唐專敏，高興宇，蘇 毅，張 煒，黎衛(wèi)國，王佳琳，范興明

（1.桂林電子科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，廣西 桂林 541004；2.廣西電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院廣西電力裝備智能控制與運(yùn)維重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 南寧 530023；3.廣西電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院廣西電網(wǎng)設(shè)備監(jiān)測(cè)及診斷工程技術(shù)研究中心，廣西 南寧 530023；4.中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司超高壓輸電公司 檢修試驗(yàn)中心，廣東 廣州 510663；5.廣西廣西電網(wǎng)有限責(zé)任公司 創(chuàng)新管理部，廣西 南寧 530023）

0 引言

針對(duì)高壓斷路器機(jī)械特性方面的研究持續(xù)深入，涌現(xiàn)出了一些采用斷路器振動(dòng)信號(hào)的檢測(cè)及處理方法[1-5]、基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的機(jī)械狀態(tài)信號(hào)檢測(cè)預(yù)處理[6-10]等有益的監(jiān)測(cè)手段和方法。其中，常廣等[11]基于較少的計(jì)算量從高壓斷路器振動(dòng)信號(hào)中獲取機(jī)械狀態(tài)信息，提出一種零相位濾波時(shí)頻熵方法；楊元威等[12]針對(duì)斷路器機(jī)械故障監(jiān)測(cè)，提出一種基于聲音信號(hào)識(shí)別高壓斷路器機(jī)械故障的方法。夏小飛等[12]針對(duì)斷路器分合閘過程產(chǎn)生的聲音信號(hào)中含有豐富的信息，提出一種基于聲學(xué)指紋的高壓斷路器機(jī)械故障診斷方法。

綜上所述，斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)的質(zhì)量與工作性能直接決定了斷路器的工作性能。為了深入探討斷路器機(jī)械操動(dòng)機(jī)構(gòu)的工作過程對(duì)斷路器分合閘性能的影響，本文采用高壓開關(guān)動(dòng)特性測(cè)試儀對(duì)斷路器分合閘過程進(jìn)行測(cè)試，獲取不同分合閘電壓值下斷路器的機(jī)械參數(shù)，并重點(diǎn)分析斷路器的平均分合閘速度、超行程、彈跳等現(xiàn)象的影響因素及解決措施，為實(shí)現(xiàn)斷路器的可靠分合閘操作提供有益的參考。

1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象和條件

圖1 真空斷路器機(jī)械特性試驗(yàn)樣機(jī)

實(shí)驗(yàn)斷路器配備三相可單獨(dú)驅(qū)動(dòng)的永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)中所應(yīng)用的高壓真空斷路器進(jìn)行分、合閘操作，分閘電壓設(shè)置為180 V，合閘電壓為200 V。驅(qū)動(dòng)電源采用電容器，選用電容值分別為3300 μF 和4700 μF 的充電電容即可達(dá)到預(yù)期的分、合閘目的。

1.1 分（合）閘電容充電回路

分（合）閘電容的預(yù)期控制電壓是利用調(diào)壓器、隔離變壓器經(jīng)過二極管半波整流后對(duì)其進(jìn)行充電的。具體的電容充電回路如圖2 所示。高壓斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)的分、合閘動(dòng)作都是由一個(gè)充電電容放電回路控制的。二者的回路結(jié)構(gòu)與工作過程基本相同，不同的是電容的放電對(duì)象與參數(shù)不同。合閘電容放電是針對(duì)合閘線圈的，分閘電容放電是針對(duì)分閘線圈的。

圖2 電容充電控制回路

1.2 分（合）閘電容放電控制回路

本實(shí)驗(yàn)所應(yīng)用的高壓真空斷路器進(jìn)行分、合閘操作，通過選用電容值分別為3300 μF 和4700 μF 的充電電容便能達(dá)到分、合閘目的。斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)的電源控制電路實(shí)物如圖3 所示。

圖3 操動(dòng)機(jī)構(gòu)的電源控制電路實(shí)物

1.3 實(shí)驗(yàn)條件

采用上海國試電力科技有限公司開發(fā)的GKC-6000A 型高壓開關(guān)動(dòng)特性測(cè)試儀來對(duì)斷路器的機(jī)械特性進(jìn)行試驗(yàn)研究，該設(shè)備實(shí)物如圖4 所示。該儀器是針對(duì)高壓開關(guān)研制的一種通用型電腦智能化測(cè)試儀器，它主要應(yīng)用光電脈沖技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)及可靠的抗電磁輻射技術(shù)，配以精確可靠的速度/距離傳感器，可用于各種電壓等級(jí)的真空、六氟化硫、少油、多油等高壓開關(guān)的機(jī)械特性參數(shù)的調(diào)試與測(cè)量。該儀器接線方便，操作簡(jiǎn)單，操作時(shí)只需一次合（分）動(dòng)作便可得到合（分）閘全部數(shù)據(jù)，并能打印所需的全部數(shù)據(jù)、斷口電流波形和動(dòng)觸頭運(yùn)動(dòng)曲線，便于分析、保存。

