CN105551842A - 一种防止断路器储能电机失灵的方法及装置 - Google Patents

一种防止断路器储能电机失灵的方法及装置 Download PDF

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Abstract

一种防止断路器储能电机失灵的方法及装置，属控制领域。在断路器储能电机的电气回路中设置一个储能保护模块；对流过储能电机的电气回路中的电流进行时间采样；将储能电机电气回路中流过电流的时间与断路器所规定的储能完成时间进行比较；当电气回路中流过电流的时间大于断路器所规定的储能完成时间时，即判定储能回路中出现了传动或控制故障，立即切断储能电源，以实现对断路器储能电机的保护。其从技术上解决了断路器储能操动机构出现控制或传动故障后造成储能电机受损的问题，节约了工作人员维修人工成本以及设备零件更换成本，进一步保障了断路器运行可靠性，提高了城市电网的安全性和经济性。可广泛用于真空式断路器的设计、制造和维修领域。

Description

一种防止断路器储能电机失灵的方法及装置
技术领域
本发明属于保护装置领域，尤其涉及一种用于真空断路器储能单元的闭锁保护装置。
背景技术
真空断路器储能单元(亦称储能回路)的功能是为断路器合闸提供所需的能量。
每当断路器动作合闸之后，储能单元通过储能电机对储能弹簧进行拉伸，为断路器进行自动蓄能，以备于下一次进行合闸操作或者是断路器进行自动重合闸时所使用。
储能单元的这种工作方式就类似于抽水马桶的水箱，当我们用完水箱中的水时，水箱会自动进行蓄水，为下一次使用做预先的准备。
真空断路器储能单元的通用原理图如图1所示，整个储能单元由储能电源开关2DK、储能辅助开关S2和储能电机M组成。合上储能电源开关2DK，当断路器未储能时，储能辅助开关S2的常闭接点S2-1常闭，储能单元接通，储能电机M开始转动，拉升储能弹簧进行蓄能；当弹簧蓄能已满或完成后，通过传动机构向储能辅助开关S2发出断开指令，储能辅助开关S2常闭接点S2-1切换至断开，储能单元断电，储能电机M失电停转，整个储能过程完成。
但是，当断路器的储能辅助开关S2的常闭接点S2-1发生故障无法进行切换，或者传动连杆变形而无法正确传递动作指令时，储能单元就会出现控制或者传动故障，直接导致储能电机M长期连续运转，直至烧毁。
这是配网变电检修人员经常会遇到的断路器缺陷/故障。电机损毁的原因是由于储能辅助开关的常闭接点S2-1多次拉弧后损伤，无法进行转换，接点始终常闭，虽然断路器储能完成，但是储能单元长期通电，储能电机M被迫连续运转，直至烧毁。
储能辅助开关S2-1的故障只是引起电机损毁的诱因，造成电机的损毁的直接原因是电机连续运转后的热击穿。
真空断路器采用的储能电机大都是短时工作制或断续工作制电机。根据《GB755-2008旋转电机定额和性能标准规定》中所定义的短时工作制电机和断续周期制电机，其运行周期中都需要有一个停机和断能(即停电)的时间，以满足电机有一个足够的时间冷却，以恢复电机自身的热稳定，如图2、图3中所示。
可见，断路器中所采用的储能电机都不满足连续运转的条件。而作为断路器的动力控制和传送机构的储能单元，其缺乏故障后对自身采取的停止运作的保护保护装置，一旦当储能单元出现控制或者传动故障后，无法打破这个死循环的命令，储能电机长期连续运转，最后热稳定击穿而损毁。
申请人单位的变电修试一组管辖维护的10千伏配网中，真空断路器的型号有VB5，ZN-28E等。
通过对4年内的修试记录进行统计，汇总了最为常见的5种型号断路器的故障次数和弹簧操动机构故障次数，如表1所示。
表1、断路器及操动机构故障次数、故障率统计：
从表1中可以清楚的发现，因弹簧操动机构原因导致真空断路器故障和缺陷的占到断路器故障和缺陷的80％以上。
