时间特性在断路器操作机构内部故障诊断中的应用

赵国汉，慎志勇，骆佳勇

（中国长江电力股份有限公司白鹤滩电厂筹建处，四川 凉山615400）

1 引言

断路器在电网中承担着正常运行时关合、分断电流，故障时在继电保护装置的控制下快速切断故障电流的功能，在电网运行、控制中起着至关重要的作用，其运行、维护和检修情况与系统可靠性密切相关。断路器的分、合闸时间应在一定范围内，时间过长或过短均会对断路器造成危害。合闸时间过长，则断路器动静触头刚合速度过低，延长了预击穿时间，增大了触头熔焊的风险；分闸时间过长，则电弧燃烧持续时间增大，促使触头熔化，在切断短路电流工况下会引起动静触头熔焊，造成断路器越级跳闸的严重后果；若断路器分、合闸时间过短则会对断路器操作机构的元器件强度造成较大冲击，损坏断路器操作机构元器件或引起断路器震动[1]。

由此可见断路器分、合闸时间与断路器的可靠运行密切相关，任一型号的断路器都有一个合理的分、合闸时间区间，断路器的操作机构选定后这一区间也就确定。断路器操作机构故障会使其分、合闸时间偏离这一区间，从而给断路器的稳定运行带来极大危害，所以从断路器的时间特性数据中诊断识别出其操作机构的内部故障就显得尤为重要。

时间特性试验是断路器常规预防性试验中判定断路器动作能力的唯一试验，具有不可替代性。时间特性试验在断路器空载情况下进行，仅反映断路器动静触头的固有分、合时间，不包括断路器预击穿及灭弧时间，所以这一数据能真实反映断路器操作机构的动作能力及故障情况。本文将结合实际案例简要分析如何利用时间特性诊断断路器操作机构内部故障。

2 事件

2019 年1 月24 日晚，某大型水力发电站1 F 发电机组调峰操作停机备用的过程中，在发电机出口201 断路器分闸后瞬间，监控系统报“主变低压侧零序电压报警”和“发电机注入式定子接地报警”信号。随后经现场检查发现为201 断路器C 相未正常断开，对C 相灭弧室进行开盖检查发现该相内部传动机构主传动连接销脱落（图1），导致断路器无法分闸。

图1 201 断路器C 相故障情况

3 处理

1 月26 日，断路器厂家到电站现场检查确认故障相操作传动机构现场难以修复后，为保证机组运行时间，对201 断路器C 相进行整体更换处理，设备恢复运行。

随后对故障的201 断路器C 相断路器进行拆解检查，发现该相转动绝缘子装配方向错误（图2），导致上轴顶端的拐臂1 被抬高14.5 mm，其与大轴上的拐臂2 有了高度差（图3），使得拐臂1 与拐臂2之间连板与连接销受到侧向力，在1 500 多次的合分操作中，连接销顶端的端盖被磨损破坏，没有了限位台阶，在运动过程中受重力作用，向下移动，最终脱落，C 相失去动力而分闸拒动。

图2 转动绝缘子正反安装对比

图3 转动绝缘装反后连板运行效果图

4 分析

该电站左岸4 台巨型水轮发电机组出口断路器均采用国产ZHN10-24/Y25000-130 型GCB 断路器。其中1 F～3 F 出口断路器为2013 年初同批供货，4 F出口断路器为2013 年底供货。为寻找1 F 发电机出口201 断路器C 相传动机构转动绝缘安装错误故障在时间特性上的体现，查阅该型号4 台断路器的历史试验数据，发现每台断路器每次试验的时间特性试验结果均满足规程的分闸时间40±5 ms、合闸时间52±10 ms、相间不同期≤2 ms 标准。但对同批3 台断路器最近一次预防性试验的分、合闸相间不同期进行横向对比（表1），发现201 断路器的平均分闸相间不同期较同批次的202、203 断路器偏移了将近4 倍。

表1 同批次断路器不同期平均值对比

虽然201 断路器最近一次预防性试验测得分闸相间不同期平均值为0.8 ms，不到试验标准值得2 ms的一半，但是已严重偏离同批次另外2 台断路器的试验值；3 台断路器的合闸不同期则较为一致，且仅为试验标准值的约1/4。由于该型号断路器为三相共用1 台操作机构，三相间通过传动机构联动分合，故其分、合闸相间不同期理应较小。由此分析得出201断路器分闸相间不同期较同批次断路器的偏大异常应为其内部传动机构中转动绝缘子安装错误所致。

为进一步分析出201 断路器分闸相间不同期偏大异常与C 相传动机构内部故障间的联系，调取201 断路器在2015 年及2016 年两轮岁修期间预防性试验的6 组（每年3 组）试验数据进行分析。

由图4 及图5 可以明显看出，201 断路器的B、C 两相分、合闸时间一致性一直较好，三相不同期主要表现为A 相较其他两相间的偏差。合闸时间A相较另外两相偏大，且前后两年数据对比这一偏差逐步缩小；分闸时间A 相较另外两项偏小，且前后两年数据对比这一偏差逐步增大。

图4 201 断路器合闸历史数据分析图

图5 201 断路器分闸历史数据分析图

将以上数据规律与C 相已暴露出的操作机构内部故障结合分析，得出201 断路器分闸相间不同期较同批次产品严重偏大为C 相转动绝缘子安装错误所致。且分、合闸时间参数均表现为B、C 两相整体偏离A 相，可初步诊断出B 相断路器操作机构疑存在与C 相断路器相同的故障。

5 排查处理

为避免同类设备再发生201 断路器C 相类似设备障碍，电厂合理安排岁修工期，联合断路器制造厂家对该电站4 台同型号发电机出口断路器进行了专项拆解检查，发现201 断路器B 相转动绝缘子安装方向错误，其他断路器传动机构内部装配无异常，检查结果与以上基于断路器历史时间特性数据分析结果契合。对201 断路器B 相进行整体更换后设备恢复运行。

6 结束语

断路器时间特性既关乎其运行可靠性，又可直观反映其操作机构内部故障，所以在断路器的常规预防性试验期间应重视对时间特性试验数据的分析。在保证试验数据满足预防性试验规程基本要求的基础上还应注重两点。①同一断路器试验数据的历史纵向比较，注重观察历次试验数据的变化趋势，并从趋势中总结出操作机构内部构件的老化规律；②要注重断路器不同相间及同一型号、同一批次断路器间试验数据的横向比较，同一试验数据横向比较时该组数据的离散性不应过大，若某台或某相的数据与其他数据偏差较大，则应重点关注其历史数据变化规律，必要时对其操作机构进行拆解检查。