任务要求

故障设备：某10 kV高压开关柜。

故障现象：在合闸操作过程中，出现不能电动合闸的故障现象。

请进行故障原因诊断分析，并进行故障处理。

任务分析

发电机、变压器、高压输电线路、电抗器、电容器等多种电气设备的投运或停运是由相连断路器的合闸或分闸来实现的。高压断路器又称为高压开关，是电力系统操作频繁的设备，也是电力系统中最重要的控制电气设备。发电厂和变电所中的断路器，大部分不是直接在断路器操动机构上操作的，而是采取与操作回路配合使用。本任务需进行故障诊断分析，方能找出故障原因，从而进行相应的处置。

知识学习

5.2.1 操作电源

操作电源是变电所中给各种控制、信号、保护、自动、远动装置等供电的电源。操作电源主要有交流和直流两大类。直流操作电源主要有蓄电池直流电源和硅整流电源两种。对采用交流操作的断路器应采用交流操作电源。交流操作电源有电压互感器、电流互感器和所用变压器。操作电源供电应十分可靠，它应保证在正常和故障情况下都不间断供电。除一些小型变（配）电所采用交流操作电源外，一般变电所均采用直流操作电源。

1.直流操作电源

直流操作电源有蓄电池直流电源和硅整流电源两种。蓄电池直流电源有铅酸蓄电池和镉镍蓄电池两种；硅整流直流电源又分为复式整流电源、具有储能电容器的整流电源和具有镉镍蓄电池的整流电源三种。

1）蓄电池直流操作电源

采用铅酸蓄电池组作操作电源，工作可靠；但由于充电时要排出氢和氧的混合气体，有爆炸危险，而且随着气体带出硫酸蒸气，有强腐蚀性，一般工厂供电系统中不予采用。采用镉镍蓄电池组作操作电源，除了工作可靠外，其大电流放电性能好，比功率大，机械强度高，使用寿命长，腐蚀性小，无须专用房间来装设，因此应用比较普遍。

蓄电池组直流操作电源是独立可靠的直流电源。它不受交流电源的影响，即使全所停电，仍可保证连续可靠地供电，而且电压质量好，容量也大，能满足复杂的继电保护和自动装置的要求以及事故照明的需要。但其价格较整流型直流操作电源高，一般用在可靠性要求较高的变电所中。

2）硅整流直流操作电源

硅整流直流操作电源在变电所应用较广。按断路器操动机构的要求有电容器储能（电磁操作）和电动机储能（弹簧操作）等。本项目主要介绍电容器储能硅整流直流操作电源。

图5-5中，C1、C2储能电容器，WC为控制小母线，WF为闪光信号小母线，WO为合闸小母线。硅整流器U1主要用作断路器合闸电源，并可向控制、信号和保护回路供电。硅整流器U2的容量较小，仅向控制、信号和保护回路供电（由二极管VD1、VD2、VD3起作用）。

图5-5　具有储能中容器的硅整流直流系统

单独采用硅整流器作直流操作电源，在交流供电系统电压降低或电压消失时，将严重影响直流系统的正常工作，因此宜采用有电容储能的硅整流电源，在交流供电系统电压降低或消失时，由储能电容器对继电保护和跳闸回路供电，使其正常动作。

硅整流装置的电源来自所用变低压母线，一般设一路电源进线，但为了保证直流操作电源的可靠性，可以采用两路电源和两台硅整流装置。整流装置U1容量大（一般为三相桥式），用于合闸回路，作断路器的合闸电源，也兼向控制和信号回路供电。整流装置U2容量较小（一般为单相桥式），只供给控制和信号回路电源。正常时两台硅整流装置同时工作，为了防止在合闸操作或合闸回路短路时，大电流使硅整流器U2损坏，在合闸母线与控制母线之间装设了逆止二极管VD3。电阻R用于限制控制回路短路时通过逆止二极管VD3的电流，起保护VD3的作用。限流电阻R的阻值不宜过小和过大，既保证在熔断器熔断前不烧坏VD3，又不使在控制母线最大负荷时其上的压降超过额定电压的15%。一般R的阻值为5～10 Ω，额定电流不小于20 A。

在直流小母线上还接有绝缘监察装置和闪光装置，绝缘监察装置采用电桥结构，用以监测正负小母线或直流回路的绝缘电阻。当某一小母线对地绝缘电阻降低时，电桥不平衡，检测继电器有足够的电流通过，继电器动作，发出信号。闪光装置主要提供闪光电源，其工作原理如图5-6所示。

图5-6　闪光装置工作原理图

工作正常时（ + ）WF悬空，当系统或二次回路发生故障时，相应的继电器K动作（K1的线圈在其他回路），K1-1常开触点闭合，K1-2常闭触点打开，使信号灯HL接于闪光小母线WF。由于WF的电压较低，HL变暗，闪光装置电容C充电，充电到一定值，即从直流操作电源母线上引出若干条线路，分别向各回路供电，如合闸回路、信号回路、保护回路等。在保护供电回路中，两组储能电容C1和C2所储能量用于在电力系统故障，直流系统电压下降时，向继电保护回路和断路器跳闸回路放电，C2给主变压器、电源进线保护和跳闸回路提供电源。这样当6（10）kV配出线发生故障，保护装置拒绝动作时，C2所储能量可使上一级的后备保护动作。