为了避免对储能电机造成伤害，增加断路器安全运行的可靠性，针对具体的断路器储能单元，找到一种通用的储能电源闭锁保护/防止断路器储能电机失灵的方法，是实际运行和维护工作中十分迫切需要解决的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种防止断路器储能电机失灵的方法及装置，当断路器储能单元出现故障后，强制闭锁/切断储能电源，从而达到保护储能电机的发明目的。
本发明的技术方案是：提供一种防止断路器储能电机失灵的方法，所述的断路器储能电机设置在断路器储能单元中，所述的断路器储能单元中还包括有弹簧操动机构；其特征是：在所述断路器储能电机的电气回路中，设置一个储能保护模块；所述的储能保护模块由采样单元、延时单元和储能电机电气回路通/断控制单元构成；所述的采样单元用于对流过储能电机的电气回路中的电流进行时间采样；所述的延时单元用于将储能电机电气回路中流过电流的时间与断路器所规定的储能完成时间进行比较；所述的储能电机电气回路用于接通/切断所述储能电机的电气回路；
当所述电气回路中流过电流的时间大于断路器所规定的储能完成时间后，储能保护模块就判定断路器储能单元的弹簧操动机构出现故障；则所述的储能保护模块对断路器储能电机的电气回路采取保护措施，切断储能电机的电源，停止储能电机的运转；
所述的防止断路器储能电机失灵的方法，通过监控所述储能电机电气回路中流过电流的时间，来判定断路器储能单元的弹簧操动机构是否出现故障，避免储能电机的长期连续运转，防止和避免所述储能电机的烧毁和损坏，进而保障断路器的运行可靠性，提高城市电网的安全、经济、稳定运行。
具体的，所述储能电机的电气回路至少包括储能电机线圈M和串接在控制电源与储能电机线圈M之间的储能辅助开关S2的常闭接点S2-1；
所述的储能保护模块包括一个电压继电器U、一个带延时的电压继电器SU和一个电流时间继电器I；所述的电压继电器U构成所述的储能电机电气回路通/断控制单元，用于接通或断开储能电机的电气回路和实现“自保持”功能；所述的带延时的电压继电器SU构成所述的延时单元，用于计量储能电机的运转动作时间，控制电压继电器U的启动；所述的电流时间继电器I构成所述的采样单元，用于检测储能电机的电气回路中流过电流的时间，启动带延时的电压继电器SU。
进一步的，所述带延时的电压继电器SU控制线圈的两端，经过电流时间继电器I的常开接点I-1，分别与控制电源的两端对应连接；所述电压继电器U控制线圈的两端，经过带延时的电压继电器SU的延时打开触点SU-1，分别与控制电源的两端对应连接；所述电压继电器U的常开接点U-2，并接在延时打开触点SU-1上，构成电压继电器U的“自保持”功能电路；所述电压继电器U的常闭接点U-1、电流时间继电器I的控制线圈、储能辅助开关S2的常闭接点S2-1和储能电机线圈M依次串接后与控制电源的两端分别对应连接。
进一步的，在所述电压继电器U控制线圈的两端，并接有一个指示灯D。
进一步的，所述断路器所规定的储能完成时间为15秒，所述采样单元对储能电机的电气回路中流过电流的采样时间为20秒。
本发明还提供了一种上述方法工作的防止断路器储能电机失灵的装置，所述的断路器储能电机设置在断路器储能单元中，储能电机线圈M和储能辅助开关S2的常闭接点S2-1依次串接后，经过储能电源控制开关2DK与控制电源的两端分别对应连接；其特征是：
在所述断路器储能电机的电气回路中，设置一个储能保护模块；所述的储能保护模块至少包括一个电压继电器U、一个带延时的电压继电器SU和一个电流时间继电器I；
所述带延时的电压继电器SU控制线圈的两端，经过电流时间继电器I的常开接点I-1，分别与控制电源的两端对应连接；所述电压继电器U控制线圈的两端，经过带延时的电压继电器SU的延时打开触点SU-1，分别与控制电源的两端对应连接；所述电压继电器U的常开接点U-2，并接在延时打开触点SU-1上，构成电压继电器U的“自保持”功能电路；所述电压继电器U的常闭接点U-1、电流时间继电器I的控制线圈、储能辅助开关S2的常闭接点S2-1和储能电机线圈M依次串接后与控制电源的两端分别对应连接；
