单母线分段接线中断路器拒动故障分析及改进措施

知识点：母线分段断路器

断路器拒动会对供电系统安全运行产生较大危害。近年空管系统发生多起因断路器拒动导致大面积停电的故障。断路器拒动分为拒分闸和拒合闸两种情况：拒分闸会使上一级断路器跳闸，扩大事故停电范围甚至会导致系统解列；拒合闸则会在母联断路器中导致一路市电停电后另一路不能为其提供电源保障。

本文针对空管航管楼供电系统发生的两起单母线分段接线中断路器拒动故障，结合供电系统二次控制投切动作逻辑原理进行分析和查找，发现航管楼供电系统二次回路存在设计缺陷，并针对该设计缺陷提出两种改进方案。

1  断路器拒动故障概述

1.1  故障一概述

对空管航管楼配电系统在秋季换季维护期间进行倒闸操作，当停“Ⅱ”段市电时，低压配电柜“Ⅱ”段进线断路器（2QF）不能自动分闸，手动分闸成功。

工作人员为确定故障是来自2QF还是来自二次控制回路，考虑通过互换2QF与母联断路器（3QF）的位置来验证：

①将3QF分合闸操作调至手动状态，停“Ⅱ”段市电，并退出2QF和3QF；

②互换2QF与3QF位置；

③验证手动状态下2QF和3QF分合闸操作是否正常，试验证明2QF和3QF均能正常分合闸；

④验证自动状态下2QF和3QF分合闸操作，“Ⅰ”段市电正常，3QF闭合，当送“Ⅱ”段市电时，发出“砰”声后航管楼“Ⅰ”段和“Ⅱ”段均停电，经查实造成“Ⅰ”段和“Ⅱ”段均停电是因为在送“Ⅱ”段市电时3QF未能正常分闸，导致航管楼配电柜“Ⅰ”段和“Ⅱ”段市电短路，影响到机场供电安全运行。

1.2  故障二概述

空管航管楼“Ⅱ”段变压器发生单相对地短路，“Ⅱ”段10kV高压柜B相熔断器熔断，低压配电柜“Ⅱ”段进线断路器2QF自动断开，“Ⅱ”段市电停电，“Ⅰ”段市电正常，低压配电柜母联断路器在自动状态和手动状态下均不能合闸，导致航管楼配电柜“Ⅱ”段负载停电。

2  单母线分段运行方式

空管航管楼供电主接线图如图1所示。两路10kV电源引接自不同地区变电所，正常情况下两路市电单母线分段运行，在一路市电故障后，进线断路器自动断开，母联自动投入，另一路市电通过母联带全部负荷。当两路市电均发生故障时，两路进线断路器和母联断路器均断开，柴油发电机在15s内完成自起动，提供电源保障。

2.1  投切动作逻辑

“Ⅰ”段市电和“Ⅱ”段市电正常，1QF和2QF闭合，3QF断开，假设当“Ⅱ”段市电断电，此时2QF母线失压，失压脱扣器线圈Q动作，断开2QF主触点，3QF二次合闸回路得电，经延时继电器延时后，接通3QF合闸线圈，3QF闭合；当“Ⅱ”段市电来电时，3QF二次回路失电，失压脱扣器线圈Q动作，断开3QF主触点，2QF经延时继电器延时后闭合。同理，1QF动作逻辑和2QF动作逻辑相似。  

图1  空管航管楼供电主接线图 

2.2  “Ⅱ”段断路器二次控制动作逻辑分析

如图2所示，2X1、2X3分别引接自“Ⅱ”段市电A相和C相电源，4RD和5RD均为熔断器，2KM为中间继电器，X为闭合电磁铁线圈，F为分励脱扣器线圈，Q为失压脱扣器线圈，2KT为延时继电器线圈，2QF为“Ⅱ”段进线断路器，SA为控制开关，用于选择断路器分合闸操作为自动或手动，1HG、2HR分别为分闸信号和合闸信号指示灯，SB1和SB2均为手动操作按钮。

图2  “II”段二次控制原理图

“Ⅱ”段配电柜正常情况下，2QF主触点闭合，二次控制回路2X1、2X3得电，2KM中间继电器得电，辅助触点连接至母联段二次控制回路内，常开触点闭合，常闭触点断开，2QF常开触点闭合、常闭触点断开，合闸信号指示灯2HR亮，闭合电磁铁线圈X和延时继电器线圈2KT失电，失压脱扣器线圈Q得电。