2.交流操作电源

交流操作电源是指直接用交流电作为操作和信号回路的电源。它不需要整流器和蓄电池，比较简单经济，便于维护，可加快变电所的建设安装速度。但交流继电器性能没有直流继电器完善，不能构成复杂的保护。因此，交流操作电源在小型变电所中应用较广泛，而对保护要求较高的变电所采用直流操作电源。对采用交流操作的断路器，应采用交流操作电源，所有保护继电器、控制设备、信号装置及其他二次元件均应采用交流形式。

交流操作电源可有两种获得途径：一是取自厂用电变压器；二是当保护、控制、信号回路的容量不大时，交流操作电源可以取自电压互感器和电流互感器二次侧。

当交流操作电源取自电压互感器、电流互感器二次侧时，常在电压互感器二次侧安装一台100/200 V的隔离变压器，作为控制和信号回路中的交流操作电源。但应注意，只有在故障和不正常运行状态时母线电压无显著变化的情况下，保护装置的操作电源才可由电压互感器供给。对于短路保护装置的操作电源不能取自电压互感器，而应取自电流互感器，利用短路电流本身使断路器跳闸。

目前普遍采用的交流操作继电保护的电源接线方式有直接动作式、间接动作去分流式和电容储能式三种。在交流操作方式下，广泛使用GL型感应式电流继电器。

采用交流操作电源，可使二次回路简化，投资减少，维护方便，但是它不适于比较复杂的继电保护、自动装置及其他二次回路。交流操作电源广泛用于中小工厂变配电所中断路器采用手动操作或弹簧操作及继电保护采用交流操作的场合。

5.2.2 高压断路器的控制与信号回路

高压断路器是变电所的主要开关设备，为了通、断电路和改变系统的运行方式，需要通过其操作机构对断路器进行分、合闸操作。控制断路器进行分、合闸的电气回路称为断路器的控制回路；反映断路器工作状态的电气回路称为断路器的信号回路。

高压断路器控制回路指控制（操作）高压断路器分、合闸的回路。电磁操作机构只能采用直流操作电源，弹簧操作机构和手动操作机构可交直流两用，但一般采用交流操作电源。

信号回路指示一次电路设备运行状态的二次回路。按用途分，有断路器位置信号、事故信号和预告信号等。事故信号和预告信号是电气设备各信号的中心部分，通常称为中央信号，它们集中装设在中央信号屏上。(www.daowen.com)

断路器位置信号用来显示断路器正常工作的位置状态，一般是红灯（符号RD）亮，表示断路器在合闸位置；绿灯（符号GN）亮，表示断路器在分闸位置。

事故信号用来显示断路器在事故情况下的工作状态。一般是红灯闪光，表示断路器自动合闸；绿灯闪光，表示断路器自动跳闸。此外还有事故音响信号（蜂鸣器）等。

预告信号是在一次设备出现不正常状态时或在故障初期发出的报警信号，包括音响信号（电铃）和光字牌等。值班员可根据预告信号及时处理。

1.采用手动操作机构的断路器控制和信号回路

图5-7中，WC为控制小母线，WS为信号小母线，R1、R2为限流电阻，QM为手动操作机构辅助触点。

合闸时，推上操作机构手柄使断路器合闸。这时断路器的辅助触点QF3-4闭合，红灯RD亮，指示断路器已经合闸。由于该回路有限流电阻R2，跳闸线圈YR虽有电流通过，但电流很小，不会动作。红灯RD亮，还表明跳闸回路及控制回路的熔断器FU1、FU2是完好的，即红灯RD同时起着监视跳闸回路完好性的作用。

分闸时，扳下操作机构手柄使断路器分闸。断路器的辅助触点QF3-4断开，切断跳闸回路，同时辅助触点QF1-2闭合，绿灯GN亮，指示断路器已经分闸。绿灯GN亮，还表明控制回路的熔断器FU1、FU2是完好的，即绿灯GN同时起着监视控制回路完好性的作用。

图5-7　手动操作机构断路器控制和信号回路

当一次电路发生短路故障时，继电保护装置动作，其出口继电器KM触点闭合，接通跳闸线圈YR的回路（QF3-4原已闭合），使断路器跳闸。随后QF3-4断开，使红灯RD灭，并切断YR的跳闸电源。与此同时，QF1-2闭合，使绿灯GN亮。这时操作机构的操作手柄虽然仍在合闸位置，但其黄色指示牌掉落，表示断路器自动跳闸。同时事故信号回路接通，发出音响和灯光信号。事故信号回路是按“不对应原理”接线的，由于操作手柄仍在合闸位置，其辅助触点QM闭合，而断路器已事故跳闸，其辅助触点QF5-6也返回闭合，因此事故信号回路接通。当值班员得知事故跳闸信号后，可将操作手柄扳下至分闸位置，这时黄色指示牌随之返回，事故信号也随之解除。控制回路中分别与指示灯GN和RD串联的电阻R1和R2，主要用来防止指示灯灯座短路时造成控制回路短路或断路器误跳闸。