当断路器储能单元工作正常时，合上储能电源控制开关2DK，储能电机M得电并开始转动，带动储能弹簧进行储能，同时电流时间继电器I线圈得电，常开接点I-1闭合，带延时的电压继电器SU的线圈得电，开始计时；当计时时间达到断路器所规定的储能完成时间后，断路器储能完成，储能辅助开关S2的常闭接点S2断开，切断储能电机电源；同时电流时间继电器I线圈失电，常闭接点I-1断开，带延时的电压继电器SU的线圈失电，停止计数，接点SU-1不动作，电压继电器U不启动，储能保护模块不启动闭锁储能电源的功能；
当断路器储能单元出现故障时，合上储能电源控制开关2DK，储能电机M得电开始转动，带动储能弹簧进行储能，同时电流时间继电器I线圈得电，常开接点I-1闭合，带延时的电压继电器SU的线圈得电开始计时；当计时超过对储能电机的电气回路中流过电流的采样设定时间后，储能电机仍然得电继续转动，则常开接点SU-1闭合，电压继电器U的线圈得电，常开接点U-2闭合，电压继电器U的线圈实现电压“自保持”，常开接点U-1断开，切断储能电机的电源，强制闭锁储能单元的控制电源，储能保护模块启动闭锁储能电源的功能。
具体的，所述断路器所规定的储能完成时间为15秒，所述对储能电机的电气回路中流过电流的采样设定时间为20秒
进一步的，在所述电压继电器U线圈的两端，并接有指示灯D，用于对外发出报警信号。
与现有技术比较，本发明的优点是：
1.通过设置储能保护模块，实现对于断路器自身操动机构元件—储能电机的保护，防止弹簧操动机构出现控制或传动故障后对储能电机的伤害，当储能单元出现故障导致储能电机非正常的空转时，能立即切断并闭锁储能电源，保护储能电机；
2.设置储能保护模块，从技术上解决了断路器弹簧操动机构出现控制和传动故障后造成储能电机受损问题，节约了工作人员维修人工成本以及设备零件更换成本；
3.进一步保障了断路器运行可靠性，提高了城市电网的安全、经济稳定运行。
附图说明
图1是现有真空断路器储能单元的通用原理示意图；
图2是短时工作制电机运行周期示意图；
图3是断续工作制电机运行周期示意图；
图4是本发明闭锁保护电路的示意图；
图5是本发明防止断路器储能电机失灵的步骤方框图。
图中，2DK为储能电源开关，S2为储能辅助开关，M为储能电机，U为电压继电器，SU为带延时的电压继电器，I为电流时间继电器；
P—负载；Pv—电气损耗；θ—温度；θmax—达到的最高温度；t—时间；△tP—恒定负载运行时间；TC—负载周期；△tR—停机和端能时间；负载持续率＝△tP/TC；
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
图4中，本发明的技术方案，在所述断路器储能电机的电气回路中，设置了一个储能保护模块；所述的储能保护模块至少包括一个电压继电器U、一个带延时的电压继电器SU和一个电流时间继电器I。
如图所示，带延时的电压继电器SU控制线圈的两端，经过电流时间继电器I的常开接点I-1，分别与控制电源的两端对应连接；电压继电器U控制线圈的两端，经过带延时的电压继电器SU的延时打开触点SU-1，分别与控制电源的两端对应连接；电压继电器U的常开接点U-2，并接在延时打开触点SU-1上，构成电压继电器U的“自保持”功能电路；电压继电器U的常闭接点U-1、电流时间继电器I的控制线圈、储能辅助开关S2的常闭接点S2-1和储能电机线圈M依次串接后与控制电源的两端分别对应连接；
当断路器储能单元工作正常时，合上储能电源控制开关2DK，储能电机M得电并开始转动，带动储能弹簧进行储能，同时电流时间继电器I线圈得电，常开接点I-1闭合，带延时的电压继电器SU的线圈得电，开始计时。
