第一篇：真空断路器弹簧杆断裂故障分析
摘要：针对机车真空断路器弹簧杆断裂故障，从真空断路器弹簧杆动作形式、故障件金相分析等方面进行分析，找出了故障主要原因，提出改进方案，并进行了试验验证。
关键词：机车；真空断路器；弹簧杆；断裂；改进方案
引言
真空断路器用于电力机车整车与接触网之间主电路的开断和接通，同时有过载和短路保护作用。其采用压缩空气进行操作，并利用真空进行灭弧，是机车重要的保护类电器。近期机务段陆续反馈多起真空断路器运行事故，经机车回段拆解分析为真空断路器弹簧杆断裂导致。弹簧杆是真空断路器驱动机构中重要的传动部件，一旦出现断裂，将直接导致真空断路器无法动作。本文从故障件检测、产品结构等方面对问题原因进行分析，找出导致产品失效的根本原因，制定针对性的改进方案。
1弹簧杆结构及断裂情况
弹簧杆安装于弹簧内部，在非工作状态下与弹簧不存在接触，弹簧两端各装配有一件垫圈与之配合，如图1所示。真空断路器弹簧杆采用Φ18铝棒加工而成,表面进行阳极氧化处理，本次断裂的弹簧杆运行时间为2年3个月。对故障产品进行检查，发现真空断路器驱动机构一侧肘节弹簧及弹簧杆从固定导杆上脱出。检查弹簧杆，发现腰形孔处断裂，表面有被弹簧和垫圈磨损痕迹，如图2所示。
2原因分析
导致弹簧杆断裂的可能原因有：1）弹簧杆原材料有缺陷，导致强度降低；2）产品部件制造，不符合技术要求；3）产品设计结构不合理，无法满足实际工况。为验证以上原因，进行了以下分析。2.1化学成分分析对故障件材质成分进行化验，结果见表1，各成分符合GB/T3190标准要求，因此可排除原材料缺陷。
2.2断口宏观检查
对断裂的弹簧杆进行检查，弹簧杆运动方向两侧表面呈等间距的磨痕，与外部弹簧圈较为吻合，如图3所示。对故障件断裂部位进行观察，断口位置2处表面已被磨光，但仍可见较大的疲劳台阶，位置1处断口表面较为完整，未见明显损伤痕迹。根据断口形貌可推断是在较大应力作用下发生的疲劳断裂，弹簧杆断裂时首先发生在位置2处，且该处断裂从弹簧杆外圆面处开始。断口宏观形态如图4所示。
2.3断口微观形貌检查及能谱分析
鉴于断口位置2处已被严重磨损，表面形貌无法观察，因此对断口位置1处及弹簧杆表面进行微观形貌观察和能谱分析，分析结果如图5所示。结果表明弹簧杆表面挤压变形痕迹明显，能谱显示未见异常。由于弹簧硬度远高于弹簧杆，且弹簧与弹簧杆之间主要为挤压作用，因此未出现明显的相对滑动。弹簧成分并没有残留于弹簧杆损伤处。断口位置1处微观形貌呈现韧窝状撕裂断口，能谱分析未见异常，可证明断口位置1为在断口位置2处先断裂后瞬间撕裂的推断。
2.4金相分析
断口位置2处为断裂的开始部位，对其进行金相分析。断口抛光态形貌显示断口位置2处表面损伤处已被压溃，组织为α-Al基体上分布着弥散细小的颗粒状Si相；基体组织亦为α-Al基体上分布着弥散细小的颗粒状Si相，材料金相检查无异常。
2.5产品结构分析
对传动机构原理进行分析，垫圈与弹簧杆之间有相对滑动，不可避免地会产生弹簧杆材料磨损，根据前期的运用经验及产品寿命试验验证，并未出现断裂故障。为进一步查找问题原因，对驱动机构相关部件进行检查，发现与弹簧杆配合的垫圈倒角为斜角，与设计要求的圆角不符。驱动机构动作时，垫圈会在弹簧杆上往复运动，如果垫圈倒角为斜角，则垫圈锐边会与弹簧杆直接接触，形成夹角。垫圈与弹簧杆往复位移形成一个棱边对平面的摩擦副，类似刨刀的作用形式，可能导致弹簧杆在未达到寿命时就发生断裂。对此现象进行追溯，发现生产现场与库存垫圈的倒角均为斜角，与技术要求不符。在产品批量生产阶段由于没有意识到此处倒圆角的重要性，错误地使用了倒斜角的垫圈，是造成本次故障的主要原因。为证明以上分析结论，分别使用合格垫圈及与故障件同类垫圈进行模拟验证。装配故障件同类垫圈时，弹簧杆动作一半寿命后就产生裂纹；装配符合技术要求的垫圈时，弹簧杆动作一半寿命后未产生裂纹。综上分析及验证结果可判定：弹簧杆化学成分，金相等均无异常；造成弹簧杆断裂的原因为：与之配合的垫圈倒角不符合技术要求，导致垫圈在往复运行过程中使弹簧杆承受严重的磨损，表面逐渐被压溃，继而引发疲劳裂纹，断裂位置开始于弹簧的第一簧圈附近。