圖4 高壓開關(guān)動(dòng)特性測(cè)試儀

該測(cè)試儀上位機(jī)菜單欄包括文件、設(shè)置、測(cè)試、查看、系統(tǒng)、幫助6 項(xiàng)功能，其界面如圖5 所示。實(shí)驗(yàn)時(shí)可以查看斷路器三相各個(gè)斷口的行程-時(shí)間特性曲線、速度-時(shí)間特性曲線、還有線圈電壓-時(shí)間特性曲線、電流-時(shí)間特性曲線等。在圖5 中，曲線1、2、3 分別代表斷路器A、B、C 三相的分（合）閘彈跳次數(shù)；曲線4 是斷路器在不同的分、合閘電壓下的行程-時(shí)間特性曲線，通過該曲線可以得知斷路器的剛分（剛合）時(shí)刻，并且可以計(jì)算出其分（合）閘時(shí)間以及動(dòng)觸頭隨時(shí)間變化所運(yùn)動(dòng)的位移等；曲線5 是操作線圈的電流隨隨時(shí)間變化的曲線。

圖5 斷路器各斷口機(jī)械特性波形

該測(cè)試儀上位機(jī)菜單還可以查看斷路器動(dòng)特性的試驗(yàn)報(bào)告（圖6）。試驗(yàn)報(bào)告涵蓋了斷路器的大部分機(jī)械特性參數(shù)，將該參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析，可以判斷出斷路器的運(yùn)行狀態(tài)。

圖6 試驗(yàn)報(bào)告

2 實(shí)驗(yàn)方法和結(jié)果

配永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)的高壓真空斷路器取消了傳統(tǒng)操動(dòng)機(jī)構(gòu)的機(jī)械脫、鎖扣裝置，極大地減少了機(jī)構(gòu)零部件，這可以提高斷路器的工作可靠性，從而降低機(jī)械故障率。其中，斷路器的行程、速度、線圈電壓特性是永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)真空斷路器機(jī)械特性的重要特征，也是該產(chǎn)品在出廠和檢修過程中都必須要求測(cè)試的項(xiàng)目。為獲取高壓斷路器在分、合閘過程中的機(jī)械參數(shù)，本次實(shí)驗(yàn)采用GKC-6000A 型高壓開關(guān)動(dòng)特性測(cè)試儀與上位機(jī)斷路器智能測(cè)試系統(tǒng)相結(jié)合的方式，并通過斷路器的電源控制器控制分、合閘過程來完成本次測(cè)試目的。本研究的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試線路如圖7 所示。

圖7 斷路器機(jī)械特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖

2.1 合閘特性

為了比較斷路器的分、合閘機(jī)械特性，實(shí)驗(yàn)通過對(duì)該斷路器電源控制器的充電電容充入不同的電壓值來獲取其不同的機(jī)械特征參數(shù)。通過斷路器不同合閘電壓下的行程、速度特性分析及對(duì)比來分析斷路器的機(jī)械參數(shù)機(jī)器操作性能。

其中，“古之善為士者，微妙玄通”原意是指在古代，擅長修道的智者既能通曉奧妙又能玄通遠(yuǎn)達(dá)。在原文中，包含著兩個(gè)短句，而林語堂在進(jìn)行翻譯的過程中，將這兩個(gè)短句進(jìn)行了合并，以“The wise ones of old had subtle wisdom and depth of understanding”（老智者有難以描述的智慧以及深刻的理解）表達(dá)了原意。在這句的翻譯中，并沒有進(jìn)行字字的對(duì)應(yīng)，而是在把握原文主旨的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了轉(zhuǎn)化與融合，便于讀者的理解。