当计时时间达到断路器所规定的储能完成时间后，断路器储能完成，储能辅助开关S2的常闭接点S2断开，切断储能电机电源；同时电流时间继电器I线圈失电，常闭接点I-1断开，带延时的电压继电器SU的线圈失电，停止计数，接点SU-1不动作，电压继电器U不启动，储能保护模块不启动闭锁储能电源的功能；
而当断路器储能单元出现故障时，合上储能电源控制开关2DK，储能电机M得电开始转动，带动储能弹簧进行储能，同时电流时间继电器I线圈得电，常开接点I-1闭合，带延时的电压继电器SU的线圈得电，开始计时。
当计时超过对储能电机的电气回路中流过电流的采样设定时间后，储能电机仍然得电继续转动，则常开接点SU-1闭合，电压继电器U的线圈得电，常开接点U-2闭合，电压继电器U的线圈实现电压“自保持”，常开接点U-1断开，切断储能电机的电源，强制闭锁储能单元的控制电源，储能保护模块启动闭锁储能电源的功能。
本技术方案的关键，就是给断路器的储能单元增设一种“断开”机制，一旦储能单元出现控制或传动故障后，就立即闭锁/切断储能单元的控制电源(这里的闭锁是业内习惯性称谓，在教课书中常称为切断)，保护储能电机不被烧毁。
具体的，所述断路器所规定的储能完成时间为15秒，所述对储能电机的电气回路中流过电流的采样设定时间为20秒
进一步的，在所述电压继电器U线圈的两端，并接有指示灯D，用于对外发出报警信号。
图5中，本发明的技术方案提供了一种防止断路器储能电机失灵的方法，包括对断路器储能电机的控制电源通/断进行控制。
其发明点在于，在断路器储能电机的电气回路中，设置一个储能保护模块；所述的储能保护模块由采样单元、延时单元和储能电机电气回路通/断控制单元构成。
本技术方案在储能电机的电气回路中对流过的电流进行时间采样，若断路器的弹簧操动机构如果出现传动或控制故障，当电气回路中流过的电流时间大于该型号断路器所规定的储能完成时间后，就可以判定弹簧操动机构出现故障，立即采取保护措施，切断储能电源，停止电机工作。
要保护储能电机跳出前述的死循环，关键就是给储能单元增设一种断开机制，一旦储能单元出现控制或传动故障后，闭锁储能电源，保护储能电机。
本技术方案通过监控储能电机电气回路中流过电流的时间，来判定断路器储能单元的弹簧操动机构是否出现故障，避免了储能电机的长期连续运转，防止和避免储能电机的烧毁和损坏，进而保障断路器的运行可靠性，提高城市电网的安全、经济、稳定运行。
当所述电气回路中流过电流的时间大于断路器所规定的储能完成时间后，储能保护模块就判定断路器储能单元的弹簧操动机构出现故障；则所述的储能保护模块对断路器储能电机的电气回路采取保护措施，切断储能电机的电源，停止储能电机的运转。
正常运行时，内部储能辅助开关会自动切断储能后的电气回路，储能电源闭锁保护装置不启动；一旦储能电源闭锁保护装置采样到电气回路中流过电流的时间超过设定的时间，则判定储能单元发生故障，保护装置立即动作，切断电机电源，并强制闭锁储能单元电源。
储能保护模块动作后，装置指示灯D亮起，指示储能电源已被闭锁，发出就地报警信号，或者，向远方集控中心发出“断路器未储能信号”的报警信号。
目前真空断路器的二次保护往往只注重断路器主回路的设计和防护，而忽视了操动机构的自身元件的防护。本技术方案主要针对于自身操动机构元件——储能电机的保护，防止弹簧操动机构出现控制或传动故障后对储能电机的伤害，当储能单元出现故障导致储能电机非正常的空转时，能立即切断并闭锁储能电源，保护储能电机。
正确匹配电气回路中流过电流的时间(即电机储能时间)与断路器所规定的储能完成时间(即保护动作时间)成为本技术方案实现目标和动作可靠性的关键。
现有10千伏真空断路器的储能时间一般不超过15秒。因此，匹配的储能电源闭锁保护动作时间略大于15秒即可，为了保证动作的可靠性，增加一定的时间裕度，根据不同型号的断路器，将保护装置的动作时间设置在20～30秒之间为宜。
