ZK型低压真空断路器的原理与故障处理

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)兖州矿业( 集团) 公司 作者:顾士新

  以当前煤矿井下广泛应用的隔爆型低压真空馈电开关流行配置的一种电磁操动机构低压交流真空断路器为例,对ZK2-500 /1.14-9 型真空断路器的结构、组成、工作原理进行了全面系统阐述。结合常见故障进行分析处理,并研发了专用维修工具,为准确判断故障类型,迅速排除故障现象,及时恢复井下安全供电提供了技术保障。

引言

  当前煤矿井下低压供电普遍使用带有综合保护装置的隔爆型智能低压馈电开关,配备低压真空断路器作为主回路开合元件。断路器所配操动机构有弹簧贮能操动机构、电磁操动机构、永磁操动机构三种,其中电磁操动机构具有结构简单、便于操作、通用性强的优点,成为近年来真空断路器流行配置。兖州矿业( 集团) 公司南屯煤矿目前大量使用的东方公司KBZ-500 /1140 型低压隔爆馈电开关均配备ZK2-500 /1.14-9 型电磁操动机构真空断路器,该断路器体积小,重量轻,灭弧、绝缘性能好,结构紧凑,操作方便,在电压1 140 V 以下开关中应用广泛。但这种断路器存在合闸电流大、元件布置不合理、维修不方便等缺陷,严重制约着矿井安全供电和正常生产。经过真空技术网(http://www.chvacuum.com/)对断路器的工作原理进行了研究,分析其常见故障和判断处理方法,为掌握断路器分合闸过程,准确判断故障性质,迅速排除故障将起到积极的作用。

1、断路器工作原理

1.1、总体结构

  ZK2-500 /1.14-9 型低压交流真空断路器结构如图1 所示,它由构架、真空开关管15、合闸线圈2、分励线圈5、欠压释放线圈14、合分闸机构等组成。其中构架由绝缘构架10、金属构架8 两部分组合而成,真空开关管静触头17 通过电极夹18 固定在绝缘构架中,其余部件配合安装于金属构架中。

断路器机构分闸位置示意图

1 - 分闸弹簧; 2 - 合闸线圈; 3 - 保持扣板; 4 - 扣板拉簧;5 - 分励线圈; 6 - 半轴; 7 - 半轴拉簧; 8 - 金属构架; 9 - 辅助压板;10 - 欠压释放压簧; 11 - 合闸转轴; 12 - 手分闸线; 13 - 真空管动触头;14 - 欠压释放线圈; 15 - 真空开关管; 16 - 合闸板; 17 - 真空管静触头;18 - 电极夹; 19 - 绝缘构架

图1 断路器机构分闸位置示意图

1.2、 电气回路

  断路器电气回路由图2 可见,主要通过连接插头与开关控制系统构成三个回路,其一是欠压释放线圈Q 经7、14 号插头获得直流48 V 工作电源; 其二是分励线圈F 经8、13 号插头获得直流48 V 工作电源; 其三是合闸回路经9( 12) 、10( 20) 号插头获得交流127 V 工作电源,通过整流后为合闸线圈H 提供直流工作电源。合闸线圈为双线圈双电磁铁结构,合闸瞬间断路器辅助接点QF 处于闭合状态,短接掉2、4 号线圈,使其只通过1、3 号线圈大电流强磁力吸合,断路器吸合后辅助接点断开,四个线圈全部通电,维持小电流弱磁力保持,既保证断路器可靠吸合,又有效延长合闸线圈使用寿命。

断路器电气原理图

图2 断路器电气原理图

1.3、合闸准备

  图1 为断路器分闸位置示意图,此时合闸线圈、分励线圈均未得电,欠压释放线圈得电,合闸板16在分闸弹簧1的作用下被推在右方,其拐臂克服真空管自身吸力的作用,将真空管动触头13 拉出2 mm左右,使其处于分断位置,同时固定在合闸板上的辅助压板9,克服了欠压释放线圈压簧10 的反作用力,将欠压释放线圈压制在吸合位置,帮助欠压释放线圈保持吸合。

