蔣龍 馬峰 范雪麗

（1．南方電網(wǎng)公司曲靖局 2．西安西電高壓開關(guān)操動(dòng)機(jī)構(gòu)有限責(zé)任公司）

0 引言

電磁鐵線圈是高壓斷路器操作機(jī)構(gòu)的重要元件之一。當(dāng)線圈中通過電流時(shí)，在電磁鐵內(nèi)產(chǎn)生磁通，鐵心受到電磁力作用吸合，打開鎖扣或一級球閥，操作機(jī)構(gòu)動(dòng)作帶動(dòng)斷路器滅弧室分閘或合閘。

不管斷路器使用什么操動(dòng)機(jī)構(gòu)（電動(dòng)機(jī)機(jī)構(gòu)除外），都會(huì)有相應(yīng)的分合閘線圈，作為斷路器操作的一級控制單元，線圈的電流波形包含很多信息，反映了電磁鐵本身以及所控制的鎖閂或閥門以及有關(guān)傳動(dòng)件在操作過程中的工作情況。通過對斷路器分合閘線圈電流的監(jiān)測，可知道操動(dòng)機(jī)構(gòu)的鐵心運(yùn)動(dòng)時(shí)間、機(jī)構(gòu)啟動(dòng)時(shí)間、線圈通電時(shí)間等，同時(shí)結(jié)合斷路器自身的參數(shù)范圍，可判斷斷路器的線圈狀態(tài)（如是否存在鐵心吸合不良、鐵心卡滯、匝間短路）以及操作機(jī)構(gòu)相關(guān)元件的狀況[1]。

1 分合閘線圈的工作原理和結(jié)構(gòu)

1.1 分合閘回路的電磁鐵線圈電路等效電路圖

電磁鐵線圈電路的等效電路圖如圖1所示。

1.2 液壓機(jī)構(gòu)中常用的電磁閥結(jié)構(gòu)[2-4]

氮?dú)鈨δ芤簤簷C(jī)構(gòu)常用的常閉式二位三通電磁閥的如圖2所示，彈簧儲能液壓機(jī)構(gòu)中常用的常閉式二位二通電磁閥如圖3所示。

1.3 彈簧機(jī)構(gòu)中常用的電磁鐵結(jié)構(gòu)[5、6]

彈簧機(jī)構(gòu)中常用的合閘電磁鐵和分閘電磁鐵的結(jié)構(gòu)分別如圖4和圖5所示。

2 電磁鐵線圈電流的變化[7]

2.1 電磁鐵線圈電流變化的微分方程

電磁鐵線圈電流的變化可用微分方程表示為：

式中，Ψ為磁鏈。假設(shè)電磁鐵不飽和，則有Ψ＝Li，電感L不隨i變化，但隨電磁鐵的氣隙δ變化而變化，即：

當(dāng)電磁線圈剛接通電源U時(shí)，由于線圈有一定電感L，電流i不能馬上達(dá)到觸動(dòng)電流Id，而是由零逐漸增大。與此同時(shí)，鐵心的吸引力也逐漸增大。在電磁鐵的吸引力不足以使鐵心動(dòng)作時(shí)，δ=δmax為常數(shù)，即鐵心的運(yùn)動(dòng)速度為v=0。所以有：

式中，L1為δ=δmax時(shí)，電磁鐵線圈電感微分方程的通解是：

式中，C為通解常數(shù)。由t=0，i=0的初始條件得微分方程的一個(gè)特解：

因此，在鐵心運(yùn)動(dòng)之前，線圈電流i呈指數(shù)上升。在時(shí)間t1電流增大到動(dòng)作電流Id，電磁鐵的吸力超過反力（如鐵心重力、加在鐵心上的彈簧力等），鐵心開始運(yùn)動(dòng)，v＞0。等值回路中增加一隨時(shí)間增大的反電動(dòng)勢，一般情況下，線圈電流i比鐵心剛開始運(yùn)動(dòng)時(shí)的觸動(dòng)電流Id的數(shù)值要小，因此，電流i偏離指數(shù)上升曲線，不斷下降。這一過程直到鐵心吸合，鐵心停止運(yùn)動(dòng)，v＞0。由式（2），電流的微分方程變?yōu)?/p>