在10千伏配网中，10千伏真空断路器类型众多，储能电机型号以及故障影响、缺陷处理难度也都各不相同，以VB5型断路器为例，在某供电分公司变电检修1班所管辖的供电设备中，共有13个变电站采用VB5型断路器，从2011年至今共进行了234次VB5型断路器的检修维护，操作抢修一共进行了36次，总共更换烧毁的储能电机36只；在日常检修过程中一共进行了75次储能啮合故障处理，这75次故障虽然有储能电机损毁，但是如果在运行中一旦进行远方操作或重合闸操作后，必将引起储能电机的非正常长期运行，电机的损毁。
1、HDZ-21001/A型储能电机每只售价465元，共可节约元件费用465(元)*36(只)＝16740元。
2、以更换HDZ-21001/A型储能电机4小时计算，共可以增收10千伏可供电费用，0.86(元/千瓦时)*10(千伏)*1250(安培)*0.8(功率因数)*4(小时/只)*36(只)＝1238400元。
3、以减少储能电机更换所节约的人力成本，共可节约人工成本50(元/人/小时)*3(人)*4(小时)*36(台)＝21600元。
仅仅针对这36台储能电机损毁的VB5型断路器进行成本核算，就可节约资金：16740+1238400+21600＝1276740元
在目前申请人所辖的10千伏配电网中，开关设备主要以开关柜加车式断路器的组合形式存在，而开关柜普遍采用交流220伏的储能电源。因此，本技术方案在10千伏配网真空断路器中具备了良好的通用性。
在更高电压等级的断路器中，只要其弹簧操动机构采用交流220伏的电源，只需将储能电源闭锁保护装置的动作时间与储能时间进行相应的匹配后，同样可以推广应用。
本技术方案，通过监测储能电机控制回路中电流流过的时间，与该型号断路器的储能完成时间来进行比较，当储能单元超时未完成储能动作时，即判定储能单元中出现了传动或控制故障，立即切断储能电源，以实现断路器电机保护。
本技术方案的实施，从技术上解决了断路器弹簧操动机构出现控制和传动故障后造成储能电机受损问题，节约了工作人员维修人工成本以及设备零件更换成本，经济效益可观；进一步保障了断路器的运行可靠性，提高了城市电网的安全、经济、稳定运行，
本技术方案是申请人单位基层维修工人参加“群创”活动的技术成果。该技术方案的推广和应用，对于断路器的现场维修和整个电网的安全供电，具有重要意义。
本发明可广泛用于真空式断路器的设计、制造和维修领域。

Claims (8)

1.一种防止断路器储能电机失灵的方法，所述的断路器储能电机设置在断路器储能单元中，所述的断路器储能单元中还包括有弹簧操动机构；其特征是：
在所述断路器储能电机的电气回路中，设置一个储能保护模块；
所述的储能保护模块由采样单元、延时单元和储能电机电气回路通/断控制单元构成；
所述的采样单元用于对流过储能电机的电气回路中的电流进行时间采样；
所述的延时单元用于将储能电机电气回路中流过电流的时间与断路器所规定的储能完成时间进行比较；
所述的储能电机电气回路用于接通/切断所述储能电机的电气回路；
当所述电气回路中流过电流的时间大于断路器所规定的储能完成时间后，储能保护模块就判定断路器储能单元的弹簧操动机构出现故障；
则所述的储能保护模块对断路器储能电机的电气回路采取保护措施，切断储能电机的电源，停止储能电机的运转；
所述的防止断路器储能电机失灵的方法，通过监控所述储能电机电气回路中流过电流的时间，来判定断路器储能单元的弹簧操动机构是否出现故障，避免储能电机的长期连续运转，防止和避免所述储能电机的烧毁和损坏，进而保障断路器的运行可靠性，提高城市电网的安全、经济、稳定运行。
2.按照权利要求1所述的防止断路器储能电机失灵的方法，其特征是所述储能电机的电气回路至少包括储能电机线圈M和串接在控制电源与储能电机线圈M之间的储能辅助开关S2的常闭接点S2-1；
所述的储能保护模块包括一个电压继电器U、一个带延时的电压继电器SU和一个电流时间继电器I；
所述的电压继电器U构成所述的储能电机电气回路通/断控制单元，用于接通或断开储能电机的电气回路和实现“自保持”功能；