1.4、合闸过程

  该型断路器为电磁合闸,机械保持。由图3 所示,当开关控制系统发出合闸指令后,合闸线圈得电,其电磁铁产生强大磁力,吸引铁磁性的合闸板克服分闸弹簧的反作用力迅速沿合闸转轴11 逆时针转动,其拐臂推动真空管动触头上移,与静触头紧密接触,使真空管处于合闸位置,同时合闸板的上部左移,压缩分闸弹簧并不再制约保持扣板3 的拐臂,保持扣板在扣板拉簧4 的作用下下部左摆,越过半轴6 的缺口。合闸动作到位后,合闸线圈失电,机构在分闸弹簧的反作用下有回复原有分闸状态的趋势,但此时半轴在半轴拉簧7 的作用下有一定角度的顺时针转动,其缺口棱角恰好挡住保持扣板,这样既保持了扣板的拐臂,又挡住了合闸板,整套机构保持在合闸状态,合闸过程结束。

断路器机构合闸位置示意图

图3 断路器机构合闸位置示意图

  此外,由于合闸板的转动带动辅助压板转动,失去了对欠压释放线圈的压制,为欠压释放做好准备。

1.5、分闸过程

  该型断路器分闸有分励脱扣分闸、欠压脱扣分闸、手动脱扣分闸三种方式。

1.5.1、分励脱扣分闸

  当开关控制系统发出分励脱扣指令后,断路器分励线圈得电,其电磁铁吸合,带动半轴逆时针转动一定角度,半轴的缺口失去对保持扣板的阻挡,保持扣板的拐臂随之失去对合闸板的阻挡,合闸板在分闸弹簧的作用下迅速沿合闸转轴顺时针旋转,其拐臂带动真空管动触头下移,迅速脱离静触头,使真空管由闭合转为分断状态。同时,合闸板的转动带动了辅助压板转动,重新对欠压释放线圈产生压制,为欠压释放线圈可靠吸合做好准备。

1.5.2、欠压脱扣分闸

  当开关失电或控制系统发出欠压脱扣指令后,断路器欠压释放线圈失电,其电磁铁在欠压释放压簧的作用下弹出,顶向半轴突出部位,使半轴逆时针转动,继而造成真空管分断,后续动作同分励脱扣分闸。

1.5.3、手动脱扣分闸

  若开关控制、保护系统发生故障,或分励、欠压脱扣均失效,往往需要应急手动分闸,该断路器手动脱扣分闸采用了闸线手分装置。当需要手动分闸时,拉动手分闸线12,带动半轴逆时针转动,即可像分励、欠压脱扣一样实现分闸。

2、常见故障及处理

2.1、拒合闸故障

  断路器拒合闸有电气故障和机构故障两个方面。

2.1.1、电气故障

  由图2 可知,断路器拒合闸的原因是:

  1) 欠压释放线圈不吸: 此线圈阻值用万用表电阻档测量应为400 Ω 左右,阻值过大则为线圈断路,阻值过小则为匝间短路( 会造成熔断器烧毁) 。若此时合闸声音正常,但断路器机构保持不住,则立即分断。处理方法为更换欠压释放线圈。

  2) 合闸线圈故障:

  (1) 整流器开路或短路时,合闸无动静,可用万用表测量判断,处理方法为更换整流器。

  (2) 线圈开路或短路时,合闸亦无动静,可能造成熔断器烧毁,拆开两组线圈后用万用表对比测量阻值即可判断。处理方法为更换损坏的一组线圈。

  (3) 断路器辅助接点故障,主要是闭合时接触不良,合闸线圈吸合无力,达不到合闸位置。处理方法是打磨、调整接点或更换辅助接点。

2.1.2、机构故障

  1) 合闸线圈电磁铁与合闸板之间进入异物,特别是检修过程中造成平垫、弹簧垫等小型铁质器物散落于合闸线圈附近,合闸瞬间被电磁铁吸引,挡在电磁铁与合闸板之间,造成合闸板运行不到位,机构挂不住。处理方法是清除异物。