式（6）中，L2為δ=δmax時(shí)電磁鐵線圈的電感。故電流以鐵心停止t=t2時(shí)的電流I2為初值，按指數(shù)規(guī)律上升，最后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)值

一般來說，電磁鐵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)：總行程S=空行程G+超行程g，最大氣隙δmax＞S；最小氣隙δmax≥0。

2.2 分合閘線圈鐵心運(yùn)動(dòng)各時(shí)間段的電流特性波形

上述變化過程可用圖6中的典型分合閘線圈電流特性波形說明，這一波形根據(jù)鐵心的運(yùn)動(dòng)可以分為5個(gè)時(shí)間段：

2.2.1 觸動(dòng)時(shí)間段

t0至t1；觸動(dòng)時(shí)間段，線圈在t0時(shí)通電直到t1時(shí)動(dòng)鐵心開始運(yùn)動(dòng)到達(dá)觸動(dòng)電流Id，這個(gè)時(shí)間段線圈電流i波形呈指數(shù)上升,微分方程如式（4）所示。

2.2.2 運(yùn)動(dòng)時(shí)間段

t1至t2；運(yùn)動(dòng)時(shí)間段，電流下降。t2為線圈電流的谷點(diǎn)，稱吸合電流I2，代表動(dòng)鐵心已經(jīng)走完全行程（彈簧機(jī)構(gòu)的全行程要保證一級摯子可靠解鎖，液壓機(jī)構(gòu)的全行程要保證一級球閥完全打開），因而顯著減速或停止運(yùn)動(dòng)，這個(gè)時(shí)間段線圈電流i波形偏離指數(shù)上升曲線，不斷下降，微分方程如式（5）所示。

2.2.3 恢復(fù)時(shí)間段

t2至t3；恢復(fù)時(shí)間段，動(dòng)鐵心停止運(yùn)動(dòng)，電流又呈指數(shù)上升達(dá)到近似的穩(wěn)態(tài)電流I，這個(gè)時(shí)間段線圈電流i波形又呈指數(shù)上升，微分方程如式（6）所示，直至升至穩(wěn)態(tài)電流

2.2.4 穩(wěn)態(tài)時(shí)間段

t3至t4；穩(wěn)態(tài)時(shí)間段，這一時(shí)間段是時(shí)間段3的延續(xù)，電流i波形近似為穩(wěn)態(tài)電流

2.2.5 分?jǐn)鄷r(shí)間段

t4至t5；分?jǐn)鄷r(shí)間段，電流開斷階段，輔助開關(guān)K切換分?jǐn)?、電弧熄滅、電流i從穩(wěn)態(tài)到零。

其中，觸動(dòng)時(shí)間段t0?t1；與控制電源及線圈電阻、動(dòng)鐵心重力、摩擦力、復(fù)位彈簧力等有關(guān)；運(yùn)動(dòng)時(shí)間段t1?t2的變化表征電磁鐵動(dòng)鐵心動(dòng)作過程有無卡滯、操作機(jī)構(gòu)脫扣摯子及球閥等機(jī)械負(fù)載變動(dòng)情況；恢復(fù)時(shí)間段t2?t3、穩(wěn)態(tài)時(shí)間段t3?t4反映鐵心吸合面及輔開觸點(diǎn)是否接觸良好，操作傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)有無異常（如震動(dòng)過大）的情況；分?jǐn)鄷r(shí)間段t4?t5反映輔開的開斷能力。其中：時(shí)間段t0?t2在操作機(jī)構(gòu)中稱為電磁鐵（電磁閥）動(dòng)作時(shí)間，也是操作機(jī)構(gòu)機(jī)械特性的重要參數(shù)。通過以上幾個(gè)不同特征時(shí)間的分析可以方便地診斷斷路器部分機(jī)械故障及故障趨勢，包括分、合閘時(shí)間變長，拒分、拒合等故障。

3 分合閘線圈（直流線圈）的基本要求[8、9]