3改进方案
根据以上验证结果，对真空断路器结构进行优化：1）采用符合技术要求的圆角垫圈；2）对弹簧杆材质进行增强，采用强度更高的材料，提高弹簧杆拉伸屈服强度、表面硬度，缓解弹簧及垫圈的往复运动对弹簧杆的磨损。实施上述改进方案后，对真空断路器进行全寿命试验，试验结果为：弹簧杆表面阳氧层被磨去，磨损深度很浅，弹簧杆表面磨损明显减弱，完全可以满足现场工况需求。
4结束语
本文详细分析了真空断路器弹簧杆断裂的各种可能原因，提出了对应的优化方案，并通过试验验证的手段对分析的原因进行了验证，保证分析的正确性。改进方案的实施有效解决了现场问题，也为后续产品的结构设计提供了宝贵经验。在产品运动机构设计过程中，要重点关注部件之间动摩擦因素的影响，需通过理论分析及现场验证等手段来保证产品设计结构的可靠性。
参考文献：
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作者：赵颖 董慧卿 单位：中车株洲电力机车有限公司 电气设备分公司
第二篇：真空断路器防跳回路故障分析
摘要断路器做“防跳”试验，在合闸脉冲信号解除后，防跳继电器不能复位，断路器不能执行电气合闸操作。本文对这一现象进行了深入的研究，并对大部分文献中提出的跳位监视回路串接防跳继电器常闭辅助触点进行了验证。分析了文献中方案存在的缺陷，提出了修改线路板合闸操作回路、跳位监视回路串接断路器常闭辅助触点的改造方案，该改造方案使断路器防跳操作回路能够适应国内不同厂家的保护装置。本文提出的改造措施及规范VS1线路板设计方案可作为国内断路器设计者的参考。
关键词：VS1；防跳回路；跳位监视回路；防跳继电器
真空断路器用于开断、关合负荷电流、过载及短路电流，在成套开关设备中作为核心元器件被制造厂家重点研究，VS1系列弹簧断路器在市场上被广泛应用。目前国内各个厂家生产的VS1断路器及衍生的固封极柱式断路器在结构外形尺寸上能够互相通用[1]，但是电气原理图略有差异。这种差异主要是电气原理设计不规范导致的，目前国内开关柜厂家成套设计与断路器设计通常是分开进行，导致成套设计人员对断路器内部控制回路不熟悉，断路器设计人员不熟悉现有保护装置上的断路器控制回路，两者在配合过程中，难免不会出现问题。重庆梁平某输变电工程在前期调试过程中，断路器做“防跳”试验，在合闸脉冲信号解除后，防跳继电器不能复位，断路器不能执行电气合闸操作。该工程开关柜是KYN28-12中置式开关柜，真空断路器采用许继电气VS1系列弹簧断路器，综合保护装置采用许继电气WBT-821C系列保护装置，整个系统采用断路器防跳，本文对断路器与保护装置配合过程中出现的防跳继电器无法复位问题进行了分析研究。对线路板提出了改进措施并规范电气控制原理图以适应不同厂家的保护装置。
1断路器电气防跳原理
断路器合闸后，若发生短路故障，继电保护动作使断路器跳闸，若此时断路器合闸信号未解除，断路器进行再次合闸，继电保护动作使断路器再次分闸，这样断路器将进行多次“分-合”操作[2]，短路故障时，断路器出现多次“分-合”现象会导致断路器损坏，严重时导致断路器爆炸，造成事故扩大。为克服断路器多次“分-合”现象而设计的防止跳跃装置称为防跳装置，防跳可以分为断路器防跳和保护装置内部防跳[3-4]，断路器防跳又可分为机械防跳和电气防跳，本文主要论述断路器电气防跳。由图1可知，若断路器处于储能分闸状态，则辅助开关DL常闭触点闭合，防跳继电器K0的常闭点接通；若此时有合闸命令施加给CT-14和CT-4之间，断路器执行合闸操作，辅助开关DL切换，DL常开触点闭合，合闸信号经K0继电器、辅助开关DL常开触点形成闭环回路，防跳继电器起动，防跳继电器的K0常开触点闭合、常闭触点断开，K0继电器形成自保持回路，若合闸脉冲信号一直存在，由于防跳继电器的自保持回路切断了合闸回路，避免断路器分闸后再次合闸，从而达到“防跳”的目的[5]。若合闸脉冲信号解除，则防跳继电器失电复位，断路器能再次电气合闸。
