220kV GIS断路器储能异常分析与处理
国网安徽省电力有限公司检修分公司的研究人员袁露、王锰等，在2018年第11期《电气技术》杂志上撰文，针对某500kV变电站的220kV GIS设备一日之内连续发生两起断路器无法正常储能异常事件，对异常断路器机构及二次回路详细检查、分析，最终查出断路器储能电动机电刷压紧弹片错位是断路器无法正常储能的直接原因，时间继电器损坏是电动机保护回路复归后不能报警的直接原因。
并根据异常原因采取相应措施消除缺陷。最后出于设备安全运行的考虑，提出对同类型不可靠的电刷及时间继电器逐步更换的建议。
气体绝缘金属封闭开关设备（gas insulated switchgear, GIS）由于占地面积少、运行维护简单、可靠性、安全性高等优点在电力系统中应用越来越多[1]。GIS的核心设备是断路器，其承载正常工作电流，切除故障电流，在电网中具有保护和控制的双重作用，是保障电力系统安全的重要设备[2]。
断路器动作时由操动机构提供能量，其操动机构有很多种，液压弹簧操动机构是其中之一。液压弹簧操动机构是由碟形弹簧作为储能部件、液压油为传动载体的高压断路器操动机构，因驱动能量大、传动平稳、动作速度快的特点，在高压断路器中的到了广泛的应用[3-4]。
但运行中液压机构的故障现象还是时有发生[5-10]。近期安徽某500kV变电站220kV GIS设备区一日内连续发生多起液压机构断路器储能异常事件，检修人员应急处理，成功分析出原因并解决问题。
1 异常描述
2017年11月29日凌晨，安徽地区某500kV变电站220kV设备区2871断路器C相发“电动机过流过时报警”信号，站内运维人员发现问题后，按经验在汇控柜复归报警信号，复归后信号暂时消失，但是3min左右后C相又报警。
2017年11月29日，检修人员到变电站开展相关缺陷检查、处理工作。在检修人员应急处理期间2800断路器A相又发“电动机过流过时报警”信号，复归后报警信号消除，但仍未储能到位。
为避免损失负荷，两组异常断路器2871、2800均在运行状态。检修人员先后检查两台断路器异常相机构箱，发现液压弹簧之间空隙较大，确认未完全储能。对两组断路器汇控柜、机构箱内所有相关端子排接线端子、继电器接线端子进行检查，发现接线并无松动。
图1 液压弹簧未储能到位
该GIS生产厂家：西安西开高压电气股份有限公司，断路器型号：LWG9-252，采用液压弹簧储能，操动机构型号：CYA3-II。两台断路器2008年6月生产，2008年12月投运。
2 储能及保护回路原理介绍
断路器储能主要涉及3个回路：电动机回路、电动机控制回路、电动机保护回路。各回路电路图如图2至图4所示，元件参数见表1。
下面介绍各回路的工作原理。
图2 电动机回路
图3 电动机控制回路
图4 电动机保护回路
2.1 电动机回路
电动机通过传动机构带动液压弹簧储能，为断路器动作提供能量。电动机回路内串联热继电器49MA（B、C）的发热元件和接触器88MA（B、C）的常开接点。
表1 元件功能表
2.2 电动机控制回路
电动机控制回路内的接触器88MA（B、C）的两对常开接点1-2、3-4串接在电动机回路里面，靠此控制电动机启停。正常情况下当断路器动作或其他原因（如手动泄压）使压力泄掉后，限位开关33hb会闭合接通电动机控制回路，使接触器线圈带电，接触器常开接点闭合，接通电动机回路储能。当断路器储能到位时，通过滚轮切断限位开关33hb，使接触器失电，进而切断电动机回路停止储能。
电动机控制回路中还串有电动机保护继电器49MXA（B、C）的31-32常闭接点，其线圈在电动机保护回路里。
2.3 电动机保护回路
当断路器储能出现异常时，会通过电动机保护回路切断电动机控制回路，保护电动机、继电器，避免事态扩大。电动机保护主要有两种形式：过流保护和过时保护。
如果电动机转动时受到很大的阻力，回路就会产生大电流，热继电器49MA（B、C）在大电流通过时快速发热并动作，其在电动机保护回路里的常开接点97-98闭合，使电动机保护继电器49MXA（B、C）线圈得电，电动机保护继电器通过本身的常开接点13-14自保持使电动机保护回路一直接通。
49MXA（B、C）得电后，还会断开在电动机控制回路里的常闭接点31-32，切断电动机控制回路，使接触器88MA（B、C）接触器失电，进而切断电动机回路。这就是电动机的过流保护，与此同时将发“电动机过流过时报警”信号。
正常情况下电动机几十秒内将完成储能，当遇到故障情况（如电动机空转甚至不转）时，断路器储能一定时间（此GIS断路器整定为150s）后仍不能储能到位，电动机保护回路里的时间继电器48T A（B、C）将会动作，同样使电动机保护继电器49MXA（B、C）得电并自保持，切断电动机控制回路及电动机回路。这就是电动机的过时保护，与此同时将发“电动机过流过时报警”信号。
