前阵子处理了一起110kV断路器操作机构的预控不保持故障前后折腾了大半天最后定位到的问题让我印象深刻并联回路里的一处“假电压”把所有人带偏了方向。这类问题在二次回路上其实不算少见但现场的迷惑性极强特别是当你用万用表量到电压“明明正常”的时候很容易让人陷入“换继电器、查接点、怀疑机构”的死循环。这个案例本质上讲的是并联回路串电形成的电压幻觉以及它对预控自保持功能的影响。搞继电保护、电气二次、变电站运维的同行应该都会有共鸣所以我把它完整复盘一下从故障现象、排查过程到原理分析、整改措施和通用排查技巧全都写出来给以后遇到类似“量着有电、就是不动作”的兄弟做个参考。1. 故障现象预合信号“闪了一下”就消失1.1 设备背景与预控回路的设计逻辑涉及的是一台110kV户内GIS断路器配弹簧操作机构控制回路按照典型设计分为合闸回路、分闸回路、防跳回路和信号回路。所谓“预控”指的是在送电操作过程中运行人员在就地或远方先把转换开关打到“预合”位置此时预合中间继电器励磁通过其接点将合闸回路导通再配合机构完成合闸动作。为了防止操作过程中人员松手后指令中断预控回路里专门设计了自保持环节利用中间继电器自身的常开接点与启动按钮并联一旦按下启动继电器就通过自己的接点维持励磁直到合闸位置辅助接点切换后解除保持。这个自保持逻辑看着简单调试时也是好的投运后一直正常运行但那天上午运行人员反映预合操作时断路器动了一下随即又停下来控制屏上“预合”信号灯闪了一下就灭了位置指示还在“分”位。再试一次现象完全相同。说白了就是预控指令没有保持住中间继电器吸合一下后马上返回合闸线圈只得到一次短促的脉冲机构根本来不及完成储能释放和合闸。1.2 初始判断与第一轮常规检查碰到这种问题正常情况下第一反应是怀疑自保持回路断线或者接点接触不良。我当时按顺序做了几项检查检查预合按钮接点是否正常短接按钮两端继电器同样只吸一下排除了按钮自身问题。更换预合中间继电器故障依旧说明不是继电器卡涩或线圈损坏。测量自保持接点回路外观、端子紧固情况均正常没有明显的松动、氧化痕迹。检查断路器辅助接点切换是否到位机构在分位辅助接点状态与位置对应没有异常。这一轮检查耗了快四十分钟所有常规可疑点都排除了但故障原样不动。这时候才静下心来开始拿万用表对回路各节点做带电测量而真正的问题就是从这一步开始暴露的。2. 排查过程先被“假电压”带偏了方向2.1 量着有220V回路却“带不动”我把万用表打到直流电压档一端接控制电源正极一端接预合继电器线圈的A1端显示DC 220V。接着把表笔移到自保持接点的两端也就是继电器常开接点闭合后应该导通的那两个节点同样显示DC 220V左右。按常理说如果这两个点之间在保持状态下有220V那就说明保持电源已经送到了继电器应该不会返回。可实际情况是我的手一离开按钮继电器立即失磁接点释放灯熄灭。这就出现了一个很矛盾的现象仪表明明显示有电压继电器却不保持。当时我一度怀疑是不是万用表有问题换了另一块表重新测结果还是同样的读数DC 220V。这几乎把我们往“保持接点回路受控但继电器本体吸合不可靠”的方向引甚至考虑过是不是弹簧机构里合闸线圈有匝间短路导致保持不住。幸好没有继续往这个方向钻牛角尖否则整个下午就搭进去了。2.2 一次“带负载测量”揭穿了真相转机出现在我用一个旧中间继电器线圈做负载实验的时候。当时想验证一下这个“220V”是否能够真正驱动负载于是把一只DC 220V中间继电器的线圈并联到刚才测到电压的那两个节点上结果神奇的事情发生了并联上去之后万用表读数从220V直接掉到了不到30V而且掉下来的电压根本没有让实验继电器吸合。再换一个220V白炽灯泡试当然二次回路里一般不这么干但临时验证是有效的灯泡只是微微发红亮度很低明显不是正常电压下应有的亮度。这时候真相基本浮出水面了我们量到的不是真实的工作电压而是一个经由极高内阻串过来的“虚电压”也就是俗称的假电压。这个电压在空载状态下能撑起万用表读数但稍有负载电流压降就急剧跌落根本无法驱动继电器。2.3 关键实测数据对比为了把问题讲清楚我把当时几个测量点位的空载电压和带负载后的电压整理了一下大概是下面这个样子测量点位空载电压万用表并联继电器线圈后结论控制电源正极—负极DC 220.5VDC 220.2V电源正常预合继电器线圈两端DC 218.7VDC 219.1V真实电压线圈正常励磁自保持接点两端保持状态下DC 220.3V跌落至不足30V假电压回路带载能力极差断开保持接点后的同一点DC 219.8V同样跌落明显假电压来源不在保持接点自身回路从表里可以很清楚地看到真正能带载的点位只有预合继电器线圈本身而“保持回路”那一侧量到的全部是纸老虎。