现场︱BF1-110频率继电器屡次烧损之原因分析

中国电工技术学会定于2016年9月26~27日在安徽省合肥市举办“2016第五届新能源发电系统技术创新大会”（原“分布式发电与微电网技术大会”），主题为“能源互联网关键技术、储能电站与微电网建设”。

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中冶集团铜锌有限公司巴基斯坦·山达克铜金项目的研究人员尤家安，在2016年第8期《电气技术》杂志上撰文，对BF1-110型频率继电器的触点屡次烧损故障，经过检查相关元件，根据现场故障现象，通过反复试验和全面分析，针对跳闸铁心动作异常，分解后发现内部存有油泥状粘稠物，以及频率继电器触点容量不够，从而确定了频率继电器被烧的原因和改进措施，为从事该项工作的检修技术人员提供了来自现场的第一手经验参考。

矿区自备电厂通过两条6.3kV架空线路（东、西环）向采场提供5000-5500kW的动力电源，其控制开关型号为ZN-10C/1250-20，电磁操动机构型号为CD10。因为电厂机组容量较小、系统稳定性差、受负荷变化影响较大，因此原设计在采矿东、西环线路开关的继电保护中分别加装了频率保护装置，用于系统频率下降时自动甩负荷，快速恢复系统稳定，使电厂机组安全运行。

而采用的手车式断路器（以下简称为开关）在运行中频繁操作故障相对较多，因跳闸机构存在故障导致跳闸线圈以及相关元件烧毁，而不能快速切除线路负荷，致使故障扩大给生产造成较大损失。本文通过案例分析、试验最终查明了屡烧频率继电器触点和跳闸线圈的原因所在。

1  故障现象及故障检查

1.1  故障现象

2015年3月6日采矿西环线路突然停电，电厂保护装置显示系统频率低，机组声音有异常，伴随灯光发生明暗变化。15分钟后维修人员进入高压开关站检查，发现采矿东、西环线路开关全部跳闸，两条线路均显示低频保护动作。检查中发现，东环线路开关及保护装置正常，而西环线路开关的跳闸线圈和信号继电器表面变黑。

将西环线路开关的跳闸线圈及信号继电器更换后，开关移到检修位置进行手动分、合闸试验，一切正常。然后将开关推入开关柜的试验位置进行按钮分、合闸试验则出现了问题，合闸表现为：有时能够合上闸，但状态不对（合闸状态，同时存在跳闸拒动），而有时合闸即跳闸。跳闸表现为：有时可以跳闸，而有时不能跳闸，甚至有时不作任何操作就会随机跳闸。

跳闸铁心动作异常：当开关按钮分闸时，观察跳闸铁心已经动作，但顶不开脱扣机构，铁心不能下落返回，且信号继电器掉牌不能复位，跳闸线圈和信号继电器开始发热。

1.2  故障检查

开关在检修位置进行手动分、合闸试验一切正常，说明分、合闸传动机构没有问题。然后将开关推入开关柜的试验位置，并把跳闸压板-B断开见图2-a所示，按钮分、合闸试验均正常，当跳闸压板-B联通后，按钮分、合闸就出现问题。

将频率继电器-F摘下检查，经PDS-3型变频变压电源试验后确认常闭触点-F11-14粘连短路已经失去开关作用。打开频率继电器外壳，内部电路板上的电子元件完好，电路板上的两个小型继电器型号为G2R-2/12VDC，保护动作时高、低频开关量分别由此输出，其中低频开关量输出端就是常闭触点-F11-14。

如图1所示，常闭触点-F11-14已经过热、变色、粘连，动触点的塑料推杆已经熔化变形，衔铁被卡住无法动作，触点处于短接状态。

图1 小型继电器常闭触点-F11-14粘连情况

更换频率继电器-F后，经过试验故障消失设备恢复正常。开关投入运行3天后故障依旧，经查又是频率继电器-F常闭触点-F11-14粘连，经反复查找故障原因无结果的情况下，再次更换频率继电器-F，经过按钮分、合闸试验没有发现问题的情况下，将开关再次投入运行，3个月后同样的故障又发生了，检查结果还是频率继电器-F触点11-14粘连，发现每次触点11-14粘连都和系统频率下降有关。

2  原因分析

2.1  开关及保护动作原理

在电力系统中由于有功、无功缺额引起频率、电压下降时，低周、低压减载装置将自动按频率、电压降低值切除部分电力用户负荷，使系统的电源与负荷重新平衡，防止频率、电压崩溃事故，使整个系统尽快恢复正常[1]。

见图2-a、图3-a所示，正常供电时，开关在工作位置并合闸，电压小母线WV3.1、WV3.2、WV3.3带电，由于电压闭锁继电器-V、时间闭锁继电器-S和频率继电器-F都并联在WV3.1和WV3.3母线上，所以触点-S15-18、-V11-21均已接通，跳闸辅助触点-QF1S2在接通位置，只有触点-F11-14是断开的，这时回路处在预备跳闸状态。

