高压断路器弹簧机构故障诊断处理

杨伟伟

上海思源高压开关有限公司  上海   201108

摘要：高压断路器用于接通或断开线路，是电力系统中最重要的控制和保护设备。弹簧机构是高压断路器的驱动部件，因操作能量小、分合闸速度快、机械寿命长等特点，在高压断路器中被广泛使用。[1]弹簧机构机械结构复杂，零部件加工精度要求较高，所以容易发生故障影响电力系统的稳定运行。本文主要总结和分析了断路器弹簧机构的常见故障，提出了故障的诊断处理和预防措施，以供相关人士借鉴和参考。

关键词：高压断路器；弹簧机构；故障诊断

引言：

在我国经济快速发展的背景下，工业化水平得到了有效提升，各行各业对电力系统的要求也越来越高。SF6断路器因其优异的开断和灭弧性能，在各种电压量级以及网络线路中的应用越来越广泛。操动机构作为断路器的驱动部件，受到各开关厂家及用户的高度重视，常用于SF6断路器的操动机构有弹簧机构、气动机构和液压机构等。随着SF6断路器的发展，自能式断路器已在550kV以下电压等级中广泛应用，也带动了弹簧操动机构的研究和开发，稳定性得到了大幅提高，弹簧机构因结构小巧、无漏油和漏气之风险、维护简单等特点，在系统中的应用占比越来越高。相比气动和液压机构，弹簧操动机构的结构比较复杂，零件数量多，加工要求高，传动环节较多，对产品质量控制要求较高。[2]从国网等系统用户的故障统计数据看，弹簧机构仍然存在一些常见的故障，主要包括拒动故障和误动故障两方面。 为了实现弹簧机构故障问题的快速诊断和排除，本文简要介绍了弹簧操作机构的结构和工作原理，对故障表现、原因及预防措施进行了分析说明。

一、弹簧操动机构的主要结构和工作原理

弹簧操动机构是利用已储能的弹簧作为动力使断路器动作，弹簧储能通常由电动机通过减速装置来完成。[3]弹簧操动机构分为储能模块、合闸脱扣模块、分闸脱扣模块等三个功能模块，每一个系统的可靠运行都关系到整个机构的安全运行，弹簧机构结构见图1所示。

图1 弹簧机构结构示意

1.1弹簧储能：

储能电机（或储能手柄）通过储能系统带动凸轮转动，压缩合闸弹簧，当储能轴转到某一角度时，行程开关切断电机供电，电机停转，传动装置在惯性作用下继续转动一定角度后停转，合闸弹簧储能完成。

1.2合闸脱扣：

机构接收到合闸信号后，合闸电磁铁5.2励磁，顶杆撞击合闸L杠杆5.3、推动合闸挚子5.1和支架5.4顺时针转动，释放凸轮5.26顺时针旋转，合闸弹簧释放能量，储能轴5.22转动，从而使传动拐臂5.8上的滚子5.5沿凸轮5.26运动，并将运动传输至输出轴5.9，通过输出拐臂5.7传动机构5.23、绝缘拉杆5.24传输到灭弧室动侧，完成合闸，同时压缩分闸弹簧储能。合闸到位后，连杆5.39运动，行程开关切换，电机启动，合闸弹簧重新储能，同时合闸保持挚子卡住主拐臂上的合闸保持销使机构保持在合闸位置。

1.3分闸：

机构接收到分闸信号以后，分闸电磁铁5.16励磁，顶杆冲击分闸L杠杆5.15逆时针转动，分闸杠杆5.14、分闸挚子5.12顺时针转动，释放羊角挚子5.11，输出拐臂5.7和传动拐臂5.8在分闸弹簧的作用下逆时针旋转至分闸位置。同时，灭弧单元5.25由绝缘拉杆5.24、传动机构5.23拉至分闸位置，完成分闸。

二、弹簧操动机构常见的机械故障

2.1弹簧操动机构的拒动故障

在高压断路器弹簧操动机构当中，容易出现拒动这一机械故障，拒动故障主要包括拒合故障和拒分故障两个方面。

对于拒合故障问题来说，一方面表现在在弹簧操动机构的电磁铁无法正常启动，产生这种现象的主要原因包括铁芯被卡住、线圈出现断线或烧损的情况、线路连接出现脱落或松动的现象等，这些原因都导致铁心无法正常启动。另一方面，即使铁芯能够正常启动，但是四连杆不能动作，造成这种现象的主要原因是由于线圈的电压相对较低，导致铁芯的动作受到一定的阻碍，同时，由于牵引杆被合闸锁扣扣入的深度相对较大，导致扣合面难以进行变形，加上摩擦力相对较大的原因，导致弹簧操动机构出现拒合故障。另外，如果四连杆能够正常动作，但是由于固定点与牵引杆之间的距离相对较小，导致弹簧操动机构出现卡涩现象，导致四连杆变形，从而出现机构的拒合故障。