也就是说自保持回路实际上根本没有把电源真正送过来只是由于某种并联关系让表笔两端出现了一个电压差而这个电压差并不等于有真实的功率输出。2.4 排查思路的及时修正之前被假电压误导的一个根本原因是把“电压存在”等同于“回路完整”。后来我修正了思路任何电压读数都必须经过“带载验证”尤其是当你发现读数正常但设备不动作时第一优先级就是确认这个电压能不能带得动实际负载。带着这个新思路我把排查重点从“为什么继电器不保持”转向了“这个假电压到底是从哪里串进来的”这才真正进入正题。3. 原理剖析并联回路为什么能制造出“假电压”3.1 数字万用表的高内阻放大了“幻觉”要理解假电压的产生先得知道数字万用表电压档的一个特性它的输入阻抗非常高通常为10MΩ左右。也就是说测量电压时流过表笔的电流极其微小表计本身几乎不从被测回路索取能量。这带来一个好处测量时几乎不改变原回路状态但同时也带来了一个副作用哪怕被测两点之间只是存在一个很微弱、内阻很大的电压源表计也能如实地把电压数字显示出来。举个例子如果两个节点之间通过一个5MΩ的电阻“软连接”而电源电压是220V那万用表测到的电压依然在200V以上但如果你在这个回路里接一个20W的继电器线圈电阻约2.5kΩ分到负载上的电压就只剩不足0.1V什么也驱动不了。这就解释了为什么“量着有220V接上继电器却一动不动”。在并联回路里当某一支路处于断开状态但断开点两端通过其他支路形成了高阻通路时万用表就会“看到”虚电压而真实的负载一接上去电压立刻被高阻分压吞噬。3.2 两个并联支路的电压分配计算再用一个最简单的并联模型来说明。假设直流电源电压U为220V有两个并联支路支路1是正常的预控保持回路由保持继电器线圈K内阻约8kΩ和一段断开的导线组成。支路2是一个串电通路它并不是真正的金属导线而是电缆芯线之间因为绝缘降低或公共端子桥接形成的电阻R串假设为2MΩ。当预合按钮松开、保持接点K闭合后理想情况下电源正极应该通过K接点直接加到继电器线圈K的两端并维持励磁。但实际回路里由于我们在端子上把两个回路做在了同一个公共点上电源正极的电压同时经过R串到达保持接点后端的节点。万用表一量这个节点与负极之间确实有一个电压值大小由R串和万用表内阻分压决定万用表内阻10MΩR串2MΩ测量电压220×10÷(210)183.3V。接上继电器线圈8kΩ后等效负载电阻约8kΩ与10MΩ并联近似8kΩ此时负载分压220×8kΩ÷(2MΩ8kΩ)≈0.88V。一个183V一个不到1V这就是“假电压”和“真电压”的天壤之别。所以判定一个电压是真是假最快的方式就是给它加一个接近实际负载的电阻看电压是否塌陷。3.3 实际串电的三条主要途径在真实变电站的二次回路里产生这种高阻串电的路径主要有三类这次故障涉及的是第一种公用端子排或跨接片误接两个不同回路的电缆芯压接在同一个端子或者通过端子排短接片连在一起导致一路带电时通过端子桥接向另一路馈电。这种往往不是完全的金属性短接因为中间还隔着一长段电缆芯和端子接触电阻表现出来就是高阻串电。公用电缆备用芯两端搭接一根电缆里有多根备用芯施工时做线头未绝缘或两端都接到端子上形成“隐性导体”。正常时没有电位差一旦一侧带电另一侧就通过电容耦合或绝缘不良带电。位置监视灯、信号灯回路串入断路器辅助接点带动的合闸位置监视灯、分闸位置监视灯等与预控回路共用了电源负极回路。当某个指示灯回路导通时其线圈或灯丝电阻可能成为另一个回路的“隐性供电通路”尤其在两组回路共用一个端子排负极的情况下经常发生。这第三条路径在本次故障里其实也参与了一部分预合继电器的负极并不是直接回到负母排而是通过位置监视回路的公共负极端子汇流导致两个回路的电流路径有了纠缠点。4. 最终定位分段断电法锁定串电支路4.1 把回路切成小段逐段排查知道了假电压的成因排查方向就清晰了。我把预控保持回路所在的端子排区域作为一个“电路岛”用分段断电的方式逐步缩小范围。具体操作是第一步断开预控回路的电源空开确保该回路完全没有真实供电。