(廣州供電局有限公司電力試驗(yàn)研究院，廣東 廣州 510000)

0 引 言

斷路器在電力系統(tǒng)中起到控制電網(wǎng)運(yùn)行和保護(hù)電力設(shè)備雙重作用，其可靠性直接影響著電力系統(tǒng)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。有關(guān)統(tǒng)計(jì)表明，斷路器操作機(jī)構(gòu)機(jī)械故障占43.5%,因此斷路器操作機(jī)構(gòu)的安全可靠性直接影響著斷路器的安全可靠性[1-5]。

國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者對(duì)斷路器操作機(jī)構(gòu)狀態(tài)評(píng)估方法做了大量研究，如線圈電流曲線[6-9]、觸頭行程-時(shí)間曲線[10-12]、振動(dòng)信號(hào)[13-14]、輔助觸頭轉(zhuǎn)換時(shí)間[15]等，其中研究較多的是線圈電流與觸頭行程。文獻(xiàn)[6-9]研究了基于線圈電流曲線對(duì)斷路器操作機(jī)構(gòu)的狀態(tài)評(píng)估。文獻(xiàn)[10-11]研究了基于觸頭行程-時(shí)間曲線對(duì)斷路器操作機(jī)構(gòu)故障的診斷，但都未對(duì)線圈電流曲線與觸頭行程-時(shí)間曲線這兩種斷路器操作機(jī)構(gòu)狀態(tài)評(píng)估方法進(jìn)行對(duì)比研究。

下面對(duì)斷路器操作機(jī)構(gòu)的線圈電流特性與觸頭行程-時(shí)間特性進(jìn)行了分析，對(duì)斷路器操作機(jī)構(gòu)同一缺陷在線圈電流曲線與行程-時(shí)間曲線上的反映進(jìn)行了對(duì)比研究。對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究表明，針對(duì)鐵芯卡澀、線圈電壓電阻變化、輔助觸頭滅弧困難、彈簧疲軟等故障，線圈電流曲線相比于行程-時(shí)間曲線能更靈敏、更準(zhǔn)確地反映故障。為斷路器操作機(jī)構(gòu)狀態(tài)評(píng)估方法的選擇提供了參考。

1 操作機(jī)構(gòu)機(jī)械特性

1.1 分合閘線圈電流特性

高壓斷路器操作機(jī)構(gòu)動(dòng)作是通過線圈通電產(chǎn)生電磁力帶動(dòng)鐵芯撞桿撞擊觸發(fā)器來釋放儲(chǔ)能，從而帶動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)作。由于直流電磁鐵的可靠性更高，且易于頻繁動(dòng)作，因此在高壓斷路器操作機(jī)構(gòu)中得到廣泛應(yīng)用，其等效電路如圖1所示。

圖1 直流電磁鐵等效電路

圖1中，R、L(x)、x、i(t)和U分別為線圈回路總電阻、線圈等效電感、鐵芯位移、線圈電流和控制回路電壓。由于線圈等效電感與線圈匝數(shù)、總磁阻有關(guān)，總磁阻隨著鐵芯位移變化，所以線圈等效電感隨著鐵芯位移的變化而變化。根據(jù)圖1所示電路，線圈電壓回路可以用式(1)表示。

(1)

對(duì)式(1)中的電流、電感求偏導(dǎo)得

(2)

式中，v為鐵芯運(yùn)動(dòng)速度。

操作機(jī)構(gòu)的線圈電流隨著鐵芯運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化而變化，故鐵芯運(yùn)動(dòng)過程的異常狀態(tài)在線圈電流上會(huì)有所反映，線圈電流可評(píng)估操作機(jī)構(gòu)的機(jī)械狀態(tài)。這里以合閘操作為例，對(duì)電磁鐵動(dòng)鐵芯運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行分析，圖2為典型合閘線圈電流曲線。

圖2 典型合閘線圈電流曲線

合閘線圈電流曲線可分為4個(gè)階段。

階段1(t0-t1)：t0時(shí)刻，線圈通電；但由于開始時(shí)線圈的電流太小，電磁鐵產(chǎn)生的電磁力小于靜摩擦力，鐵芯靜止在原處，電感為定值，所以線圈電流呈指數(shù)規(guī)律增加。此階段電流可表示為式(3)，電流上升速度可表示為式(4)。

(3)

(4)

由式(3)、式(4)可知，當(dāng)線圈電壓增大時(shí)，線圈電流最大值增大，線圈電流上升速度增大，階段1的持續(xù)時(shí)間減少。當(dāng)線圈電阻增大時(shí)，線圈電流最大值減小，線圈電流上升速度減小，階段1的持續(xù)時(shí)間增長(zhǎng)。當(dāng)鐵芯初始?xì)庀对龃髸r(shí)，初始電感減小，電流上升速度增大，且需更大的電流產(chǎn)生電磁力。當(dāng)鐵芯動(dòng)作前存在卡澀故障時(shí)，靜摩擦力增大時(shí)，需要更大的電磁力才能使鐵芯運(yùn)動(dòng)，使階段1的持續(xù)時(shí)間增長(zhǎng)。所以階段1的電流曲線能夠反映線圈回路電壓、電阻、鐵芯初始?xì)庀?、鐵芯動(dòng)作前卡澀的問題。