2.2弹簧操动机构的误动故障

弹簧操动机构出现的误动故障主要包括三个方面，一方面是弹簧操动机构储能之后，自动地完成合闸动作，造成这种现象的主要原因是由于四连杆的固定点和受力点之间的距离相对较小，导致四连杆无法及时的完成复位，从而导致弹簧出现变形现象。其次，如果扣合面变形或者扣入深度相对较浅的话，就会导致支撑螺栓存在锁不住的情况，或者出现变形或者松动现象。另外，如果弹簧操动机构的马达电能耗尽以后，会使得固定点与杆之间的距离增大，导致弹簧操动机构的出现误动故障。另一方面，在没有信号的情况下，弹簧操动机构自动进行分离，造成这种现象的主要原因是由于二次线路中出现混线现象，在二次回路当中容易出现两点接地现象，在进行最低动作时，分闸磁铁的电压相对较低。最后一方面是弹簧操动机构存在合后即分现象，造成这种现象的主要原因是分闸回路中存在电流，导致在没有受力的情况下，分闸锁钩复归过程中的间隙增大，无法及时进行复位，从而导致误动故障。

三、弹簧操动机构机械故障的诊断技术

（一）分合闸线圈电流检测技术

在对高压断路器机械故障进行诊断的过程当中，可以采用分合闸线圈电流检测技术，这个技术主要利用的原理是当电流通过线圈时，磁场会产生一定的磁力，在磁力的辅助作用下，可以对电闸进行分离和闭合操作。同时，在电流通过线圈的过程当中，也会产生一定的电流波，相关人员可以通过对电流波进行观察，对高压断路器的各个部件的运行状态进行掌握，可以对高压断路器的各个参数进行分析，主要包括发电机的电枢期数、电闸的分合速率、闸分合所花费的时间等参数，能够有效地判断高压断路器是否正常进行工作。在高压断路器的运作过程当中，可以利用分合闸现象电流检测技术进行检测，而且这种检测技术操作起来相对简单，但是这种检测技术也具有一定的缺点，这种检测技术在检测过程当中主要是对铁心部分进行检测，但是将其他部位存在的故障问题及时检测出来[2]。

（二）行程和时间特性曲线检测技术

在对高压断路器机械故障进行诊断的过程当中，可以采用行程和时间特性曲线检测技术，这种检测技术主要是通过对行程和时间形成的特性曲线以及动触头的相关参数进行综合分析，能够快速有效的得出准确的机械转动参数。对电闸进行分合操作的过程当中，其中最直接的方式就是动触头，在对机械故障问题进行诊断的过程当中，可以在高压断路器上安装编码器，编码器主要包括两种，一种是直线式的曲线光电编码器，通过直线运动形成关于行程和时间的一种特性曲线，能够有效地将机械传到机构连杆上；另一种是增量式的光电编码器，这种旋转式的编码器主要安装在机械操动机构的转动轴上，能够快速有效地采集到传感器上的相关测量数据，然后将这些数据形成行程和时间的特性曲线。相对于直线式的广电编码器，旋转式的光电编码器有更大的优势，利用这一编码器进行机械故障诊断的过程当中，虽然能够有效地检测出高压断路器的机械特性，但是这种方法可以利用的信息数据相对较少，在一定程度上影响了其检测结果的准确性。

四、预防措施

在日常应用中应采取的预防措施包括巡视检查和维护检修：第一，按检修规程及历史数据设置检修内容及频次，要始终坚持应检尽检、应修尽修，高质量完成检修任务；第二，适当以年为周期对齿轮传动部件、挚子扣接部位、轴承等转动及传动部位添加润滑剂，测量电磁铁电阻，确认在合格范围，并配合一定次数的电动操作和手动操作以确保机构正常运转。

五、结束语

综上所述，在高压断路器的稳定运行过程当中，弹簧操动机构的可靠性占有非常重要的地位。相关人员需要采取有效的故障诊断技术，挖掘出产生机械故障的原因，然后采用实用可行的检修流程，针对性地对故障进行排查和解决，为高压断路器的正常运行提供保障。

参考文献：

[1] 叶剑峰，熊宇. 变电站断路器卷簧断裂分析[J]. 湖北电力, 2020(19):2.

[2] 赵文昌. 110kV断路器弹簧操动机构储能回路故障分析与处理[J]. 电子世界 2013:5

[3] 丁红. 真空断路器永磁操动机构同步控制器的研究[D]. 中南大学大学硕士论文 2010:6