广东电网有限责任公司汕头供电局、广东电科院能源技术有限责任公司的研究人员林伟茂、李佳曼，在2019年第6期《电气技术》杂志上撰文，在阐述弹簧储能机构的构成及工作原理的基础上，针对一起断路器反复分合闸事件展开了详细分析，揭示了造成断路器反复合闸的根本原因，提出了相应的解决方案，以防止断路器反复合闸对电网造成冲击。

目前，在发电厂、变电站、大型工厂等地方均运用大量的高压断路器。操动机构是高压断路器的重要组成部分，而弹簧操动机构具有成套性强、制造工艺要求适中、体积小、合闸电流小等特点，目前在10～35kv断路器的运用非常广泛。

部分弹簧操动机构在开始投入运行的前几年机械特性都比较稳定，但是在运行时间长的情况下，由于合闸半轴磨损、复位弹簧变形等原因，会导致断路器在不该合闸时自动合闸。在故障情况下，保护装置加速跳开断路器后，若断路器自动合闸，则会加重对电网及电力设备的冲击及损害。

断路器因弹簧操动机构老化而自动合闸的情况给电网的安全运行带来极大的风险，亟需分析和防范。本文通过对一起断路器反复分合闸事件的分析，提出一套相应的解决方案。

1 弹簧操动机构的构成及工作原理

弹簧操动机构主要由储能机构、电磁系统和机械系统组成。以ct17弹簧操动机构为例，其内部结构如图1所示。弹簧操动机构通过电动机的转动产生动能，电动机再通过减速装置和储能机构的动作，使合闸弹簧储存机械能。储能完毕后，通过闭锁弹簧使弹簧保持在储能状态，然后切断电动机电源。

该闭锁由图1中的复位弹簧、合闸半轴及储能完成卡口组成。当断路器收到合闸信号时，合闸弹簧将解脱合闸闭锁装置，以释放合闸弹簧的储能。

这部分能量中的一部分通过传动机构使断路器的动触头动作，进行合闸操作；另一部分则通过传动机构使分闸弹簧储能，为分闸做准备。在合闸动作完成后，电动机立即接通电源，通过储能机构使合闸弹簧重新储能，以便为下一次合闸做准备。当收到分闸信号时，分闸弹簧将解脱自由脱扣装置，以释放分闸弹簧储存的能量，并使触头进行分闸动作。

图1 弹簧操动机构

（1―合闸半轴；2―合闸半轴上的卡口；3―复位弹簧；4―合闸弹簧；5―减速装置）

2 一起断路器反复分合闸事件的分析

2.1 事件过程

2016年11月23日，某110kv变电站10kv某馈线发生单相接地短路故障。该站10kv系统为小电阻接地方式，故障线路保护装置在820ms后零序过流保护动作跳闸，断路器跳闸后1023ms重合闸动作，重合于永久性故障，221ms零序加速保护动作跳开断路器。

断路器在跳开后经过10s左右又再次合上，合闸于故障，保护装置零序加速保护再次动作跳开断路器。断路器跳开后经过10s左右又再次合上，再次合闸于故障，零序加速保护再次动作跳开断路器。断路器进入了不停地合闸、分闸的循环状态。

2.2 事件分析

事件发生后，对该馈线保护装置、电气回路及开关机构进行了各项检查和试验，逐步排查可能的原因。

通过试验和检查发现：

1）在断路器合闸状态下，弹簧已储能，直接手切断路器，断路器分闸，未出现自动重合现象。

2）在断路器合闸状态下，弹簧已储能，直接手切断路器，然后迅速手合再次手切，断路器开始进行弹簧储能，在储能完成时断路器出现自动合闸 现象。

3）在储能过程中，用万用表监视合闸电气回路，当断路器自动合上时，未监视到有合闸脉冲。

4）在断路器合闸状态下，弹簧已储能，仅保留储能电源，切断保护装置电源、控制电源，在断路器机构本体进行分闸，然后迅速合闸再次分闸，储能完成时出现自动合闸现象。

以上试验表明，开关的自动合闸现象与开关保护装置及控制回路无关。

5）检查保护装置防跳回路，回路正确，但并无法阻止开关反复分合闸。

6）对断路器弹簧操动机构进行检查。该弹簧操动机构为ct17的操动机构，如图1所示。经过检查，发现断路器在分闸状态进行储能时，在储能完成瞬间自动释能，断路器自动合闸。其自动释能的原因是复位弹簧（图1中的3）变形导致其拉动的合闸半轴（图1中的1）偏位，弹簧储能后卡于合闸半轴上的卡口（图1中的2）无法卡住，导致弹簧释能，断路器合闸。

发生该起事件后，对相关运行时间超过8年以上的弹簧储能机构的断路器进行了相应的检查，发现采用复位弹簧保持合闸半轴平衡方式的机构存在相同的问题。虽然检查发现问题的机构数量较少，但是通过以上分析可以看出，合闸半轴的复位弹簧变形会造成弹簧储能到位后储能机构无法自保持，导致自动释能进行合闸，释能后弹簧又开始储能。