階段2(t1-t2)：t1時(shí)刻，線圈電流產(chǎn)生的電磁力大于靜態(tài)阻力，鐵芯開始運(yùn)動(dòng)，鐵芯的運(yùn)動(dòng)速度開始增大，同時(shí)隨著鐵芯位移，線圈電感增大，線圈電流下降。t2時(shí)刻，鐵芯運(yùn)動(dòng)到位，產(chǎn)生的碰撞反作用力使鐵芯停下來，電磁鐵的電磁力使鐵芯保持在終點(diǎn)處。當(dāng)鐵芯在運(yùn)動(dòng)過程中存在卡澀時(shí)，鐵芯的阻力增大，鐵芯加速度發(fā)生變化，線圈電感增長(zhǎng)率變化，階段2的線圈電流曲線會(huì)發(fā)生畸變。所以根據(jù)階段2的線圈電流曲線可以反映鐵芯是否卡澀。

階段3(t2-t3)：t2時(shí)刻，鐵芯運(yùn)動(dòng)到位，動(dòng)鐵芯靜止，氣隙變化，磁阻不變，電感達(dá)到最大值，線圈電流按指數(shù)規(guī)律上升。階段3電流可表示為式(5)。

(5)

由式(5)可知,階段3的線圈電流與線圈電壓與電阻有關(guān)，且當(dāng)鐵芯頂桿連接的閥門或鎖扣機(jī)構(gòu)存在缺陷，使鐵芯發(fā)生抖動(dòng)，將會(huì)使電感不斷變化，使線圈電流曲線產(chǎn)生波動(dòng)。

階段4(t3-t4)：階段4為電流切斷階段。t3時(shí)刻，輔助觸頭轉(zhuǎn)換，斷開線圈電源，電流下降。當(dāng)輔助觸頭存在故障時(shí)，滅弧時(shí)間拉長(zhǎng)，甚至無法切斷電流。

1.2 觸頭行程-時(shí)間特性

圖3為操作機(jī)構(gòu)分合閘觸頭典型的行程-時(shí)間曲線。

階段1(ta-tb)：ta時(shí)刻，發(fā)出分合閘命令，電磁系統(tǒng)動(dòng)作，tb時(shí)刻撞桿撞擊觸發(fā)器，動(dòng)觸頭動(dòng)作，這一階段為動(dòng)觸頭的固有動(dòng)作時(shí)間，分合閘線圈電壓、回路電阻及鐵芯卡澀故障將反映在固有動(dòng)作時(shí)間上。

階段2(tb-tc)：tc時(shí)刻，斷路器剛分或剛合。此階段為動(dòng)觸頭的運(yùn)動(dòng)過程，通過動(dòng)觸頭的速度情況反映儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)情況與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)卡澀情況。

階段3(tc-td)：td時(shí)刻，動(dòng)觸頭分閘或合閘完成，停止運(yùn)動(dòng)。此階段反映了動(dòng)觸頭的彈跳情況。

行程-時(shí)間曲線中固有動(dòng)作時(shí)間ta-tb與階段2的平均速度v是反映斷路器操作機(jī)構(gòu)狀態(tài)的2個(gè)重要特征參數(shù)，可用來判斷電磁系統(tǒng)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)故障情況。

圖3 典型的分合閘觸頭行程-時(shí)間曲線

2 線圈電流曲線與行程-時(shí)間曲線對(duì)比

將正常機(jī)構(gòu)、故障機(jī)構(gòu)的線圈電流曲線與行程-時(shí)間曲線進(jìn)行對(duì)比分析。圖4為正常機(jī)構(gòu)與卡澀故障機(jī)構(gòu)的線圈電流曲線與行程-時(shí)間曲線。

從圖4(a)可明顯看出，故障機(jī)構(gòu)的線圈電流曲線在階段2產(chǎn)生了畸變，可知鐵芯運(yùn)動(dòng)過程中存在卡澀。從圖4(b)可知正常機(jī)構(gòu)的固有動(dòng)作時(shí)間14.8 ms，平均速度4.8 m/s，剛分時(shí)刻34.6 ms，剛分速度5.67 m/s。故障機(jī)構(gòu)固有時(shí)間17.6 ms，平均速度4.8 m/s，剛分時(shí)間37.3 ms，剛分速度5.76 m/s，可以看出故障機(jī)構(gòu)行程曲線右移，固有動(dòng)作時(shí)間增長(zhǎng)，剛分時(shí)刻延后。所以，鐵芯卡澀導(dǎo)致線圈電流在階段2發(fā)生畸變，導(dǎo)致固有時(shí)間增長(zhǎng)，剛分時(shí)刻延后。