2问题：合闸脉冲解除后，防跳继电器无法复位
保护装置采用许继WBT-821C系列保护装置（如图2所示），现场调试情况是：断路器防跳试验后，切断断路器合闸信号，防跳继电器无法复位,不能执行电气合闸操作命令。按照图3测量断路器合闸回路电压，断路器分闸后在线路板A3和A5之间存在很高的电压，防跳继电器的常闭触点K0-3和K0-5处于接通状态，证明保护装置通过跳位监视CT-32给防跳继电器施加的电压足够防跳继电器能够保持。问题原因是跳位监视输入电压导致防跳继电器无法复位，原理如图4所示。由图3、图4可知，保护装置的跳位监视回路由CT-32接入断路器合闸操作回路，防跳继电器起动后，防跳继电器常开点闭合，断路器分闸后，辅助开关DL常闭节点闭合，跳位监视输入电源通过DL常闭点，合闸线圈HQ，防跳继电器K0，K0常开触点形成闭环回路，合闸脉冲解除后，由于跳位监视回路的输入电压，防跳继电器无法复位。
3解决措施
针对这种现象，在查阅大量文献的基础上[6-7]，提出了一下几种改造方案，并对这些方案的可行性及优缺点进行了理论分析和试验验证。
3.1改变保护装置内部跳位监视回路串接电阻
上述现象分析得出：跳位监视回路的输出电压使得防跳继电器能够保持，部分文献将其归结为跳位监视回路对防跳继电器的寄生电源问题。根据《继电保护和安全自动化装置通用技术条件》4.5.3条，对于与断路器合闸线圈和控制器相连的继电器要求：电流型继电器的起动电流值不大于0.5倍额定电流值，电压型继电器的起动电压值不大于0.7倍额定电压值，且不小于0.55倍额定电压值[8]，电压继电器起动电压和释放电压曲线如图5所示，电压型继电器的释放电压远小于起动电压，本型断路器选用电压型继电器，额定电压DC110V，防跳试验后，实际测量加载在继电器两端的电压是54V，远大于继电器的最低释放电压值，因此继电器无法复位。由图2可知，增加保护装置内部跳位监视回路的电阻能够降低施加在防跳继电器的电压，选用合适的跳位监视回路串接电阻能够避免该问题，但是国内保护装置厂家众多，跳位监视回路内部串接电阻各不相同，跳位监视回路的输出电流不同，再加上国内断路器厂家选用的防跳继电器型号规格不一致，因此改变保护装置内部跳位监视回路串接电阻不可选。
3.2跳位监视回路串接防跳继电器K0常闭触点
该方案是大部分文献中论述的方案，如图6所示，跳位监视回路串接K0常闭触点，断路器合闸后，若合闸脉冲信号未解除，防跳继电器起动，防跳继电器常闭点断开，跳位监视CT-32的输入电压无法加载到防跳继电器上，这样保证防跳继电器的供电电源仅有合闸脉冲信号，若合闸脉冲信号解除，防跳继电器复位，完全解决了本文论述的问题。很多地方电力设计院、电力公司明确发文要求，跳位监视回路必须串接防跳继电器常闭触点，但是跳位监视回路串接K0常闭点会导致另一个问题：防跳功能起动后的分闸状态无法监视，分析如下：防跳功能起动后，若断路器执行分闸操作命令，此时断路器已处于事实上的分闸状态，因防跳继电器常闭点断开，跳位监视回路将不能监视这一分闸状态，这样防跳功能起动后的分闸操作，使得合位监视回路和跳位监视回路均处于断线状态，保护装置无法判断断路器处于分闸状态还是合闸状态，反映断路器状态的跳位绿灯和合位红灯均不能显示（图2示位置指示灯）。特别是现场调试检修人员，无法通过指示灯直观地判断断路器主回路是分闸还是合闸状态，因此该方案存在很大缺陷。
3.3断路器线路板改造方案