圖8 所示為合閘電壓為232 V 時(shí)斷路器機(jī)械特性曲線，圖9 為速度-時(shí)間特性曲線。對(duì)比分析圖8 中曲線1 與圖9 曲線，可以看出動(dòng)觸頭發(fā)生了2 次彈跳。分析表明，該彈跳與合閘時(shí)動(dòng)觸頭的撞擊力、觸頭的材料等有關(guān)。這主要是由于動(dòng)觸頭在合閘時(shí)所產(chǎn)生的合閘力相對(duì)較大的原因造成的。觸頭材料的硬度越大，發(fā)生彈跳的時(shí)間就越長；在觸頭材料的硬度相同時(shí)，若觸頭的壓力越大，則彈跳時(shí)間越短。

圖8 232V 合閘電壓機(jī)械特性實(shí)驗(yàn)曲線

圖9 232V 合閘電壓速度-時(shí)間特性曲線

圖8 曲線2 是該動(dòng)觸頭的行程-時(shí)間特性曲線。圖中觸頭從速度點(diǎn)a 運(yùn)動(dòng)到速度點(diǎn)b 所完成的行程，就是觸頭合閘的平均速度，其中速度點(diǎn)a 處的速度就是剛合速度?？梢钥闯?，動(dòng)觸頭在16 ms 時(shí)開始與靜觸頭接觸，到21.5 ms 時(shí)動(dòng)靜觸頭已完全合上。說明在該合閘電壓下，斷路器能很好地實(shí)現(xiàn)合閘操作。圖8 曲線3 是合閘過程中線圈電壓隨時(shí)間的變化波形圖。由于合閘線圈是一個(gè)電感元件，當(dāng)接通直流電源后，在合閘線圈內(nèi)部以及合閘電纜的線路上會(huì)產(chǎn)生電壓降，因此線圈電壓隨時(shí)間增大而減少，直到最后趨于穩(wěn)定狀態(tài)。在曲線4 的速度-時(shí)間曲線中，首先動(dòng)觸頭在12 ms 時(shí)與靜觸頭發(fā)生第一次碰撞，此刻的合閘速度最大，碰撞過后，速度慢慢減少，之后又出現(xiàn)2次反彈，直到21 ms 后，合閘速度幾乎為零，說明動(dòng)靜觸頭已經(jīng)合閘到位。

不同的合閘電壓下斷路器機(jī)械參數(shù)見表1，從表中可以看出，不同的充電電壓對(duì)平均合閘速度、反彈時(shí)間、反彈次數(shù)等影響顯著。同時(shí)還可以看出不同的合閘速度對(duì)觸頭的彈跳影響也比較明顯，動(dòng)觸頭的平均合閘速度越大，造成的反彈次數(shù)也越多。由此可知，合閘速度偏快也是斷路器產(chǎn)生合閘彈跳的重要原因之一。從降低機(jī)械應(yīng)力和沖擊力角度來分析，若合閘速度低，雖可減少波紋管的振動(dòng)，但會(huì)延長電弧預(yù)擊穿時(shí)間，加劇觸頭的電侵蝕，會(huì)產(chǎn)生合閘過電壓，并且在做短路關(guān)合實(shí)驗(yàn)時(shí)，容易引起觸頭熔焊；若合閘速度過快，雖可減少觸頭的電磨損，減少電弧預(yù)擊穿時(shí)間，但也會(huì)加大動(dòng)觸頭的沖擊，延長彈跳時(shí)間。

表1 不同的合閘電壓下斷路器機(jī)械參數(shù)

經(jīng)研究可得，觸頭撞擊力的大小與動(dòng)觸頭系統(tǒng)的質(zhì)量、動(dòng)靜觸頭碰撞前后的速度差值還有兩者的作用時(shí)間有關(guān)，因此在滿足斷路器力學(xué)性能的要求下，為降低動(dòng)觸頭發(fā)生彈跳的大小，可采取以下措施進(jìn)行改進(jìn)：

（1）減輕動(dòng)觸頭系統(tǒng)的質(zhì)量。可通過減少導(dǎo)電夾與軟連接之間的尺寸、縮短導(dǎo)電桿的長度，并選擇輕質(zhì)絕緣子等來實(shí)現(xiàn)。

（2）減少觸頭碰撞前后速度差的絕對(duì)值。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)分析，不能通過減少動(dòng)觸頭碰撞前的速度，因?yàn)樵撍俣热籼?，?huì)使合閘能量不足，容易加劇觸頭彈跳幅度，因此只能設(shè)法減少碰撞后的速度。主要方法有：在動(dòng)觸頭系統(tǒng)中加裝彈簧，當(dāng)斷路器合閘操作時(shí)，壓縮彈簧，使其產(chǎn)生一個(gè)觸頭的預(yù)壓力，以此抵消動(dòng)觸頭的回彈力。