第二步此时再测量保持接点后端的节点对负极电压。如果仍有电压说明电压不是从本回路电源来的而是从外部并联支路串进来的。实测结果确实仍有约DC 40V左右的残压。第三步将本回路从公共端子上解开只保留预合继电器线圈的引线测量线圈两端电压发现电压消失说明串电引入点就在端子排的公共接线区域。第四步恢复接线后逐根拔掉连接在同一公共端子区域的电缆芯每拔一根测一次电压。当拔到第3根芯时电压彻底消失。这根芯线最终查明是相邻间隔另一个控制回路引来的电缆备用芯它在远端并接了其他信号回路而这一端误接到预控回路的公共正极端子上。虽然这一个接点本身没有直接接通正电源但它通过远端的串接电阻把相邻回路的电压引了过来。4.2 整改措施拆并联、分组隔离、加标识问题找到后整改并不复杂但措施一定是结构性的防止以后再犯。我做了以下几件事把误接到公共正极端子的备用芯彻底解开两端悬空并做好绝缘包扎同时在电缆标识牌上注明“备用芯严禁接入带电回路”。把预控回路自保持接点后端单独启用一个独立端子不再与相邻回路的信号回路共用公共端子从物理上消除并联纠缠点。将预控回路电源取自单独的空开出线不与位置监视回路、信号回路共用同一条支路。这样即使其他回路发生串电也无法跨越空开进入本回路。用500V绝缘电阻表对相关联的电缆芯逐一做线间绝缘和对地绝缘测试确认没有残余的绝缘薄弱点。4.3 改完之后的传动验证整改完成后做了三次完整的预合、预分传动试验第一次就地预合按下预合按钮继电器吸合并保持机构完成合闸信号灯点亮不复归位置指示正确。第二次远方预合模拟DCS/后台遥控同样保持正常无闪灭现象。第三次连续操作五次每次间隔30秒监控保持接点压降测量结果为DC 219.7V带载后无跌落回路完全恢复正常。同时我把原来误接的备用芯在两端都做了悬浮处理并在图纸上用红笔标注了改动位置同步修改了端子排图和回路接线图。5. 实战经验总结并联回路假电压的识别与预防5.1 快速识别假电压的三个操作法这里直接给三个我验证过的方法适用于绝大多数二次回路的电压欺诈场景并接负载法在测到电压的节点上并联一个额定电压一致、功率相当的继电器线圈或电阻负载如果电压跌落超过30%基本可以断定是假电压。这个方法最简单、最直观。串联电流法把万用表打到毫安电流档串入怀疑的回路中测量电流。正常励磁回路电流通常是几十毫安而假电压回路往往只有微安级到几毫安。电流大小直接反映回路能不能干活。断电验证法断开本回路电源后再次测量电压。如果电压依然存在说明电压来自外部串入如果电压消失说明至少电源侧是真实的。这三种方法可以组合使用。特别是第一种现场如果没有继电器线圈找一个白炽灯泡甚至是电烙铁这种电阻性负载都行效果同样明显。5.2 排查时的工具与测量档位建议这次故障的教训也让我对工具使用有了更深的理解。数字万用表虽然精度高但它的高内阻本身就是“假电压放大器”。有条件的话建议准备一块指针式万用表它的电压档内阻通常为20kΩ/V比数字表低很多测量时更像一个带了小负载的情况很多假电压用指针表一测就原形毕露。另外排查低压直流控制回路时最好带一个可调电阻箱或者滑线变阻器用来模拟负载。这个东西在继保试验室里很常见但现场排查时带的人不多我这次是临时找了一个旧继电器顶上去的。日常工具箱里常备一个DC 220V中间继电器既当备件又当排查负载很实用。5.3 设计阶段就规避并联串电的几个原则这次的根源在于设计图纸上把两个不同功能的回路扔到了同一个端子排公共节点属于典型的“为省端子而牺牲隔离度”。从设计阶段就应守住以下几条原则不同功能类型的回路正极、负极、信号线分别使用独立的端子排区域严禁跨区域公用端子。电缆备用芯两端必须悬空、绝缘在图纸上标记“备用”同电缆的工作芯发生绝缘故障时备用芯很可能成为串电通道不能忽视。控制回路电源分配采用辐射式结构每个功能单元如一个间隔的预控、分合闸、信号从电源空开后独立引出不采用串接母线式结构。凡涉及自保持的继电器回路保持接点两侧的电压应作为传动试验的必测项不只看动作结果还要测保持期间的带载电压确保不小于额定电压的80%。这最后一条是我后来在检修规程里专门加进去的以前传动试验只验证“动作不动作”很少验证“保持不保持的电压质量”。经过这次事情之后凡是碰到自保持回路我都要求维护人员把保持期间的电压实测值记录在案把它和动作时间、动作次数放在同等重要的位置。这是花钱买来的教训也是我认为这次复盘最有价值的地方。