当系统频率下降到48.5Hz（频率继电器的整定值）以下时，频率继电器-F动作触点-F11-14接通，起动跳闸线圈-QF1Y2切除用电负荷，减轻电厂机组负担，使系统频率尽快恢复正常，同时信号继电器动作显示低频跳闸。

图2  控制保护（低频跳闸）二次回路改进前、后原理图

图3低频保护电压二次回路改进前、后原理图

2.2   跳闸铁心动作异常分析

1）跳闸铁心异常现象。试验中发现跳闸铁心不能上下自由窜动，存在卡涩现象，向上运动冲击行程不够，而每次运动的速度都有差异（时快时慢），当运动速度变慢时就会出现跳闸顶杆顶不开脱扣连板的情况，辅助触点-QF1S2就不能断开，触点-S15-18、-V11-21均已接通，当触点-F11-14发生粘连，跳闸铁心向上运动后，跳闸顶杆就会一直停滞在脱扣连板处不动。

2）跳闸铁心运动速度变慢或停顿的原因。见图4所示，分解跳闸线圈发现，铁心活动间隙（0.5mm）和铁心行程空腔内有油泥状粘稠物，会阻尼加速运动的铁心，使铁心运动速度减慢，瞬间冲击力降低，铁心向上冲击时，在铁心行程空腔内的油泥状粘稠物受到挤压会限制行程高度，乃至无法顶开脱扣连扳，铁心在励磁状态会一直停留在脱扣连扳处，铁心不能靠自身重力返回到原来的初始位置。这样就造成了跳闸铁心行程不够，降低了开关的跳闸速度，甚至不能跳闸。

图4  跳闸线圈及脱扣机构示意图

经现场调研，在检修开关时，外方员工为了让跳闸机构更灵活，往跳闸线圈铁心的上端加注了过量润滑机油，机油顺着跳闸顶杆间隙流入活动间隙及铁心行程空腔内并与粉尘混合形成了油泥状粘稠物阻碍了铁心运动。

阻尼作用的大小跟机油粘度、粉尘、环境温度以及铁心是否经常动作有关，所以故障发生是随机性的，经过3天甚至3个月运行时间，故障依然存在，也说明了故障的不稳定性。

2.3频率继电器触点-F11-14粘连原因分析

1）跳闸回路电流计算。正常状态测试：信号继电器-X线圈电阻Rx=250Ω，跳闸线圈-QF1Y2电阻Ry2=88Ω，跳闸回路电压U=220VDC，通过跳闸线圈-QF1Y2的正常电流IT=220/（250+88）=0.65A。故障后测试: 信号继电器-X线圈电阻Rx1=20Ω，跳闸线圈-QF1Y2电阻Ry21=30Ω，则通过跳闸线圈-QF1Y2的故障电流IT1=220/(20+30)=4.4A。

2）频率继电器-F触点-F11-14的分断容量小。频率继电器-F中的小型继电器G2R-2/12VDC常闭触点-F11-14的标称容量是5A /250VAC、5A /30VDC，根据继电器触点在直流电路中不同工作电压时控制感性负载（时间常数为40ms±5ms）的最大分断电流值[3]，此触点220VDC的工作电压最大分断电流为0.2A,显然不能可靠分断大于220VDC,0.65A的电流而发生粘连。

3）持续跳闸电流的产生。频率继电器-F动作，其触点-F11-14持续接通时间与系统低频率运行时间有关。当系统频率降至48.5Hz以下时，频率继电器-F动作触点-F11-14接通，跳闸线圈起动，但由于铁心受到油泥状粘稠物的阻尼作用速度变慢、行程缩短、结果是跳闸拒动。

因为开关跳闸拒动,负荷不能快速切除，系统频率就不能及时恢复正常，持续低频率运行的时间就会延长，所以造成频率继电器动作后触点-F11-14不能及时返回（打开），触点-F11-14始终在接通状态，使跳闸回路长时间带电。因为跳闸线圈-QF1Y2是短时间带电设计，电流型信号继电器-X的额定电流为0.025A，它们不允许长时间带电工作，所以会发生烧线圈情况。

4）跳闸线圈-QF1Y2过热后烧毁内部层间绝缘被破坏发生短路时，通过跳闸线圈-QF1Y2的故障电流IT1=4.4A，是正常跳闸电流的6倍，在跳闸拒动的情况下，跳闸回路持续故障电流使接触不良的频率继电器-F触点-F11-14首先开始发热乃至过热，塑料推杆熔化变形后，衔铁和触点被卡住使触点粘连。