防跳试验后，防跳继电器无法复位的原因是，跳位监视回路给继电器施加的有保持电压，串接K0常闭点，能够避免该问题，但是会存在跳位监视和合位监视回路均处于断线这种状态。因此考虑对线路板进行改造，改造方案是跳位监视回路不经过防跳继电器回路。跳位监视回路只经过常闭节点、合闸线圈。更改后的跳位监视原理图如图7所示，该回路不存在跳位监视回路电源施加给防跳继电器上的问题，防跳起动且断路器分闸后，跳位监视回路直接通过断路器DL常闭触点、合闸线圈HQ形成闭环回路，完全不经过防跳继电器K0，合闸脉冲信号解除后，防跳继电器复位。但是改造后的线路板存在以下问题，若断路器合闸后，防跳继电器反复起动。现场分析原因是：跳位监视回路未串接DL常闭触点情况下，断路器合闸操作后，DL常开触点闭合，跳位监视输入电源通过K0常闭触点，DL常开触点，防跳继电器K0形成闭环回路，防跳继电器起动，这样防跳继电器将反复得电失电，状态指示灯不能正确反映断路器状态，解决办法是串接断路器DL常闭触点[9-10]，使得断路器合闸后，跳位监视回路断开，避免了防跳继电器的反复动作且能正确监视断路器状态。跳位监视回路不经过防跳继电器的方案解决了部分文献中论述的跳位监视回路对防跳继电器寄生电源问题。通过理论分析现场试验，本方案完全解决了合闸信号解除后防跳继电器无法复位问题。
4结论
VS1真空断路器与保护装置配合过程中防跳继电器无法复位问题，大部分文献中提出串接K0常闭点方案，本文论述了其存在的重大缺陷，以实际工程经验出发，通过对线路板的改造及规范线路板操作中正负极，能够解决因跳位监视回路对防跳继电器施加保持电压而不能复位的问题，并且该防跳回路适应不同厂家的保护装置，对断路器生产厂家有借鉴参考意义。
参考文献
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作者：杨思亮 张杰 姜亚军 王金雷 张鹏 单位：许继集团有限公司
第三篇：真空断路器绝缘失效模式及预防措施
摘要：真空有优越的绝缘特性，真空断路器利用这个特点实现了开断电力机车和动车组主电路的功能，文章对真空断路器绝缘失效模式进行分析归类，并提出了预防措施。
关键词：真空断路器；真空灭弧；绝缘失效；预防措施
在轨道交通行业，真空断路器是用于电力机车和动车组主电路接通和开断的关键设备，同时用于过载保护和短路保护，确保操作人员和设备安全。国内干线电力机车和动车组的真空断路器具备以下特点：在标称电压25kV的回路中正常工作，允许网压波动范围为19~31.5kV；绝缘性能高、环境稳定性好、开断容量大、使用寿命高。
1真空灭弧原理
电力机车和动车组使用的真空断路器一般由高压部分、支持绝缘部分和驱动控制部分组成。高压部分装有可以开断交流电弧的真空开关管，主触头安装在真空开关管内部，真空开关管灭弧室通过密封来与大气隔离。依据帕邢定律，在主触头之间的击穿电压大小根据气体压力、触头之间的间隙距离变化而变化。图1是真空度与开断电压的关系曲线，真空度在10-3及更低的气压下能得到较理想的灭弧性能。图2表示了空气和真空状态下间隙距离对灭弧性能影响，在理想的真空度下，很小的距离就能实现30kV电压的灭弧功能，而自然环境下的空气介质是难以实现的。目前国内电力机车和动车组使用的主流真空断路器主触头间隙距离为16mm，是有较大设计裕量的，远大于30kV的介电性能试验结果，证明真空断路器提供了足够的真空度和间隙距离来中断电弧。如图3所示，真空断路器开断主电路的过程中，具有优良绝缘特性的真空允许大大降低通电主触头之间的距离，在下一个电流过零点，电弧很容易断裂，在几分之一毫秒之后，主触头之间的绝缘恢复，并且电弧不能重新形成。目前真空开关管厂家根据既有经验和积累的试验数据分析结果，将主触头表面都设计成特定的形状，从而让主触头产生有益的组合磁力使得电弧围绕触头的轴线旋转，这种效应会减少热点，并且将主触头的磨损保持在最小。
2绝缘失效模式分析