  2) 辅助压板9 因磨损、老化变形失效,使得分闸状态下压制不住欠压释放线圈的电磁铁,或合闸时欠压释放线圈吸合不住,其电磁铁只顶住半轴,造成扣板无法在半轴上保持。处理方法是调整辅助压板的角度或更换辅助压板。

  3) 手分操作分闸后手分闸线未复位,拉住半轴,造成再次合闸时扣板无法在半轴上保持。处理方法是对闸线进行加油润滑,并手动反向回推,使闸线回位。

2.2、拒分闸故障

2.2.1、电气故障

  主要是分励线圈不吸。可用万用表测量电阻值,档位应为100 Ω 左右。若阻值过大则为线圈断路,若阻值过小,则为匝间短路( 会造成熔断器烧毁) 。处理方法为更换分励线圈。

2.2.2、机构故障

  1) 分励脱扣不跳闸: 分励线圈虽已吸合,但由于其电磁铁与半轴配合间隙大,未对半轴进行有效拉动,造成机构不动作。这种故障状态下分励线圈会长期带电,极易造成分励线圈烧毁的次生故障。处理方法是调整电磁铁与半轴配合间隙。

  2) 欠压脱扣不跳闸: 其一是欠压释放线圈失电后,因其电磁铁与半轴配合间隙大,电磁铁弹出后未对半轴进行有效顶动,造成机构不动作。处理方法是调整电磁铁与半轴配合间隙; 其二是更换或调整辅助压板后,辅助压板压得太死,合闸状态下仍未脱离对欠压释放线圈电磁铁的压制,导致欠压释放线圈失电后,其电磁铁无法弹出,机构不能脱扣。处理方法是调整辅助压板,使其既在分闸状态有效压制,又在合闸状态成功脱离。

  3) 手分脱扣不跳闸: 拉动手分闸线断路器未脱扣,主要是闸线锈蚀拉不动,或闸线与半轴配合不紧密,拉不动半轴。处理方法是对闸线进行加油润滑处理,或调整闸线与半轴的配合,使其能够有效拉动半轴。

3、专用工具设计应用

  该型断路器只有电动方式,而没有手动合闸方式,由于操动机构位于背面,发生故障后要更换线圈或调整机构,都需要将断路器从开关中拆出,更换或调整后再恢复,然后通电试验,处理过程非常麻烦。通过反复试验,研发了一件专用维修工具,该工具结构见图4。

专用工具结构示意图

1 - 手杆; 2 - 支点; 3 - 活销; 4 - 挂钩

图4 专用工具结构示意图

  专用维修工具主要由手杆、活销、挂钩三部分组成,手杆和挂钩通过活销连接,形成自由转动配合。使用时将挂钩插入合闸板上头,钩住合闸板,手杆的支点正好支撑在断路器金属构架上。从图5 看出,当手杆沿下箭头方向下压时,会产生以支点为中心的逆时针转动,带动挂钩沿上箭头方向移动,从而将合闸板由分闸位置拉至合闸位置。利用这一专用工具,可以在开关拆卸后,不需在另外加电状态下单独进行断路器的手动合分闸试验,避免了繁锁的反复拆卸、调整、装配、试验等,非常方便实用。

专用工具使用示意图

图5 专用工具使用示意图

4、结语

  通过对于断路器结构组成、工作原理、常见故障及处理方法等的阐述,对煤矿维修工掌握维修技能、提高业务素质、准确判断故障类型、速恢复安全供电将起到一定的促进作用。特别是专用工具的研发成功,为准确判断故障类型,迅速排除故障现象,及时恢复井下安全供电提供了保障。

参考文献:

  [1] 王公华,梁卫东. 井下电钳工[M]. 江苏: 中国矿业大学出版社, 2007.

  [2] 李俊双. 机电区队长[M]. 北京: 煤炭工业出版社,2003.

  [3] 徐之,张世根. 煤矿供电及其设备[M]. 北京: 煤炭工业出版社, 1993.

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