力F2异常增大。

基于以上分析，对机构零部件进行检查，发现主拐臂上的合闸保持销外观良好、转动灵活。合闸保持挚子工作面存在宽度和深度不均匀的凹痕，而且磨损程度也不均匀，确定合闸保持挚子损坏，拆下后的合闸保持挚子如图8所示。

图8 损坏的合闸保持挚子Fig.8 Damaged switch-on holding trigger

确定故障原因后，对合闸保持挚子进行了更换。更换完成后，对机构转动部件涂抹了润滑脂，对断路器机械特性进行了测试，测试数据合格，故障消除。

对损坏的合闸保持挚子进行硬度检测，测得其硬度为HRC47，低于HRC52±2的技术要求。在2017年进行出厂及交接机械特性试验时，均没有发生分闸故障，但经过近两年的合闸运行后，再次分闸时发生故障。结合其检测结果可知，本次故障是由于断路器长时间处于合闸状态时，不合格的合闸保持挚子长时间受合闸保持销的应力而表面产生较大磨损所致。

4 结 语

介绍了一起220 kV组合电器弹簧机构断路器因合闸保持挚子质量不合格导致的分闸故障，为了防止类似故障再次发生，提出以下几点建议：

1)加强制造环节质量管控，选用优良零部件。弹簧操动机构由上百个零部件组成，制造厂每个零部件质量都应把控好，尤其是合、分闸过程需要承受较大应力的转动轴销、挚子类零件。选用质量优良的零部件是机构性能可靠的前提。

2)加强设备验收管理。到货验收，应逐一检查断路器的生产记录、核心零部件检测合格证等出厂资料，交接验收。对机械性能试验进行现场关键点验证，防止断路器带缺陷投运。

3)提高设备运检质量。合理安排断路器维护、检修计划。检查各传动组件有无异常磨损、变形，对机构传动轴承和轴销涂抹润滑脂。检修完后进行机械特性试验，确保机械特性参数合格。