在断路器正常操作分、合闸时，由于操作机构辅助触点QM与断路器辅助触点QF5-6都是同时切换的，总是一开一合，所以事故信号回路总是不通的，不会错误地发出事故信号。

2.采用电磁操作机构的断路器控制和信号回路

电磁操作回路的控制开关采用双向自复式并具有保持触点的LW5型万能转换开关，其手柄正常为垂直位置（0°）。顺时针扳转45°，为合闸（ON）操作，手松开即自动返回（复位），保持合闸状态。逆时针扳转45°，为分闸（OFF）操作，手松开也自动返回，保持分闸状态。图5-8中虚线上打黑点（· ）的触点，表示在此位置时该触点接通；而虚线上标出的箭头（→），表示控制开关手柄自动返回的方向。

图5-8中，WC为控制小母线，WL为灯光信号小母线，WF为闪光信号小母线，WS为信号小母线，WAS为信号音响小母线，WO为合闸小母线。

合闸时，将控制开关SA手柄顺时针扳转45°，这时其触点SA1-2接通，合闸接触器KO通电（其中QF1-2原已闭合），其主触点闭合，使电磁合闸线圈YO通电，断路器合闸。合闸后，控制开关SA自动返回，其触点SA1-2断开，切断合闸回路，同时QF3-4闭合，红灯RD亮，指示断路器已经合闸，并监视着跳闸线圈YR回路的完好性。

图5-8　电磁操作机构断路器控制和信号回路

分闸时，将控制开关SA手柄反时针扳转45°，这时其触点SA7-8接通，跳闸线圈YR通电（其中QF3-4原已闭合），使断路器QF分闸。分闸后，控制开关SA自动返回，其触点SA7-8断开，断路器辅助触点QF3-4也断开，切断跳闸回路，同时触点SA3-4闭合，QF1-2也闭合，绿灯GN亮，指示断路器已经分闸，并监视着合闸线圈KO回路的完好性。

由于红、绿指示灯兼起监视分、合闸回路完好性的作用，长时间运行，因此耗能较多。为了减少操作电源中储能电容器能量的过多消耗，因此另设灯光指示小母线WL + ，专用来接入红、绿指示灯。储能电容器的电能只给控制小母线WC供电。

当一次电路发生短路故障时，继电保护装置动作，其出口继电器KM触点闭合，接通跳闸线圈YR回路（其中QF3-4原已闭合），使断路器自动跳闸。随后QF3-4断开，使红灯RD灭，并切断跳闸回路，同时QF1-2闭合，而SA在合闸位置，其触点SA5-6也闭合，从而接通闪光电源WF（ + ），使绿灯GN闪光，表示断路器自动跳闸。由于断路器自动跳闸，SA在合闸位置，其触点SA9-10闭合，而断路器已跳闸，其触点QF5-6也闭合，因此事故音响信号回路接通，又发出音响信号。当值班员得知事故跳闸信号后，可将控制开关SA的操作手柄扳向分闸位置（逆时针扳转45°后松开），使SA的触点与OF的辅助触点恢复“对应”关系，全部事故信号立即解除。

任务实施

1.诊断分析

（1）进行手动操作，可以正常合闸，说明机械传动部件没有问题。

（2）检查合闸控制电路，继电器、合闸线圈、辅助触点、连接导线等都在完好状态。

（3）断路器合闸失灵故障，除操作机构及电气回路故障外，操作电源的问题也不容忽视。这台断路器的合闸电源是直流蓄电池组，已经运行了几年，几个月之前已经发现有一只蓄电池电压严重下降。

（4）测量合闸母线电压，为215 V，电压似乎不低。但这是空载电压，合闸时冲击电流很大，达到100 A以上，如果蓄电池组有故障，其电源内阻就会加大，导致端电压大大下降。

（5）经实测，在合闸瞬间，蓄电池组的端电压不足100 V，此时合闸铁芯虽然能动作，但因电磁力不够，机构提升不到位，断路器合不上闸。

2.故障处理

更换有故障的蓄电池。

3.任务总结

真空断路器是以真空作为介质和灭弧手段的断路器，它是电力系统中重要的控制和保护电器。如果存在故障和缺陷，就起不到控制和保护作用，甚至引发电网故障和人身事故。所以要定期或不定期地观察、检测真空断路器的真空度和绝缘性能，对达到使用寿命，或有异常现象的真空灭弧室，要及时地进行更换。

任务检查

按表5-2对任务完成情况进行检查记录。

表5-2　任务完成情况检查记录表