目前，在發(fā)電廠、變電站、大型工廠等地方均運用大量的高壓斷路器。操動機構(gòu)是高壓斷路器的重要組成部分，而彈簧操動機構(gòu)具有成套性強、制造工藝要求適中、體積小、合閘電流小等特點，目前在10～35kV斷路器的運用非常廣泛。

部分彈簧操動機構(gòu)在開始投入運行的前幾年機械特性都比較穩(wěn)定，但是在運行時間長的情況下，由于合閘半軸磨損、復(fù)位彈簧變形等原因，會導(dǎo)致斷路器在不該合閘時自動合閘。在故障情況下，保護裝置加速跳開斷路器后，若斷路器自動合閘，則會加重對電網(wǎng)及電力設(shè)備的沖擊及損害。

斷路器因彈簧操動機構(gòu)老化而自動合閘的情況給電網(wǎng)的安全運行帶來極大的風(fēng)險，亟需分析和防范。本文通過對一起斷路器反復(fù)分合閘事件的分析，提出一套相應(yīng)的解決方案。

1 彈簧操動機構(gòu)的構(gòu)成及工作原理

彈簧操動機構(gòu)主要由儲能機構(gòu)、電磁系統(tǒng)和機械系統(tǒng)組成。以CT17彈簧操動機構(gòu)為例，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。彈簧操動機構(gòu)通過電動機的轉(zhuǎn)動產(chǎn)生動能，電動機再通過減速裝置和儲能機構(gòu)的動作，使合閘彈簧儲存機械能。儲能完畢后，通過閉鎖彈簧使彈簧保持在儲能狀態(tài)，然后切斷電動機電源。

該閉鎖由圖1中的復(fù)位彈簧、合閘半軸及儲能完成卡口組成。當(dāng)斷路器收到合閘信號時，合閘彈簧將解脫合閘閉鎖裝置，以釋放合閘彈簧的儲能。

這部分能量中的一部分通過傳動機構(gòu)使斷路器的動觸頭動作，進行合閘操作；另一部分則通過傳動機構(gòu)使分閘彈簧儲能，為分閘做準(zhǔn)備。在合閘動作完成后，電動機立即接通電源，通過儲能機構(gòu)使合閘彈簧重新儲能，以便為下一次合閘做準(zhǔn)備。當(dāng)收到分閘信號時，分閘彈簧將解脫自由脫扣裝置，以釋放分閘彈簧儲存的能量，并使觸頭進行分閘動作。

圖1 彈簧操動機構(gòu)

（1—合閘半軸；2—合閘半軸上的卡口；3—復(fù)位彈簧；4—合閘彈簧；5—減速裝置）

2 一起斷路器反復(fù)分合閘事件的分析

2.1 事件過程

2016年11月23日，某110kV變電站10kV某饋線發(fā)生單相接地短路故障。該站10kV系統(tǒng)為小電阻接地方式，故障線路保護裝置在820ms后零序過流保護動作跳閘，斷路器跳閘后1023ms重合閘動作，重合于永久性故障，221ms零序加速保護動作跳開斷路器。

斷路器在跳開后經(jīng)過10s左右又再次合上，合閘于故障，保護裝置零序加速保護再次動作跳開斷路器。斷路器跳開后經(jīng)過10s左右又再次合上，再次合閘于故障，零序加速保護再次動作跳開斷路器。斷路器進入了不停地合閘、分閘的循環(huán)狀態(tài)。

2.2 事件分析

事件發(fā)生后，對該饋線保護裝置、電氣回路及開關(guān)機構(gòu)進行了各項檢查和試驗，逐步排查可能的原因。

通過試驗和檢查發(fā)現(xiàn)：

1）在斷路器合閘狀態(tài)下，彈簧已儲能，直接手切斷路器，斷路器分閘，未出現(xiàn)自動重合現(xiàn)象。

2）在斷路器合閘狀態(tài)下，彈簧已儲能，直接手切斷路器，然后迅速手合再次手切，斷路器開始進行彈簧儲能，在儲能完成時斷路器出現(xiàn)自動合閘 現(xiàn)象。