电动机保护回路里的RESET按钮可以复归回路。按下RESET按钮将切断电动机保护回路使49MXA（B、C）失电，“电动机过流过时报警”信号将会消失，同时在未储能到位的情况下电动机保护继电器49MXA（B、C）的常闭接点31-32使电动机控制回路接通，进一步接通电动机回路。松开按钮后，如果是偶然性故障，就顺利完成储能；如果故障未解除，就会发“电动机过流过时报警”信号。
3 异常排查分析及处理
3.1 电动机保护回路排查与分析
首先对2871断路器异常相C相电动机保护回路各端子电位进行测量，结果显示电动机保护继电器49MXC的14号端子与13号端子同电位，49MXC线圈两端带电，表明49MXC已经自保持，与正常相不同。分析易得：与电动机保护继电器49MXC的接点13-14相并联的时间继电器48TC的接点67-68、热继电器49MC的97-98接点至少有一对先接通才能起动电动机保护继电器使之自保持。
为检查出是过流保护还是过时保护，检修人员快速按下回路复归按钮RESET并松开，瞬时切断电动机保护回路，使49MXC失电自保持破坏。结果异常相并不能储能，并且经过2～3min后，又发“电动机过流过时报警”信号。据此可以排除热偶动作导致回路接通的可能性，若是热偶动作导致异常发生，且热偶未复归，则电动机保护回路复归后49MXC会立即得电发报警信号，而不是过一段时间才发。
解开49MC的98端子接线，测量98端子电压为零电位，验证了热偶没有动作的推断。解开48TC的68端子接线，测量68端子电压与67端子一致。现象与过时保护相符，说明是时间继电器48TC的67-68接点导通，使49MXC带电并通过13-14接点自保持，发“电动机过流过时报警”信号。
3.2 电动机控制回路排查与分析
测量异常相C相限位开关33hb两端电压为零，测量接触器88MC线圈两端电压为零，测量电动机保护继电器49MXC的31-32接点两端电压为电源电压，表明2871断路器C相的限位开关确未断开，接触器88MC未吸合，49MXC得电动作后常闭接点31-32断开。复归电动机保护回路，接触器88MC线圈带电吸合。说明复归回路时C相电动机控制回路接通，然而C相仍然无法储能，问题应该在电动机回路。
3.3 电动机回路排查与分析
在复归电动机保护回路后，测量热继电器49MC的2和4端子两端为电源电压。这表明异常相电动机两侧已有电，但电动机未转动。检修人员打开断路器异常相机构箱后柜门检查电动机。经过仔细的检查发现电动机电刷的压紧弹片错位，没有压到电刷，如图5所示，导致电刷不能接触电动机换向器，电动机不转。
图5 电刷压紧弹片错位
对于2800断路器，检查发现同样存在电刷错位的问题。不过2800断路器发生异常时有不同于2871断路器的现象：异常后运维人员复归2800断路器电动机保护回路，2800断路器A相不能储能，但是一直未发“电动机过流过时报警”信号，而2871断路器复归几分钟后又发报警信号。这表明2800断路器A相电动机保护回路没有接通。
由前述分析很容易得知热继电器未动作，过流报警回路没问题。很可能是2800断路器A相过时报警回路出问题。检修人员把A相时间继电器取下测试其功能，结果显示该继电器已损坏：正常情况下在设定的时间150s左右该继电器48TA将会动作，其常开接点67-68将闭合，然而检修人员多次测试、时间长达半小时该继电器都没有动作，表明该时间继电器已损坏。
3.4 缺陷处理
对于2871断路器，检修人员用螺丝刀拨动异常相电刷压紧弹片，使之压紧电刷，再复归电动机保护回路，此时异常相电动机立即运转，带动液压弹簧顺利储能。储能到位后能正常切断回路，“电动机过流过时报警”信号也不再出现。为确保可靠，检修人员又对异常相断路器手动泄压数次，断路器都能顺利储能，功能正常。
对于2800断路器，检修人员调整电刷复归电动机保护回路后，同样异常相储能到位。为彻底消除缺陷，检修人员更换经校验合格后的时间继电器，更换后拉开储能电源空开实测时间继电器回路报警功能，约150s发“电动机过流过时报警”信号。此后投上储能空开手动泄压数次，断路器都能够正常储能。至此2800断路器缺陷完全消除。
该500kV变电站220kV GIS设备区一日之内连续两台断路器储能出现异常，共同问题是电动机电刷压紧弹片错位导致无法储能，并起动电动机保护回路，发“电动机过流过时报警”信号。其中一台断路器时间继电器损坏，导致复归后不再发报警信号。
现场检查其他断路器时发现电动机电刷均有不同程度的磨损，建议更换电刷。在消缺更换时间继电器过程中发现很多新的继电器功能不正常，该型号继电器为空气阻尼式继电器，可靠性较差，建议更换。
此次异常的分析及处理方法，对同行有一定的参考价值。