負(fù)極刀閘電磁鎖故障分析及處理

杜龍飛

摘要：變電所電磁鎖是一種防止高壓設(shè)備誤操作的電控機(jī)構(gòu)聯(lián)鎖裝置，但是在近些年地鐵實(shí)際運(yùn)行維護(hù)中，負(fù)極柜刀閘電磁鎖多次產(chǎn)生了線圈燒毀現(xiàn)象，文章主要是針對(duì)該故障進(jìn)行分析，并提出解決方案和建議。

一、研究目的

負(fù)極刀閘電磁鎖是負(fù)極柜中一種防止高壓設(shè)備誤操作的電控機(jī)構(gòu)聯(lián)鎖裝置，可以有效防止電氣誤操作的發(fā)生。但是在近些年的地鐵線路實(shí)際運(yùn)行維護(hù)中，發(fā)現(xiàn)寧天線和三號(hào)線多個(gè)牽混所的負(fù)極刀閘電磁鎖線圈燒毀事故頻發(fā)，不僅造成電磁鎖失效，甚至延誤倒閘操作時(shí)間，造成檢修工作量大幅提升，電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)和運(yùn)行維護(hù)成本也隨之增加。

本文將從電磁鎖線圈燒毀著手，來(lái)分析電磁鎖故障成因，并綜合考慮實(shí)際可行性和各項(xiàng)成本來(lái)確定合理的解決方案，達(dá)到降低故障率和運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本，加強(qiáng)對(duì)設(shè)備安全保護(hù)的目的。

二、負(fù)極刀閘電磁鎖故障分析

電磁鎖是通過(guò)電流流經(jīng)阻感性線圈，線圈周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)來(lái)開(kāi)合開(kāi)關(guān)的。負(fù)極刀閘電磁鎖只能在上級(jí)電源停電的情況下才允許打開(kāi)。當(dāng)電源接通，指示燈亮起，電磁鎖線圈得電時(shí)，銜鐵磁化吸合，電磁鎖可以進(jìn)行機(jī)構(gòu)拉合動(dòng)作;當(dāng)電磁鎖線圈失電時(shí)，電磁鎖斷開(kāi)。若線圈燒毀，則電磁鎖會(huì)“打不開(kāi)”。

在對(duì)負(fù)極刀閘電磁鎖進(jìn)行更換維修時(shí)發(fā)現(xiàn)，新?lián)Q上的電磁鎖有些可以正常使用，不會(huì)立即出現(xiàn)故障;有些在更換不久后再次發(fā)生故障。

由此可見(jiàn)，造成阻感性線圈燒毀的原因主要有以下兩個(gè)方面：

1.根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律可得，恒定的電流產(chǎn)生恒定的磁場(chǎng)，而變化的電流會(huì)產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，變化的磁場(chǎng)可使線圈自身產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，公式為：

?………………………………………………（1）

根據(jù)公式（1）可得，在斷開(kāi)電感負(fù)載時(shí)，電感線圈兩側(cè)常常會(huì)產(chǎn)生很高的浪涌電壓，浪涌電壓是一種瞬間的過(guò)電壓。這種瞬時(shí)過(guò)電壓是一種瞬變干擾，是電源電壓的數(shù)倍，浪涌電壓無(wú)法釋放，易導(dǎo)致線圈擊穿;

2.根據(jù)焦耳定律可得，當(dāng)電流過(guò)導(dǎo)體時(shí)，由于自由電子的碰撞，導(dǎo)體的溫度會(huì)升高，電流具有熱效應(yīng)，公式為：

…………………………………………（2）

根據(jù)公式（2）可得，閉鎖回路及線圈中長(zhǎng)時(shí)間通有電流，電流具有熱效應(yīng)，將導(dǎo)致線圈溫度升高。然而電磁鎖安裝在負(fù)極柜中，散熱條件差，熱量不斷累積，加速電感線圈絕緣層老化甚至破損，導(dǎo)致發(fā)生匝間短路，進(jìn)而燒毀線圈。經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試，在通電一小時(shí)左右時(shí)，電磁鎖溫度已經(jīng)高達(dá)60℃以上。

由于故障多具有偶發(fā)性，無(wú)法確切判斷是浪涌電壓還是匝間短路導(dǎo)致線圈燒毀，也有可能是兩種情況同時(shí)存在導(dǎo)致，因而從這兩方面入手來(lái)設(shè)計(jì)相應(yīng)解決方案。

三、負(fù)極刀閘電磁鎖解決方案

負(fù)極柜內(nèi)負(fù)極刀閘電磁鎖相關(guān)電氣接線圖如下圖1所示。

由于負(fù)極刀閘電磁鎖加裝在負(fù)極開(kāi)關(guān)柜內(nèi)，必須在停電作業(yè)下進(jìn)行更換，拆卸較為困難，耗費(fèi)時(shí)間較多，而且電磁鎖成本較高，因此單純考慮將電磁鎖及相關(guān)裝置進(jìn)行更換是不合理的舉措。

針對(duì)電磁鎖線圈的浪涌電壓和匝間短路這兩個(gè)原因，結(jié)合實(shí)際工程，分別從以下兩方面進(jìn)行電氣化改造。一方面在線圈兩側(cè)并聯(lián)二極管續(xù)流，構(gòu)造浪涌電壓釋放回路，防止電感線圈兩側(cè)出現(xiàn)反向高電動(dòng)勢(shì)，導(dǎo)致線圈擊穿;另一方面盡可能減少負(fù)極刀閘電磁鎖帶電時(shí)間，降低電流產(chǎn)生熱量的積累，減緩線圈匝間漆包線的破損，進(jìn)而延長(zhǎng)線圈的使用壽命。