所述的带延时的电压继电器SU构成所述的延时单元，用于计量储能电机的运转动作时间，控制电压继电器U的启动；
所述的电流时间继电器I构成所述的采样单元，用于检测储能电机的电气回路中流过电流的时间，启动带延时的电压继电器SU。
3.按照权利要求2所述的防止断路器储能电机失灵的方法，其特征是所述带延时的电压继电器SU控制线圈的两端，经过电流时间继电器I的常开接点I-1，分别与控制电源的两端对应连接；
所述电压继电器U控制线圈的两端，经过带延时的电压继电器SU的延时打开触点SU-1，分别与控制电源的两端对应连接；
所述电压继电器U的常开接点U-2，并接在延时打开触点SU-1上，构成电压继电器U的“自保持”功能电路；
所述电压继电器U的常闭接点U-1、电流时间继电器I的控制线圈、储能辅助开关S2的常闭接点S2-1和储能电机线圈M依次串接后与控制电源的两端分别对应连接。
4.按照权利要求3所述的防止断路器储能电机失灵的方法，其特征是在所述电压继电器U控制线圈的两端，并接有一个指示灯D。
5.按照权利要求1所述的防止断路器储能电机失灵的方法，其特征是所述断路器所规定的储能完成时间为15秒，所述采样单元对储能电机的电气回路中流过电流的采样时间为20秒。
6.一种按照权利要求1所述方法工作的防止断路器储能电机失灵的装置，所述的断路器储能电机设置在断路器储能单元中，储能电机线圈M和储能辅助开关S2的常闭接点S2-1依次串接后，经过储能电源控制开关2DK与控制电源的两端分别对应连接；其特征是：
在所述断路器储能电机的电气回路中，设置一个储能保护模块；
所述的储能保护模块至少包括一个电压继电器U、一个带延时的电压继电器SU和一个电流时间继电器I；
所述带延时的电压继电器SU控制线圈的两端，经过电流时间继电器I的常开接点I-1，分别与控制电源的两端对应连接；
所述电压继电器U控制线圈的两端，经过带延时的电压继电器SU的延时打开触点SU-1，分别与控制电源的两端对应连接；
所述电压继电器U的常开接点U-2，并接在延时打开触点SU-1上，构成电压继电器U的“自保持”功能电路；
所述电压继电器U的常闭接点U-1、电流时间继电器I的控制线圈、储能辅助开关S2的常闭接点S2-1和储能电机线圈M依次串接后与控制电源的两端分别对应连接；
当断路器储能单元工作正常时，合上储能电源控制开关2DK，储能电机M得电并开始转动，带动储能弹簧进行储能，同时电流时间继电器I线圈得电，常开接点I-1闭合，带延时的电压继电器SU的线圈得电，开始计时；当计时时间达到断路器所规定的储能完成时间后，断路器储能完成，储能辅助开关S2的常闭接点S2断开，切断储能电机电源；同时电流时间继电器I线圈失电，常闭接点I-1断开，带延时的电压继电器SU的线圈失电，停止计数，接点SU-1不动作，电压继电器U不启动，储能保护模块不启动闭锁储能电源的功能；
当断路器储能单元出现故障时，合上储能电源控制开关2DK，储能电机M得电开始转动，带动储能弹簧进行储能，同时电流时间继电器I线圈得电，常开接点I-1闭合，带延时的电压继电器SU的线圈得电开始计时；当计时超过对储能电机的电气回路中流过电流的采样设定时间后，储能电机仍然得电继续转动，则常开接点SU-1闭合，电压继电器U的线圈得电，常开接点U-2闭合，电压继电器U的线圈实现电压“自保持”，常开接点U-1断开，切断储能电机的电源，强制闭锁储能单元的控制电源，储能保护模块启动闭锁储能电源的功能。
7.按照权利要求6所述的防止断路器储能电机失灵的装置，其特征是所述断路器所规定的储能完成时间为15秒，所述对储能电机的电气回路中流过电流的采样设定时间为20秒。
8.按照权利要求6所述的防止断路器储能电机失灵的装置，其特征是在所述电压继电器U线圈的两端，并接有指示灯D，用于对外发出报警信号。
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