若此时线路上发生永久性故障，则断路器在跳闸、重合于故障后本应加速跳开隔离故障，而由于重合闸后，弹簧储能到位时又自动释能，导致断路器再次合闸于故障，断路器便进入跳闸、合闸的死循环，造成断路器反复分合闸的故障。断路器反复分合闸的故障会对一次设备造成极大的冲击，甚至会导致断路器严重损毁。

由于本次开关分合闸事件是由机械原因造成的，所以目前所采用的电气防跳回路不能起到防止这类开关跳跃的作用。而弹簧储能的储能电动机回路也无法阻出现这种不停储能的情况。储能电动机回路如图2所示。

电动机储能回路只是简单采用空气开关k对电动机储能回路进行保护，只有在储能回路短路或电动机堵转的情况下，储能回路电流增大到超过空气开关k的动作值，空气开关才会跳开。对于这种不断储能的情况，电流无法使空气开关k动作，无法切除储能电动机回路，使储能电动机停止储能，从而防止以上情况出现。

图2 储能电动机电气回路

3 解决方案

目前没有防止由于储能弹簧自动释能而导致断路器自动合闸的有效方法。现场只能对运行时间较长的馈线断路器弹簧操动机构进行维护检修，对于无法停电维护的馈线，只能暂时退出线路的重合闸功能。但是退出重合闸功能会大大降低供电可靠性。现场亟需一套有效防止出现弹簧自动释能的保护方案。

本文基于弹簧操作机构的构成原理、弹簧储能电动机储能回路的特点、重合闸方式及现场运行的实际情况，提出在弹簧储能的电动机回路中接入一个智能控制器的解决方案。

该智能控制器通过检测储能电动机回路的电流来判断断路器的操作机构有没有在设定时间内进行第二次储能的行为。若断路器的操作机构在短时间内进行第二次储能，则说明断路器在反复分合闸，此时通过串联在电动机回路中的继电器接点断开电动机回路，阻止断路器的操作机构继续储能，以达到防止断路器反复分合闸的目的。

智能控制器的构成如图3所示。图3中ct为霍尔元件电流互感器，hk为储能回路投退切换开关，ck为弹簧储能行程开关。智能控制器主要由信号处理器、计数处理器、计时器、继电器及电压变换器等模块组成。

图3 智能控制器的构成

1）采样处理

目前储能电动机回路基本都为直流回路，直流电流的检测可采用霍尔元件电流互感器（如为交流回路，则可采用交流电流互感器）作为传感器进行检测。正常情况下，操作机构储能完成后，弹簧储能行程开关ck被断开，储能回路基本无电流，只有很小的供给智能控制器工作的电流，将该电流值作为阀值。

电动机每进行一次储能，电动机电流都将经历从阀值增加至工作电流、再变为阀值的过程。检测重点在于检测电动机回路的电流变化，以电动机电流的变化过程判断储能电动机的行为。故在传感器之后，应经过信号处理电路进行相关处理，以便于检测该电流的变化。

2）计数处理

计数处理器只需检测电动机电流从阀值增加至工作电流的次数，即检测电动机电流的上升沿个数，便可以得到断路器操作机构的储能次数。

3）计时处理

计时器根据断路器实际进行一次储能的时间来确定计数周期，计数周期应比实际储能时间稍长，可在实际储能时间的基础上加2～3s作为计数周期。

4）逻辑判断及出口

断路器在正常操作过程中或者经历永久性故障时，只会在合闸或重合闸后进行一次储能，若在设定的计数周期内，断路器操作机构的储能次数超过一次，则说明断路器起码进行了两次合闸，此时应断开储能回路，起到防止断路器反复分合闸的作用。

可通过在电动机回路中串入继电器的常闭接点断开储能回路，当计数器结果超过1时，驱动继电器，使继电器常闭接点断开。同时，通过继电器的常开接点闭合提供告警信号。

若断路器因检修需要反复分合闸试验，则可通过投退控制功能退出此智能控制器的功能。

通过以上分析可知，本文提出的智能控制器可有效防止出现断路器因机械老化等原因而导致的弹簧自动释能合闸现象，有效弥补了目前该领域的空缺。

结论

10～35kv断路器目前大量采用了弹簧操动机构，而弹簧操动机构的储能保持主要采用了由复位弹簧、合闸半轴组成及储能完成卡口组成的方式，比如ct17、ct19、vs1及部分进口的老式弹簧操动机构。当这类断路器运行年限较长、储能保持部分出现机械老化时，将会导致断路器自动释能合闸，甚至会对电网、设备的安全运行造成严重的威胁。

本文对一起断路器反复分合闸事件进行了深入分析，阐明了该起事件的根本原因是由合闸半轴磨损、复位弹簧变形等导致的。针对此现象提出了一个采用储能回路的智能控制器的解决方案，该控制器可使断路器在短时间内进行第二次储能时断开储能回路，以达到有效防止断路器反复分合闸的目的。

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