同一機(jī)構(gòu)不同電壓下的線圈電流曲線與行程-時(shí)間曲線如圖5所示。

從圖5(a)可明顯看出，電壓降低導(dǎo)致線圈電流幅值降低，階段1時(shí)間增長(zhǎng)。從圖5(b)可知額定電壓情況下的機(jī)構(gòu)固有動(dòng)作時(shí)間41.6 ms，平均速度2.90 m/s，剛分時(shí)刻80.0 ms，剛分速度3.62 m/s。電壓降低情況下機(jī)構(gòu)固有動(dòng)作時(shí)間42.7 ms，平均速度2.88 m/s，剛分時(shí)刻83.8 ms，剛分速度3.66 m/s。可以看出電壓降低的行程-時(shí)間曲線右移，固有動(dòng)作時(shí)間增長(zhǎng)，剛分時(shí)刻延后。所以，電壓降低導(dǎo)致線圈電流幅值降低，階段1時(shí)間增長(zhǎng)，固有動(dòng)作時(shí)間增長(zhǎng)，剛分時(shí)刻延后。

圖4 正常與卡澀故障情況下電流與行程曲線

圖5 220 V與198 V電壓下的電流與行程曲線

故從圖4(b)與圖5(b)可以看出鐵芯卡澀和線圈電壓降低都會(huì)導(dǎo)致行程-時(shí)間曲線右移，固有動(dòng)作時(shí)間增長(zhǎng)，剛分時(shí)刻延后。故從行程-時(shí)間曲線上無法分辨這兩種故障。但在線圈電流曲線上，這兩種故障有明顯的差別。

正常機(jī)構(gòu)與滅弧困難故障機(jī)構(gòu)的線圈電流曲線與行程曲線如圖6所示。

圖6 正常與故障情況下電流與行程曲線

從圖6(a)、(c)、(e)、(g)電流曲線可以明顯看出在電流切斷階段，滅弧困難故障機(jī)構(gòu)的電流無法快速被切斷，滅弧時(shí)間過長(zhǎng)。但從圖6(b)、(d)、(f)、(h)對(duì)應(yīng)的行程曲線上來看，正常曲線與故障曲線基本重合，無明顯變化，其行程-時(shí)間曲線特征量如表1所示，tb為固有動(dòng)作時(shí)間，tc為剛分時(shí)刻，v1為平均速度，v2為剛分速度。從表1中特征量可明顯看出正常與故障機(jī)構(gòu)的行程-時(shí)間特征量都沒明顯差異。故線圈電流曲線相較于行程曲線判斷機(jī)構(gòu)滅弧困難更明顯，更準(zhǔn)確。

提取同一機(jī)構(gòu)分合閘不同動(dòng)作次數(shù)情況下的機(jī)械特性曲線，研究不同彈簧疲軟程度在線圈電流曲線和行程時(shí)間曲線上的反映，如圖7、圖8所示。

表1 行程-時(shí)間特征量 單位：ms

圖7 不同彈簧疲軟程度下的分閘電流與行程曲線

圖8 不同彈簧疲軟程度下的合閘電流與行程曲線

從圖7(a)、圖8(a)電流曲線可明顯看出來，動(dòng)作次數(shù)越多，彈簧疲軟程度越大導(dǎo)致線圈通電時(shí)間越長(zhǎng)。但從圖7(b)、圖8(b)上來看，動(dòng)作次數(shù)增多彈簧疲軟程度的增大在行程-時(shí)間曲線上卻基本沒反映，不同動(dòng)作次數(shù)的曲線基本重合。其行程-時(shí)間曲線特征量如表2、表3所示，從表中特征量也可明顯看出，不同彈簧疲軟程度下的行程-時(shí)間特征量都基本無差異。故線圈電流曲線相較于行程-時(shí)間曲線判斷彈簧疲軟程度方面更簡(jiǎn)單更明顯。

表2 不同彈簧疲軟程度下的分閘行程時(shí)間特征量

表3 不同彈簧疲軟程度下的合閘行程時(shí)間特征量

3 結(jié) 語(yǔ)

從理論上分析了斷路器線圈電流曲線與行程-時(shí)間曲線的各階段影響因素。通過將故障機(jī)構(gòu)與正常機(jī)構(gòu)在電流曲線和行程曲線上進(jìn)行對(duì)比可知：

1)鐵芯卡澀、線圈電壓降低、線圈電阻增大、空行程增大在行程曲線上都反映為曲線右移，固有動(dòng)作時(shí)間延長(zhǎng)，剛剛分閘時(shí)刻延后。行程曲線無法區(qū)分故障類型，但在電流曲線上，故障表現(xiàn)明顯且易于區(qū)分。

2)滅弧困難在電流曲線上反映為電流切斷階段時(shí)間延長(zhǎng)，但在行程曲線卻基本無任何反映。

3)彈簧疲軟程度的增加，在電流曲線上反映為線圈通電時(shí)間增加，但在行程曲線上也基本無任何反映。

綜上所述，線圈電流曲線比行程-時(shí)間曲線能更靈敏更準(zhǔn)確地反映鐵芯卡澀、線圈電壓電阻變化、輔助觸頭滅弧困難、彈簧疲軟故障。為之后的斷路器操作機(jī)構(gòu)狀態(tài)評(píng)估方法的選擇上提供了參考方向。