（3）通過增大動(dòng)靜觸頭的碰撞時(shí)間來實(shí)現(xiàn)：一是在靜觸頭端加裝緩沖元件，如橡膠墊圈，可增加觸頭的撞擊時(shí)間；二是在生產(chǎn)斷路器時(shí)設(shè)法確保斷路器的動(dòng)靜導(dǎo)電桿的同軸度，并且要盡量保證動(dòng)靜觸頭為平面接觸，而不是點(diǎn)或線的接觸。

因此在斷路器投入使用前，必須對(duì)其進(jìn)行開斷等形式試驗(yàn)。通過大量的運(yùn)行試驗(yàn)，可以總結(jié)出斷路器最佳的合閘電壓取值范圍，這對(duì)延長滅弧室的使用壽命、減少觸頭電磨損及提高斷路器的可靠運(yùn)行性具有相當(dāng)重要的意義。

2.2 分閘特性

分閘速度的大小直接影響到斷路器的開斷能力。而在斷路器的分?jǐn)噙^程中，真正起作用的就是剛分速度，也就是動(dòng)靜觸頭剛剛分開瞬間的速度，它是由超行程決定的。超程是指動(dòng)靜觸頭完全閉合后，動(dòng)觸頭所能移動(dòng)的距離。

以斷路器處于無負(fù)載狀態(tài)下的分閘電壓為173 V的機(jī)械特性曲線進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在圖10 中曲線1 代表的是斷路器分閘彈跳的次數(shù)，曲線2 代表了斷路器行程-時(shí)間特性，在曲線2 中觸頭從速度點(diǎn)c 運(yùn)動(dòng)到速度點(diǎn)d 所完成的行程，就是觸頭分閘的平均速度，其中速度點(diǎn)c 處的速度就是剛分速度，由圖10 和11 的分閘行程、速度特性曲線可以看出，斷路器的動(dòng)觸頭沒有發(fā)生彈跳現(xiàn)象。

圖10 173V 分閘電壓行程-時(shí)間特性

表2 給出了分閘電容在不同充電電壓下的相關(guān)機(jī)械特征參數(shù)，從表2 可以看出，不同的分閘電壓下，獲取的機(jī)械參數(shù)不同。分閘電壓高，平均速度大，分閘時(shí)間越短；分閘電壓低，平均速度低，分閘時(shí)間越長。分析分閘時(shí)觸頭的反彈次數(shù)，可知從動(dòng)靜觸頭剛分開一直到動(dòng)觸頭運(yùn)動(dòng)結(jié)束，在靜觸頭端沒有出現(xiàn)彈跳現(xiàn)象，并且在動(dòng)觸頭的下端點(diǎn)也沒有出現(xiàn)反彈，運(yùn)動(dòng)特性呈線性。之所以沒有出現(xiàn)彈跳現(xiàn)象，主要是因?yàn)楸敬卧囼?yàn)是在斷路器處于空載狀態(tài)下完成的，若把斷路器接入負(fù)載中，在斷路器的分閘操作時(shí)就容易出現(xiàn)分閘速度過快、分閘彈跳等現(xiàn)象。

表2 不同的分閘電壓下斷路器機(jī)械參數(shù)

圖11 173V 分閘電壓速度-時(shí)間特性

分閘速度的快慢將直接到電流過零后，動(dòng)靜觸頭間介質(zhì)的恢復(fù)速度。若分閘速度太低，不僅不容易滅弧，而且還會(huì)加重觸頭的電磨損量，甚至產(chǎn)生過電壓等現(xiàn)象。若分閘速度過快，容易引起分閘反彈，這對(duì)滅弧室波紋管的振動(dòng)、壓縮造成嚴(yán)重影響，容易使波紋管提前損壞而出現(xiàn)漏氣現(xiàn)象。因此斷路器的分閘速度也需選擇適當(dāng)。

3 結(jié)論

通過高壓開關(guān)動(dòng)特性測(cè)試儀測(cè)試斷路器的機(jī)械特性，包括斷路器的總行程、彈跳時(shí)間等數(shù)據(jù)的測(cè)試與記錄，這使存儲(chǔ)、管理、分析該數(shù)據(jù)更方便、快捷。同時(shí)，斷路器的機(jī)械性能參數(shù)也是互相影響的，調(diào)整時(shí)也需要統(tǒng)籌兼顧。通過多次試驗(yàn)總結(jié)出了斷路器的分、合閘電壓的最佳取值范圍，這為斷路器的正常運(yùn)行提供了良好的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)參考依據(jù)，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。