此时，若要断开2QF，有两种情况：第一种手动操作，按下SB2手动按钮，接通分励脱扣器线圈F电源，断开断路器；第二种情况 “Ⅱ”段市电停电，失压脱扣器线圈Q失电，断开断路器。

2QF闭合操作分两种情况：第一种自动状态下，市电正常后，在断路器未闭合前2QF常开触点断开，常闭触点闭合，2KT延时继电器得电，辅助触点经延时后闭合，接通合闸回路的闭合电磁铁线圈X，2QF合闸；第二种手动操作，市电正常后，手动按下SB1合闸按钮，接通合闸回路，2QF合闸。

2.3  母联断路器控制动作逻辑分析

如图3所示，2X1、2X3分别引接自“Ⅱ”段市电A相和C相电源，1X1、1X3分别引接自“Ⅰ”段市电A相和C相电源，1RD、2RD、3RD、4RD均为熔断器，1KA、2KA为中间继电器，X为闭合电磁铁线圈，F为分励脱扣器线圈，Q为失压脱扣器线圈，3KT为延时继电器线圈，3QF为母联断路器，1QF、2QF分别为“Ⅰ”段和“Ⅱ”段进线断路器，SA为控制开关，用于选择断路器分合闸操作为自动或手动，3HG、3HR分别为分闸信号和合闸信号指示灯，SB1、SB2分别为手动合闸按钮和手动分闸按钮。

图3  母联二次控制原理图

其中，中间继电器1KA和2KA形成互锁，保证同一时间只有一路电源为母联断路器二次控制回路提供工作电源。“Ⅰ”段和“Ⅱ”段市电均正常的情况下，1KM、2KM中间继电器常闭触点断开，1QF、2QF常闭触点断开，3QF失压脱扣器线圈Q失压，断路器断开，3HG分闸信号指示灯亮。

当“Ⅰ”段或“Ⅱ”段市电停电，假设“Ⅰ”段市电正常，“Ⅱ”段市电停电，此时，2X1、2X3线路失电，2KA中间继电器失电，2KA中间继电器常开触点断开，常闭触点闭合，1X1、1X3线路得电，1KA中间继电器得电，1KA中间继电器常开触点闭合，常闭触点断开，3QF处于断开状态，常开触点断开，常闭触点闭合，“Ⅱ”段中间继电器2KM失电，常闭触点闭合，2QF常闭触点闭合，3KT延时继电器线圈得电，辅助触点经延时后闭合，接通合闸回路闭合电磁铁线圈X电源，3QF闭合。

若在手动操作状态下，按下SB1合闸按钮，同样也可接通合闸回路闭合电磁铁线圈X电源，闭合3QF；当“Ⅰ”段市电正常，“Ⅱ”段市电由停电恢复供电。

此时，因“Ⅱ”段恢复供电，中间继电器2KM得电，常闭触点断开，2QF常闭触点断开，3QF失压脱扣器线圈Q失压，断开3QF主触点，若在手动操作状态下，则按下SB2分闸按钮，接通分闸回路分励脱扣器线圈F电源，同样可断开3QF。同理，“Ⅱ”段市电正常，“Ⅰ”段市电停电，控制逻辑一样。

3  故障查找经过与分析

3.1  故障一查找经过与分析

当停“Ⅱ”段市电时，低压配电柜2QF不能自动分闸，手动分闸成功。故障有两种可能，第一种是2QF故障，第二种是低压配电柜二次控制电路故障。为了验证故障来自于2QF，还是低压配电柜二次控制电路，把2QF与3QF位置互换。

手动操作状态下2QF与3QF分合闸操作及顺序均正常，自动操作状态下，送“Ⅱ”段市电，3QF未能正常分闸，2QF母线得电后自动闭合，造成“Ⅰ”段市电和“Ⅱ”段市电短路。由对2QF和3QF控制逻辑分析可知，正常情况，2QF母线得电后，首先3QF分闸，然后2QF再闭合。

进一步分析，手动操作状态下，分合闸均正常，自动操作状态下，原2QF不能自动分闸的原因是原2QF失压脱扣线圈Q故障，在“Ⅱ”段市电停电后，失压脱扣线圈Q失压，但不能正常动作分闸。