由于真空断路器失效主要发生在极间，本文主要探讨极间绝缘失效问题。绝缘失效表现为：真空断路器分闸后，其输出端（次边）还存在电压（>500V）、电流（>30A）超限现象，不同项目设定值可能存在区别。绝缘失效按照失效位置可以分为内部绝缘失效（即真空开关管真空度失效）和外部绝缘失效（即真空开关管外部击穿或沿面放电现象）。
2.1内部绝缘失效
首先，真空开关管是一个密封的负压部件，在长期高频接通、开断主电路的过程中，主触头磨耗形成的金属蒸汽均匀地分布在真空灭弧室内，最终能导致短路，这是正常的老化现象。其次，开断异常、多次短路电流也可能导致真空开关管真空度失效，不能继续使用。再次，动触头端波纹管破损会导致密封失效，引起真空度丧失，最终使灭弧失败。
2.2外部绝缘失效
真空断路器绝缘失效更多的可能原因是外部污染造成的，有以下几种情况：1）对于采用空气绝缘的情况，真空开关管外壁与绝缘子内壁形成的腔体气密性失效，存在污染物或水，在真空开关管极间外部形成了短路。如图4和图5所示失效案例，真空开关管的静触头和动触头外层陶瓷管接口处有明显被击穿短路烧毁的痕迹，击穿的点非常清晰，没有熏黑的现象，而真空开关管外层其他地方全部有烧黑残留的现象；真空开关管内部的触头没有被烧毁的痕迹，触头表面光滑；真空开关管的外部绝缘套内有短路烧毁痕迹。一般情况是，如果是真空开关管内部真空泄漏而导致的主触头短路，触头表面会有短路烧毁的凹凸痕迹，所以本案例分析结论是：由于外部短路后，高温烧毁真空开关管的中间屏蔽罩金属部分，造成真空开关管击穿、主电路短路。2）对于真空开关管与绝缘子之间是固封（固态绝缘材质）工艺的，真空开关管外壁与绝缘材料之间长时间电蚀可能形成短路。3）绝缘子外部缺陷（物理破坏）、污染造成绝缘失效。
3预防措施和建议
从真空灭弧的原理可以得出，要确保真空断路器可靠地断开主电路，有效的真空度是关键必备条件。根据国内对真空断路器设计研究、试验和运用经验，笔者以自身多年工作经验总结出以下几点预防措施和建议：1）对于真空开关管正常使用的老化现象，出现以下任何一种情况均需更新真空开关管或真空断路器：a.真空断路器开断次数到限（一般为25万次）；b.主触头磨损达到或超过规定值；c.耐压试验失败，经确认是真空度失效的情况。2）重视真空断路器开断短路电流对寿命造成的影响。可以通过在线监测结果累计的方法记录开断短路电流的次数，当记录次数高于真空开关管计算值时应进行更新真空开关管处理。3）真空开关管波纹管的破损原因除了本身质量缺陷外，与其配合的部件尺寸偏离以及组装中驱动机构与动触头同轴度不能保证的情况都会造成波纹管异常损耗，使其寿命远远达不到设计要求。建议对相关配合部件进行全尺寸检查，并且采用工装工具确保真空开关管动触头和驱动机构的同轴度。4）对于外部绝缘失效的问题，分空气介质和绝缘材料介质的情况进行处理：a.采用空气介质灭弧的产品，首先应确保极间电气间隙，并防止带电体尖端出现，可以对凸出部分采用绝缘材料介质包裹来优化电场分布；其次定期检查高压部分的密封性能，外部被污染造成的短路一般不是短时间造成的，定期检查（建议每年1次）的预防措施能及时了解真空断路器是否被污染。b.采用绝缘材料介质的产品，定期进行极间局放试验检测，建议对于局放试验结果>10pc的产品进行更新高压部分。检测周期为2年。5）针对真空断路器高压部分绝缘子外部绝缘失效的问题，建议按照TB/T3077进行外观检查和清洁。
4结束语
综上所述，真空灭弧的优越性是显而易见的，本文陈述的预防措施及建议均经过试验验证或运行考核，能有效降低绝缘失效导致的故障，从而提高产品可靠性。近年来高压开关真空灭弧逐渐取代了空气灭弧，真空灭弧的使用使产品具有体积更小、质量更轻和高可靠性的特点，让多种高压电器产品实现了高压柜内安装，国内高压电器研制水平得到提高。
参考文献：
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作者：廖乡萍 饶攀 杨燕花 王泰杰 单位：中车株洲电力机车有限公司 电气设备分公司