5）由于常闭触点-F11-14容量和工作间隙小，电弧作用造成的三点瞬时电连通现象[4]，使其触点表面反复拉弧形成斑痕，导致接触不良，增加了分断直流220V的难度，使触点粘连。

2.4   开关在试验位置按钮不能正常合闸的原因分析

1）有时能够合上闸但状态不对。开关在跳闸状态时，位置触点-S1和辅助触点-QF1S1均接通，按下-S3合闸接触器-KM1吸合，开关到达合闸位置后，触点-QF1S1断开的同时触点-QF1S2接通。当触点-F11-14发生粘连时，触点-S15-18、-V11-21均在接通位置，跳闸线圈-QF1Y2通电励磁，跳闸铁心向上运动，由于跳闸铁心动作异常，在顶不开脱扣连板的情况下，跳闸顶杆上端停滞在脱扣连板处（即不能脱扣跳闸，顶杆也无法回落）见图4所示，跳闸回路处于带电跳闸中，此时开关虽然能够合上闸，但属于不正常合闸状态。

2）有时合闸即跳。开关在跳闸状态时，位置触点-S1、-QF1S1、-S15-18、-V11-21均已接通，当触点-F11-14发生粘连时，按下-S3合闸接触器-KM1吸合，开关到达到合闸位置后，触点-QF1S2接通，当触点-F11-14发生粘连时，跳闸线圈就处于通电跳闸状态，所以合不上闸。

2.5   开关在试验位置按钮不能正常跳闸的原因分析

1）有时可以跳闸。开关在合闸状态时，位置触点-S1、-QF1S2、-S15-18、-V11-21均已接通，而触点-QF1S1是断开的，当触点-F11-14在断开时，低频保护跳闸回路处在开路状态，此时按下-S4是可以正常跳闸的。

2）有时不能跳闸。由于开关拒动而烧坏跳闸线圈，这种异常现象经常发生在分闸铁心卡死不回原位，继电器触点动作后，由于油断路器分闸回路辅助接点断不开，致使分闸线圈长期带电所致[5]。

开关在合闸状态时，跳闸回路辅助触点-QF1S2、-S15-18、-V11-21均在接通位置，当触点-F11-14处于粘连时，低频保护跳闸回路接通，虽然跳闸铁心向上运动，由于跳闸铁心动作异常，不能顺利顶开脱扣连板，不能完成跳闸，结果-QF1S2始终断不开，跳闸线圈持续带电，在电磁力的维持下，跳闸顶杆上端会紧贴脱扣连板不能自动返回到原来的起始位置，所以当按下-S4时无效，跳闸铁心不会重新向上冲击，所以不能跳闸。

3）有时不作任何操作就会随机跳闸。开关在合闸状态时，由触点-F11-14粘连原因可知，多种因素影响状态不够稳定，有时会出现时粘时不粘（接触不良）的现象，于是跳闸线圈失电跳闸铁心复位，得电又重新励磁，铁心重新向上冲击脱扣连扳进行跳闸，否则跳闸铁心无法再次跳闸。

3  处理结果及改进措施

将故障跳闸线圈分解后见图5所示，用汽油将污物彻底清洗并回装，对开关进行试验一切正常，故障排除。

图5  跳闸线圈及铁心分解

为了提高保护装置动作的可靠性，取消原电路中的电压闭锁继电器-V见图3-b所示，增加一个中间继电器扩大其跳闸回路的触点容量，取代频率继电器-F触点11-14避免触点粘连发生。改进后的电路详见图2-b、图3-b所示。

其动作原理：正常供电时开关在合闸状态，电压小母线带电，时间闭锁继电器-S和频率继电器-F都并联在WV3.1和WV3.3母线上，所以触点-S及跳闸辅助触点-QF1S2均在接通位置，只有触点-F是断开的，回路处在预备跳闸状态。

当系统频率下降到48.5Hz（整定值）以下时，频率继电器动作触点-F接通，起动中间继电器-Z，常开触点-Z接通跳闸线圈-QF1Y2切除用电负荷，使系统频率尽快恢复正常。实践证明经过改进后的电路彻底杜绝了此类故障的发生。

4   结论

综上所述，跳闸线圈被错误地加注润滑机油后，由于现场粉尘严重，在跳闸线圈铜套与铁心的活动间隙以及铁心行程空腔内形成油泥状粘稠物，对铁心的运动形成阻尼减速作用，影响了跳闸铁心的行程高度，铁心顶杆不能可靠顶开脱扣连扳，导致跳闸拒动，是频率继电器触点屡次被烧原因之一。

其次，频率继电器触点容量不够大，是造成触点粘连原因之二。因此在检修工作中，类似电磁铁的设备不能随意注油，特别是粘度大粉尘高的环境，另外在设备检修工作中不能忽视小问题的存在。