1.在電感線圈兩端，反向并聯(lián)一個(gè)續(xù)流二極管，與線圈形成回路。在電磁鎖閉鎖時(shí)，二極管承受較大的反向電壓截止;在電磁鎖打開(kāi)瞬間，電感線圈兩側(cè)產(chǎn)生較高的浪涌電壓，二極管正向?qū)?，起續(xù)流作用，通過(guò)回路將電感儲(chǔ)存的電能轉(zhuǎn)換為熱能消耗，將電感線圈兩側(cè)高壓釋放，從而起到保護(hù)電路中的電磁鎖線圈不被擊穿的作用。

2.由于負(fù)極刀閘電磁鎖在滿足高壓停電的條件下會(huì)自動(dòng)閉合，因此在整個(gè)停電檢修期內(nèi)電磁鎖保持長(zhǎng)時(shí)間閉合約2-3小時(shí)。電磁鎖閉合是為了防止對(duì)負(fù)極柜誤操作，不需要這么長(zhǎng)的帶電時(shí)間，可以考慮在負(fù)極刀閘電磁鎖前側(cè)加裝手動(dòng)控制開(kāi)關(guān)，在需要對(duì)高壓設(shè)備進(jìn)行操作時(shí)，通過(guò)手動(dòng)控制開(kāi)關(guān)來(lái)控制負(fù)極刀閘電磁鎖開(kāi)合，降低電磁鎖閉合時(shí)長(zhǎng)，從而延長(zhǎng)電磁鎖使用壽命。

四、負(fù)極刀閘電磁鎖方案論證

由于浪涌電壓和匝間都有可能造成電磁鎖的燒毀，因此將負(fù)極刀閘電磁鎖改造方案分步進(jìn)行，根據(jù)操作的難易程度，先采用加裝續(xù)流二極管（P600M快速恢復(fù)二極管，反向工作峰值電壓，最大平均正向整流電流）方式來(lái)處理電感線圈失電時(shí)產(chǎn)生的浪涌電壓。

由于寧天線的化工園牽混所、長(zhǎng)蘆牽混所負(fù)極刀閘電磁鎖損壞頻率較高，選擇這兩個(gè)牽混所首先進(jìn)行加裝試驗(yàn)，加裝續(xù)流二極管的電氣接線圖如圖二所示，再進(jìn)行有針對(duì)性的分合操作來(lái)驗(yàn)證方案的可行性。

負(fù)極刀閘電磁鎖加裝續(xù)流二極管方案驗(yàn)證過(guò)程如下：

1.2016年4月在化工園站牽混所、長(zhǎng)蘆站牽混所負(fù)極柜中加裝續(xù)流二極管并進(jìn)行測(cè)試;并在5-8月期間利用日常檢修機(jī)會(huì)頻繁操作，磁鎖線圈未出現(xiàn)燒毀現(xiàn)象，達(dá)到預(yù)期效果;

2.2016年8月至2017年1月全線進(jìn)行推廣，利用停電檢修機(jī)會(huì)，全線加裝續(xù)流二極管并進(jìn)行測(cè)試，至今未在操作后出現(xiàn)燒毀現(xiàn)象，初步驗(yàn)證了加裝續(xù)流二極管可解決電磁鎖失電產(chǎn)生浪涌電壓燒毀電磁鎖的問(wèn)題;

3.2018年6月，在3號(hào)線九龍湖和柳洲東路試點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，電磁鎖線圈到目前為止未出現(xiàn)故障;

4.2018年8月-10月，3號(hào)線全線進(jìn)行推廣。在對(duì)電磁鎖進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間通電實(shí)驗(yàn)中，可以觀察到電磁鎖線圈通電后，溫度逐步上升，在通電一小時(shí)左右時(shí)，溫度已經(jīng)高達(dá)60℃以上。由此可見(jiàn)，電磁鎖線圈長(zhǎng)時(shí)間通電流情況下，熱量累積可觀。因此應(yīng)在需要對(duì)負(fù)極柜進(jìn)行操作時(shí)，才能接通電磁鎖來(lái)防止誤操作事故出現(xiàn)，其余時(shí)間應(yīng)該確保電磁鎖處于不帶電狀態(tài)，來(lái)盡可能減少電磁鎖通電時(shí)間，從而達(dá)到延長(zhǎng)電磁鎖線圈的使用壽命的目的。

考慮到實(shí)際情況，目前采用通過(guò)控制斷路器的分位節(jié)點(diǎn)來(lái)限制電磁鎖通電時(shí)間，來(lái)達(dá)到臨時(shí)替代轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的目的，目前取得初步成效。

五、負(fù)極刀閘電磁鎖方案成果

經(jīng)過(guò)寧天線近兩年的驗(yàn)證可以較大程度上避免電磁鎖故障發(fā)生，三年內(nèi)僅寧天線可以節(jié)省約11萬(wàn)元，負(fù)極刀閘電磁鎖加裝續(xù)流二極管是具有經(jīng)濟(jì)性和高實(shí)際可操作性方案，值得多條線路推廣。

六、結(jié)論和意義

針對(duì)負(fù)極刀閘電磁鎖燒毀事故頻發(fā)，通過(guò)對(duì)負(fù)極刀閘電磁鎖電氣原理進(jìn)行分析，確定下浪涌電壓和匝間短路是造成電磁鎖燒毀的重要原因，該方案將降低事故發(fā)生的故障率，減少故障帶來(lái)的人力、物力、財(cái)力的投入，節(jié)約維修成本，延長(zhǎng)電磁鎖的使用壽命，提高對(duì)電氣設(shè)備的安全保護(hù)，具有很高的實(shí)際意義和經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)

[1]黃瀟霞.接地刀閘電磁鎖缺陷分析[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2017（35）：87-88.