若3QF失压脱扣线圈Q故障，则会造成“Ⅰ”段市电和“Ⅱ”段市电倒闸操作期间发生短路故障。由此说明，航管楼供电系统二次回路存在设计缺陷。

3.2  故障二查找经过与分析

“Ⅰ”段市电正常，“Ⅱ”段市电停电，母联断路器在自动状态和手动状态下均不能合闸。经排查发现，二次回路中“Ⅱ”段市电A、C相熔断器1RD、2RD熔断。由2QF和3QF控制逻辑分析可知，3QF在自动状态和手动状态下均不能合闸，并且熔断器1RD、2RD熔断，有以下3种可能原因：①1KA中间继电器线圈故障；②时间继电器3KT线圈故障；③闭合电磁铁线圈X故障，其中任何一种故障都会导致1RD、2RD熔断器熔断。

进一步检查发现，“Ⅱ”段市电正常、“Ⅰ”段市电停电时，3QF拒动作，测量1RD、2RD熔断器正常；“Ⅰ”段市电正常、“Ⅱ”段市电停电时，3QF拒动作，测量1RD、2RD熔断器熔断。因此，排除时间继电器线圈3KT故障，1RD、2RD熔断器熔断，是由中间继电器1KA线圈短路所致。

更换新的中间继电器1KA，再次实验“Ⅰ”段市电正常，“Ⅱ”段市电停电，此时，3QF仍然拒动作，测量1RD、2RD熔断器均正常。通过上述分析可知，故障原因为3QF合闸回路闭合电磁铁线圈X故障。

4  针对二次回路设计缺陷的改进措施

由故障一查找经过可知，航管楼供电系统二次回路存在设计缺陷，当3QF失压脱扣器线圈Q出现故障时，“Ⅰ”段市电或“Ⅱ”段市电其中一路由停电转为正常时，3QF不能自动断开，造成“Ⅰ”段市电和“Ⅱ”段市电短路，存在严重安全隐患。

4.1  改进方案一

如图4所示，为确保“Ⅰ”段市电和“Ⅱ”段市电均正常情况下3QF主触点断开，在1QF和2QF合闸回路上分别增加一个3QF机械常闭辅助触点。当3QF闭合时，3QF常闭辅助触点处于断开状态，“Ⅰ”段市电或“Ⅱ”段市电其中任意一路由停电转为正常时，均不能自动合闸，必须确保3QF断开后，方可合闸成功。

该方案改进了航管楼供电系统二次回路现在的设计，即使3QF失压脱扣器线圈Q故障，也不会发生“Ⅰ”段市电和“Ⅱ”段市电短路的现象。但不足之处是，3QF常闭辅助触点不可靠时将出现全站失压的情况。

图4  改进方案一示意图

4.2  改进方案二

如图5所示，为确保“Ⅰ”段市电和“Ⅱ”段市电均正常情况下3QF主触点断开，在3QF分闸回路上并接KM1、KM2中间继电器常开辅助触点，其中，KM1、KM2分别为1QF和中间继电器。

KM1、KM2常开触点串联后与3QF分闸回路上SB2分闸按钮并联，当3QF闭合时，“Ⅰ”段市电和“Ⅱ”段市电其中一路正常，另一路由停电转为正常或两路均同时来电，而3QF因失压脱扣线圈故障而不能自动分闸时，KM1、KM2常开触点闭合自动接通3QF分闸回路的分励脱扣器线圈F，断开3QF主触点。

该方案优点是，避免了3QF因失压脱扣线圈故障而不能自动分闸，造成“Ⅰ”段市电和“Ⅱ”段市电同时来电进而发生短路故障的可能。不足之处是，3QF失压脱扣器正常情况下，与新增KM1、KM2常开触点回路会同时动作，断开3QF，存在竞争风险。

图5  方案二改进示意图

5  结论

近年来，民航空管对供配电系统可靠性提出了更高的要求。本文针对航管楼供电系统发生的两起断路器拒动故障，结合供电系统二次控制自动投切装置动作逻辑进行了深入分析，根据故障现象层层递推，透过现象查找出了两起故障存在问题的本质。排查故障的同时，还发现了航管楼供电系统二次回路存在设计缺陷，针对二次回路设计缺陷提出了两种改进方案。

改进方案避免了因母联断路器失压脱扣线圈Q故障而导致“Ⅰ”段市电与“Ⅱ”段市电同时来电，进而发生短路故障的可能。已将改进方案在航管楼供电系s统中实际应用。实践证明，改进方案提高了航管楼供电系统的可靠性。

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