3）在儲能過程中，用萬用表監(jiān)視合閘電氣回路，當(dāng)斷路器自動合上時，未監(jiān)視到有合閘脈沖。

4）在斷路器合閘狀態(tài)下，彈簧已儲能，僅保留儲能電源，切斷保護裝置電源、控制電源，在斷路器機構(gòu)本體進行分閘，然后迅速合閘再次分閘，儲能完成時出現(xiàn)自動合閘現(xiàn)象。

以上試驗表明，開關(guān)的自動合閘現(xiàn)象與開關(guān)保護裝置及控制回路無關(guān)。

5）檢查保護裝置防跳回路，回路正確，但并無法阻止開關(guān)反復(fù)分合閘。

6）對斷路器彈簧操動機構(gòu)進行檢查。該彈簧操動機構(gòu)為CT17的操動機構(gòu)，如圖1所示。經(jīng)過檢查，發(fā)現(xiàn)斷路器在分閘狀態(tài)進行儲能時，在儲能完成瞬間自動釋能，斷路器自動合閘。其自動釋能的原因是復(fù)位彈簧（圖1中的3）變形導(dǎo)致其拉動的合閘半軸（圖1中的1）偏位，彈簧儲能后卡于合閘半軸上的卡口（圖1中的2）無法卡住，導(dǎo)致彈簧釋能，斷路器合閘。

發(fā)生該起事件后，對相關(guān)運行時間超過8年以上的彈簧儲能機構(gòu)的斷路器進行了相應(yīng)的檢查，發(fā)現(xiàn)采用復(fù)位彈簧保持合閘半軸平衡方式的機構(gòu)存在相同的問題。雖然檢查發(fā)現(xiàn)問題的機構(gòu)數(shù)量較少，但是通過以上分析可以看出，合閘半軸的復(fù)位彈簧變形會造成彈簧儲能到位后儲能機構(gòu)無法自保持，導(dǎo)致自動釋能進行合閘，釋能后彈簧又開始儲能。

若此時線路上發(fā)生永久性故障，則斷路器在跳閘、重合于故障后本應(yīng)加速跳開隔離故障，而由于重合閘后，彈簧儲能到位時又自動釋能，導(dǎo)致斷路器再次合閘于故障，斷路器便進入跳閘、合閘的死循環(huán)，造成斷路器反復(fù)分合閘的故障。斷路器反復(fù)分合閘的故障會對一次設(shè)備造成極大的沖擊，甚至?xí)?dǎo)致斷路器嚴(yán)重?fù)p毀。

由于本次開關(guān)分合閘事件是由機械原因造成的，所以目前所采用的電氣防跳回路不能起到防止這類開關(guān)跳躍的作用。而彈簧儲能的儲能電動機回路也無法阻出現(xiàn)這種不停儲能的情況。儲能電動機回路如圖2所示。

電動機儲能回路只是簡單采用空氣開關(guān)K對電動機儲能回路進行保護，只有在儲能回路短路或電動機堵轉(zhuǎn)的情況下，儲能回路電流增大到超過空氣開關(guān)K的動作值，空氣開關(guān)才會跳開。對于這種不斷儲能的情況，電流無法使空氣開關(guān)K動作，無法切除儲能電動機回路，使儲能電動機停止儲能，從而防止以上情況出現(xiàn)。

圖2 儲能電動機電氣回路

3 解決方案

目前沒有防止由于儲能彈簧自動釋能而導(dǎo)致斷路器自動合閘的有效方法?，F(xiàn)場只能對運行時間較長的饋線斷路器彈簧操動機構(gòu)進行維護檢修，對于無法停電維護的饋線，只能暫時退出線路的重合閘功能。但是退出重合閘功能會大大降低供電可靠性?，F(xiàn)場亟需一套有效防止出現(xiàn)彈簧自動釋能的保護方案。

本文基于彈簧操作機構(gòu)的構(gòu)成原理、彈簧儲能電動機儲能回路的特點、重合閘方式及現(xiàn)場運行的實際情況，提出在彈簧儲能的電動機回路中接入一個智能控制器的解決方案。