3.1 適用溫度

環(huán)境溫度-30～70℃（超出范圍在訂貨時(shí)要特別指出）。

3.2 耐電壓性能

線圈對地工頻耐壓2kV/1min或2.5kV/1s，匝間絕緣應(yīng)能承受2.5倍額定電壓1min的交流試驗(yàn)電壓；

3.3 工作制

工作制是電磁鐵所承受的一系列負(fù)載狀況的說明，操動(dòng)機(jī)構(gòu)電磁鐵一般可選用短時(shí)工作制或瞬時(shí)周期工作制（如液壓彈簧機(jī)構(gòu)中哈威電磁閥的負(fù)載持續(xù)率為2%），在限制線圈最長通電時(shí)間的同時(shí)，為了保證吸合的可靠性，斷路器中不同的操作機(jī)構(gòu)、不同結(jié)構(gòu)的電磁鐵線圈都有一個(gè)最短通電時(shí)間。如某種彈簧機(jī)構(gòu)電磁鐵線圈的最短通電時(shí)間不小于40ms；某種液壓機(jī)構(gòu)不小于30ms。

3.4 操作電壓

分閘電磁鐵線圈在額定電源電壓的65%～110%（直流）范圍內(nèi)、合閘電磁鐵線圈在額定電源電壓的85%～110%（直流）范圍內(nèi)、液壓和氣動(dòng)機(jī)構(gòu)在液（氣）壓操作壓力的上、下限之間時(shí)，應(yīng)能可靠動(dòng)作。旁路開關(guān)的操作機(jī)構(gòu)電磁鐵和此要求相反。

當(dāng)電源電壓等于或小于額定電源電壓的30%時(shí)，液壓和氣動(dòng)機(jī)構(gòu)在液（氣）壓操作壓力的下限時(shí)，分合閘電磁鐵不應(yīng)導(dǎo)致操作機(jī)構(gòu)動(dòng)作。

3.5 絕緣等級及溫升試驗(yàn)

不同的操作機(jī)構(gòu)電磁鐵線圈的絕緣等級要求也不一樣，一般彈簧機(jī)構(gòu)、氣動(dòng)機(jī)構(gòu)和液壓氮?dú)鈾C(jī)構(gòu)的線圈要求最小為A級（40℃時(shí)溫升不大于65K），液壓彈簧機(jī)構(gòu)要求最小為E級（40℃時(shí)溫升不大于80K）。溫升試驗(yàn)用電阻法測線圈溫升，通電10次，每次1s，兩次之間間隔10s；或一次通電15s（機(jī)構(gòu)不具備自動(dòng)斷開線圈回路），其溫升不應(yīng)超過規(guī)定值。

3.6 液壓機(jī)構(gòu)電磁閥的內(nèi)部密封

高壓油液少量的損耗是不可避免的，液壓機(jī)構(gòu)電磁閥的允許泄漏率由各制造廠根據(jù)產(chǎn)品的整體要求自行規(guī)定。大多情況下＜4cc/24h, 泄漏率應(yīng)低于允許泄漏率，且不應(yīng)隨時(shí)間的增長而持續(xù)增大，或不應(yīng)隨著斷路器操作次數(shù)增加而增大，不應(yīng)引起斷路器的誤動(dòng)作，也不應(yīng)對操作者造成任何傷害。

4 故障診斷實(shí)例分析

線圈電流波形對應(yīng)的特征參數(shù)有：時(shí)間量（以t0為時(shí)間零點(diǎn)）t1、t2、t3、t4、t5和電流i變化后的量值Id、I2、I。由前述波形分析可知，電流波形中的時(shí)間參數(shù)t對應(yīng)著線圈在勵(lì)磁、動(dòng)鐵心全行程及機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過程中的各個(gè)時(shí)間段。

幾種典型的線圈電流波形如圖6～圖10所示。狀態(tài)完好的斷路器線圈電流波形如圖6所示，以線圈開始通電為時(shí)間原點(diǎn).典型故障情況下的線圈電流波形，如圖7～圖10所示。

對各時(shí)間段的波形進(jìn)行分析，從分析結(jié)果中很容易找到波形的畸變點(diǎn)，從畸變點(diǎn)發(fā)生位置對應(yīng)的時(shí)間段，找到斷路器分合閘線圈故障的原因。

4.1 斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)正常的線圈電流波形

4.2 典型故障情況下的線圈電流波形

4.2.1 故障點(diǎn)在觸動(dòng)電流段

故障點(diǎn)在觸動(dòng)時(shí)間段t0?t1內(nèi)的tx處；反映在波形圖上如圖7所示，這種故障可能導(dǎo)致電磁鐵動(dòng)作時(shí)間（t2）變長，使斷路器的動(dòng)作時(shí)間變長，嚴(yán)重的可引起拒動(dòng)，影響產(chǎn)品可靠性。這種故障大都是動(dòng)鐵心或傳動(dòng)摯子（閥針）運(yùn)動(dòng)卡滯、或電壓不足引起的。

