負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備誤操作的電控機構聯鎖裝置，但是在近些年地鐵實際運行維護中，負極柜刀閘電磁鎖多次產生了線圈燒毀現象，文章主要是針對該故障進行分析，并提出解決方案和建議。

一、研究目的

負極刀閘電磁鎖是負極柜中一種防止高壓設備誤操作的電控機構聯鎖裝置，可以有效防止電氣誤操作的發生。但是在近些年的地鐵線路實際運行維護中，發現寧天線和三號線多個牽混所的負極刀閘電磁鎖線圈燒毀事故頻發，不僅造成電磁鎖失效，甚至延誤倒閘操作時間，造成檢修工作量大幅提升，電網風險和運行維護成本也隨之增加。

本文將從電磁鎖線圈燒毀著手，來分析電磁鎖故障成因，并綜合考慮實際可行性和各項成本來確定合理的解決方案，達到降低故障率和運營維護成本，加強對設備安全保護的目的。

二、負極刀閘電磁鎖故障分析

電磁鎖是通過電流流經阻感性線圈，線圈周圍產生磁場來開合開關的。負極刀閘電磁鎖只能在上級電源停電的情況下才允許打開。當電源接通，指示燈亮起，電磁鎖線圈得電時，銜鐵磁化吸合，電磁鎖可以進行機構拉合動作;當電磁鎖線圈失電時，電磁鎖斷開。若線圈燒毀，則電磁鎖會“打不開”。

在對負極刀閘電磁鎖進行更換維修時發現，新換上的電磁鎖有些可以正常使用，不會立即出現故障;有些在更換不久后再次發生故障。

由此可見，造成阻感性線圈燒毀的原因主要有以下兩個方面：

1.根據法拉第電磁感應定律可得，恒定的電流產生恒定的磁場，而變化的電流會產生變化的磁場，變化的磁場可使線圈自身產生感應電動勢，公式為：

?………………………………………………（1）

根據公式（1）可得，在斷開電感負載時，電感線圈兩側常常會產生很高的浪涌電壓，浪涌電壓是一種瞬間的過電壓。這種瞬時過電壓是一種瞬變干擾，是電源電壓的數倍，浪涌電壓無法釋放，易導致線圈擊穿;

2.根據焦耳定律可得，當電流過導體時，由于自由電子的碰撞，導體的溫度會升高，電流具有熱效應，公式為：

…………………………………………（2）

根據公式（2）可得，閉鎖回路及線圈中長時間通有電流，電流具有熱效應，將導致線圈溫度升高。然而電磁鎖安裝在負極柜中，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，導致發生匝間短路，進而燒毀線圈。經過實際測試，在通電一小時左右時，電磁鎖溫度已經高達60℃以上。

由于故障多具有偶發性，無法確切判斷是浪涌電壓還是匝間短路導致線圈燒毀，也有可能是兩種情況同時存在導致，因而從這兩方面入手來設計相應解決方案。

三、負極刀閘電磁鎖解決方案

負極柜內負極刀閘電磁鎖相關電氣接線圖如下圖1所示。

由于負極刀閘電磁鎖加裝在負極開關柜內，必須在停電作業下進行更換，拆卸較為困難，耗費時間較多，而且電磁鎖成本較高，因此單純考慮將電磁鎖及相關裝置進行更換是不合理的舉措。

針對電磁鎖線圈的浪涌電壓和匝間短路這兩個原因，結合實際工程，分別從以下兩方面進行電氣化改造。一方面在線圈兩側并聯二極管續流，構造浪涌電壓釋放回路，防止電感線圈兩側出現反向高電動勢，導致線圈擊穿;另一方面盡可能減少負極刀閘電磁鎖帶電時間，降低電流產生熱量的積累，減緩線圈匝間漆包線的破損，進而延長線圈的使用壽命。

1.在電感線圈兩端，反向并聯一個續流二極管，與線圈形成回路。在電磁鎖閉鎖時，二極管承受較大的反向電壓截止;在電磁鎖打開瞬間，電感線圈兩側產生較高的浪涌電壓，二極管正向導通，起續流作用，通過回路將電感儲存的電能轉換為熱能消耗，將電感線圈兩側高壓釋放，從而起到保護電路中的電磁鎖線圈不被擊穿的作用。

2.由于負極刀閘電磁鎖在滿足高壓停電的條件下會自動閉合，因此在整個停電檢修期內電磁鎖保持長時間閉合約2-3小時。電磁鎖閉合是為了防止對負極柜誤操作，不需要這么長的帶電時間，可以考慮在負極刀閘電磁鎖前側加裝手動控制開關，在需要對高壓設備進行操作時，通過手動控制開關來控制負極刀閘電磁鎖開合，降低電磁鎖閉合時長，從而延長電磁鎖使用壽命。

四、負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，因此將負極刀閘電磁鎖改造方案分步進行，根據操作的難易程度，先采用加裝續流二極管（P600M快速恢復二極管，反向工作峰值電壓，最大平均正向整流電流）方式來處理電感線圈失電時產生的浪涌電壓。

由于寧天線的化工園牽混所、長蘆牽混所負極刀閘電磁鎖損壞頻率較高，選擇這兩個牽混所首先進行加裝試驗，加裝續流二極管的電氣接線圖如圖二所示，再進行有針對性的分合操作來驗證方案的可行性。

負極刀閘電磁鎖加裝續流二極管方案驗證過程如下：

1.2016年4月在化工園站牽混所、長蘆站牽混所負極柜中加裝續流二極管并進行測試;并在5-8月期間利用日常檢修機會頻繁操作，磁鎖線圈未出現燒毀現象，達到預期效果;

2.2016年8月至2017年1月全線進行推廣，利用停電檢修機會，全線加裝續流二極管并進行測試，至今未在操作后出現燒毀現象，初步驗證了加裝續流二極管可解決電磁鎖失電產生浪涌電壓燒毀電磁鎖的問題;

3.2018年6月，在3號線九龍湖和柳洲東路試點進行測試，電磁鎖線圈到目前為止未出現故障;

4.2018年8月-10月，3號線全線進行推廣。在對電磁鎖進行長時間通電實驗中，可以觀察到電磁鎖線圈通電后，溫度逐步上升，在通電一小時左右時，溫度已經高達60℃以上。由此可見，電磁鎖線圈長時間通電流情況下，熱量累積可觀。因此應在需要對負極柜進行操作時，才能接通電磁鎖來防止誤操作事故出現，其余時間應該確保電磁鎖處于不帶電狀態，來盡可能減少電磁鎖通電時間，從而達到延長電磁鎖線圈的使用壽命的目的。

考慮到實際情況，目前采用通過控制斷路器的分位節點來限制電磁鎖通電時間，來達到臨時替代轉換開關的目的，目前取得初步成效。

五、負極刀閘電磁鎖方案成果

經過寧天線近兩年的驗證可以較大程度上避免電磁鎖故障發生，三年內僅寧天線可以節省約11萬元，負極刀閘電磁鎖加裝續流二極管是具有經濟性和高實際可操作性方案，值得多條線路推廣。

六、結論和意義

針對負極刀閘電磁鎖燒毀事故頻發，通過對負極刀閘電磁鎖電氣原理進行分析，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生的故障率，減少故障帶來的人力、物力、財力的投入，節約維修成本，延長電磁鎖的使用壽命，提高對電氣設備的安全保護，具有很高的實際意義和經濟效益。

參考文獻

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