該智能控制器通過檢測儲能電動機回路的電流來判斷斷路器的操作機構(gòu)有沒有在設(shè)定時間內(nèi)進行第二次儲能的行為。若斷路器的操作機構(gòu)在短時間內(nèi)進行第二次儲能，則說明斷路器在反復(fù)分合閘，此時通過串聯(lián)在電動機回路中的繼電器接點斷開電動機回路，阻止斷路器的操作機構(gòu)繼續(xù)儲能，以達到防止斷路器反復(fù)分合閘的目的。

智能控制器的構(gòu)成如圖3所示。圖3中CT為霍爾元件電流互感器，HK為儲能回路投退切換開關(guān)，CK為彈簧儲能行程開關(guān)。智能控制器主要由信號處理器、計數(shù)處理器、計時器、繼電器及電壓變換器等模塊組成。

圖3 智能控制器的構(gòu)成

1）采樣處理

目前儲能電動機回路基本都為直流回路，直流電流的檢測可采用霍爾元件電流互感器（如為交流回路，則可采用交流電流互感器）作為傳感器進行檢測。正常情況下，操作機構(gòu)儲能完成后，彈簧儲能行程開關(guān)CK被斷開，儲能回路基本無電流，只有很小的供給智能控制器工作的電流，將該電流值作為閥值。

電動機每進行一次儲能，電動機電流都將經(jīng)歷從閥值增加至工作電流、再變?yōu)殚y值的過程。檢測重點在于檢測電動機回路的電流變化，以電動機電流的變化過程判斷儲能電動機的行為。故在傳感器之后，應(yīng)經(jīng)過信號處理電路進行相關(guān)處理，以便于檢測該電流的變化。

2）計數(shù)處理

計數(shù)處理器只需檢測電動機電流從閥值增加至工作電流的次數(shù)，即檢測電動機電流的上升沿個數(shù)，便可以得到斷路器操作機構(gòu)的儲能次數(shù)。

3）計時處理

計時器根據(jù)斷路器實際進行一次儲能的時間來確定計數(shù)周期，計數(shù)周期應(yīng)比實際儲能時間稍長，可在實際儲能時間的基礎(chǔ)上加2～3s作為計數(shù)周期。

4）邏輯判斷及出口

斷路器在正常操作過程中或者經(jīng)歷永久性故障時，只會在合閘或重合閘后進行一次儲能，若在設(shè)定的計數(shù)周期內(nèi)，斷路器操作機構(gòu)的儲能次數(shù)超過一次，則說明斷路器起碼進行了兩次合閘，此時應(yīng)斷開儲能回路，起到防止斷路器反復(fù)分合閘的作用。

可通過在電動機回路中串入繼電器的常閉接點斷開儲能回路，當(dāng)計數(shù)器結(jié)果超過1時，驅(qū)動繼電器，使繼電器常閉接點斷開。同時，通過繼電器的常開接點閉合提供告警信號。

若斷路器因檢修需要反復(fù)分合閘試驗，則可通過投退控制功能退出此智能控制器的功能。

通過以上分析可知，本文提出的智能控制器可有效防止出現(xiàn)斷路器因機械老化等原因而導(dǎo)致的彈簧自動釋能合閘現(xiàn)象，有效彌補了目前該領(lǐng)域的空缺。

結(jié)論

10～35kV斷路器目前大量采用了彈簧操動機構(gòu)，而彈簧操動機構(gòu)的儲能保持主要采用了由復(fù)位彈簧、合閘半軸組成及儲能完成卡口組成的方式，比如CT17、CT19、VS1及部分進口的老式彈簧操動機構(gòu)。當(dāng)這類斷路器運行年限較長、儲能保持部分出現(xiàn)機械老化時，將會導(dǎo)致斷路器自動釋能合閘，甚至?xí)﹄娋W(wǎng)、設(shè)備的安全運行造成嚴(yán)重的威脅。

本文對一起斷路器反復(fù)分合閘事件進行了深入分析，闡明了該起事件的根本原因是由合閘半軸磨損、復(fù)位彈簧變形等導(dǎo)致的。針對此現(xiàn)象提出了一個采用儲能回路的智能控制器的解決方案，該控制器可使斷路器在短時間內(nèi)進行第二次儲能時斷開儲能回路，以達到有效防止斷路器反復(fù)分合閘的目的。