4.2.2 故障點(diǎn)在觸動(dòng)電流和吸合電流交界點(diǎn)

故障點(diǎn)在t1終點(diǎn)附近，觸動(dòng)電流和吸合電流交界點(diǎn)，可能導(dǎo)致電磁鐵或閥系統(tǒng)動(dòng)作時(shí)間（t2）變長，甚至拒動(dòng)。反映在波形圖上如圖8所示，這種故障大都由鐵心空程變大、電壓變低、動(dòng)鐵心卡滯引起的。

4.2.3 故障點(diǎn)在吸合電流點(diǎn)（t2終點(diǎn)）和恢復(fù)段（t2?t3之間）

故障點(diǎn)在t2終點(diǎn)附近抖動(dòng)，反映在波形圖上如圖9（a）所示，這種故障可能導(dǎo)致電磁鐵恢復(fù)時(shí)間（t3）變長，使斷路器的動(dòng)作時(shí)間變長，影響可靠性。這種故障大都是動(dòng)靜鐵心吸合時(shí)接觸不良引起的。

故障點(diǎn)在（t2?t3之間），反映在波形圖上如圖9（b）所示，這種故障可能導(dǎo)致電磁鐵恢復(fù)時(shí)間（t3）變長，使斷路器的動(dòng)作時(shí)間變長，影響可靠性。這種故障可能是由動(dòng)鐵心桿（或閥針、撞桿）變形引起的。

4.2.4 故障點(diǎn)在恢復(fù)段（t2?t3之間）

電磁鐵線圈帶電時(shí)間太短，還遠(yuǎn)沒達(dá)到穩(wěn)態(tài)電流輔助開關(guān)就切換了，反映在波形圖上如圖10所示，這種故障可能導(dǎo)致電磁鐵吸合不可靠，影響可靠性。這種故障可能是由輔助開關(guān)傳動(dòng)移位或變形引起的。

4.2.5 故障點(diǎn)在穩(wěn)態(tài)時(shí)間段（t3?t4之間）

電磁鐵線圈帶電穩(wěn)態(tài)時(shí)間段接觸不好，有彈跳，反映在波形圖上如圖11所示，這種故障可能是由操作回路（包括輔助開關(guān)）接觸點(diǎn)松動(dòng)或斷路器操作過程中震動(dòng)太大引起的。會(huì)影響智能化斷路器的保護(hù)或監(jiān)測功能的可靠性。

4.2.6 故障點(diǎn)在恢復(fù)段（t4?t5之間）

輔助開關(guān)切換時(shí)開斷電流不成功，即電流未完全開斷，反映在波形圖上如圖12所示，這種故障可能導(dǎo)致電磁鐵脫開不可靠，影響可靠性。這種故障可能是由輔助開關(guān)斷口耐電壓不夠引起的。

5 結(jié)束語

本文介紹了利用檢測分合閘線圈電流波形來判斷斷路器動(dòng)作特性故障的一種實(shí)踐中使用的簡單易行的方法，通過對分、合閘線圈電流波形進(jìn)行分段，利用一定的數(shù)學(xué)方法分析各段電流波形的特征，用這種特征來描述、判斷斷路器操作機(jī)構(gòu)的動(dòng)作特性故障，檢測（監(jiān)測）斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)分、合閘線圈電流波形的變化，可以判斷分、合過程中斷路器特性產(chǎn)生的相關(guān)變化。實(shí)際應(yīng)用證明：此方法簡單可行，在新產(chǎn)品設(shè)計(jì)試驗(yàn)、產(chǎn)品出廠調(diào)試、電網(wǎng)運(yùn)行檢修時(shí)都能快速準(zhǔn)確地分析判斷故障，對現(xiàn)在智能斷路器狀態(tài)檢修來說，通過對分合閘線圈電流波形的監(jiān)測，可以發(fā)現(xiàn)高壓斷路器存在的隱患，診斷并預(yù)測出斷路器的設(shè)備狀態(tài)，進(jìn)一步提高斷路器的狀態(tài)檢修監(jiān)測水平，保障電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。