陳振家 盛建華 陸俊陽 謝 智 呂建江

（甘肅電器科學(xué)研究院，甘肅 天水 741018）

斷路器是電力系統(tǒng)中最重要的高壓開關(guān)設(shè)備之一，其可靠性會直接影響電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行[1-2]。而高壓斷路器的分合閘時間是檢測高壓斷路器狀態(tài)的一個重要方面，分合閘時間將直觀反映斷路器機械結(jié)構(gòu)的運行狀態(tài)[3]。該文通過大量實際測量數(shù)據(jù)，將分析與實際動作過程進(jìn)行對比，來論證操作電壓對斷路器分合閘時間的影響。

1 斷路器分合閘時間的采集

1.1 分合閘過程開始位置的判斷

以高壓斷路器的彈簧機構(gòu)為例，當(dāng)斷路器的控制端帶電，觸發(fā)分合閘指令，使分合閘線圈帶電。線圈吸合，帶動鐵芯運動，帶動彈簧機構(gòu)釋能，帶動動觸頭運動，完成分合閘動作。

一般認(rèn)為，在斷路器的一次完整的分合閘動作過程中，當(dāng)控制端發(fā)出指令后，分合閘線圈開始帶電，使線圈帶動鐵芯動作是一次分合閘過程的開始。分合閘線圈電流波形如圖1 所示。

圖1 分合閘線圈電流示意圖

根據(jù)圖1 所示，可以將線圈帶電過程分為4 個部分，即圖1 中以虛線斷開的部分。第一部分，從t0時刻開始，此時線圈帶電，但是鐵芯還沒運動，磁路的氣隙保持不變，線圈的電感不變且為電感最小值，線圈電流呈指數(shù)規(guī)律上升。第二部分，在t1時刻，鐵芯開始運動并且加速。在該階段，由于鐵芯產(chǎn)生運動，因此磁路氣隙減少，電感增大，電流下降。第三部分，鐵芯停止運動，然后機構(gòu)開始動作。對分合閘線圈來說，此時氣隙固定，電感不變且為最大值，線圈電流呈指數(shù)上升。第四個部分，當(dāng)彈簧機構(gòu)開始動作，線圈電流開始變小，直到動觸頭完成動作，輔助開關(guān)閉合，線圈斷電。

對線圈電流變化的分析可以發(fā)現(xiàn)，在t0時刻，線圈開始帶電，在t1時刻，鐵芯開始動作，分合閘線圈開始工作。分析工作原理可知，t0時刻是線圈實際開始帶電的時間，而t1時刻是線圈帶電、驅(qū)動鐵芯開始動作的時間，這2 個時間都可以表征分合閘動作的開始過程，因此可以把t0或t1時刻作為一次分合閘動作的起始狀態(tài)。在記錄分合閘時間的過程中，t0或t1時刻都可以作為分合閘時間采集的起始時間。分別記錄這2 個時間點的開始帶電時間和實際動作時間，對分合閘過程的影響也不同。但是這2 個時間點是否會因操作電壓不同而對分合閘過程產(chǎn)生影響還不可知，測量出的分合閘時間結(jié)果的區(qū)別也不可知。因此在該文試驗論證中，分別采集t0和t1時刻作為分合閘時間的起始點，記錄不同起始時間在不同操作電壓下對分合閘時間的影響。

1.2 提取斷路器剛分（剛合）時間點

觸頭的剛分（剛合）時刻的確定在斷路器分合閘時間的計算中非常重要，該位置的確定方法主要有振動信號分析法、觸頭加速度分析法等，但這些方法精度高，實現(xiàn)難度大[4]。因此該文采用對比主回路的電位信號和觸頭行程曲線來分析[5]，由于部分?jǐn)嗦菲鹘Y(jié)構(gòu)緊湊、空間小或者機構(gòu)的動作部分不外漏，測量掛載傳感器時有一定困難，同時行程曲線有超程的存在，會使對比剛分（剛合）時間有明顯的延遲，給剛分（剛合）時間點的確定帶來一定困難，因此該文試驗論證主要以主回路電位信號為確定方法。結(jié)果見表1。

表1 剛分（剛合）時間點提取方法對比

根據(jù)表1 可知，利用電位信號分析法得到的剛分（剛合）時間點與采用觸頭加速度分析法得到的有一定差值，但差值較小，對該文的試驗論證來說，可以認(rèn)為這個時間點結(jié)果是合理的。

一般認(rèn)為，當(dāng)三極動觸頭都和靜觸頭接觸，即三極的主回路電位信號跳變瞬間為剛分（剛合）時刻時，由于三相動觸頭接觸（分開）時間存在不同期的時間偏差，因此為了試驗的統(tǒng)一性，該文以最后一相的動觸頭與靜觸頭接觸的時間或者最后一相動觸頭與靜觸頭分開的時間作為剛分（剛合）時刻。

1.3 數(shù)據(jù)采集

該文采用的高壓開關(guān)特性測試系統(tǒng)具有3×2 個觸頭監(jiān)控和2×4 個常開/常閉輔助觸點監(jiān)控。2 個分合閘線圈控制線路用于控制線圈動作和測量線圈電流。為了試驗數(shù)據(jù)的普遍性，該文選取最常見的分閘時間參考區(qū)間即30ms～50ms，合閘時間參考區(qū)間為35ms～70ms，操作電壓為DC 220V 的同類型高壓斷路器2 臺（編號#01、#02）進(jìn)行對照試驗，對比相同參數(shù)的不同試品在不同電壓下對分合閘時間造成的影響。將受試試品與高壓開關(guān)特性測試系統(tǒng)進(jìn)行連接后，通過采集系統(tǒng)采集線圈帶電時間點和鐵芯動作時間點，將其作為分合閘時間的開始時間，并通過斷口信號測量電位信號變化，將其作為分合閘時間的截止時間。對每臺斷路器分別在最高操作電壓、額定操作電壓和最低操作電壓下進(jìn)行試驗，分別以t0時刻和t1時刻開始計算分合閘時間。對每臺斷路器分別進(jìn)行100 次分合閘過程測量，采集數(shù)據(jù)并進(jìn)行對照，為了控制試驗數(shù)據(jù)變量和方便對照，進(jìn)行分組試驗，見表2。

表2 試驗流程

1.4 數(shù)據(jù)分析

使用均值法求解平均值，如公式（1）所示。

式中：是均值法平均值；xi是采集的分合閘數(shù)據(jù)。

使用貝塞爾方法求解標(biāo)準(zhǔn)偏差，如公式（2）所示。

式中：S是標(biāo)準(zhǔn)偏差；xi是采集的分合閘數(shù)據(jù)；是平均值。

得到的結(jié)果見表3。

表3 試驗數(shù)據(jù)分析

通過02、08 組試驗和05、11 組試驗可以發(fā)現(xiàn)，試驗數(shù)據(jù)均值在容差范圍內(nèi)浮動，由此可知#01 試品和#02 試品的不同對數(shù)據(jù)的影響較小，該次試驗的結(jié)果是在合理范圍內(nèi)的，試驗結(jié)果具有可信度。

將被測數(shù)據(jù)進(jìn)行整理繪制，得到數(shù)據(jù)散點圖，鑒于篇幅有限，該文展示了一張散點圖數(shù)據(jù)，如圖2 所示。

圖2 分合閘時間散點圖

根據(jù)圖2 可知，數(shù)據(jù)基本落在標(biāo)準(zhǔn)偏差內(nèi)，落在區(qū)間內(nèi)的概率為93.7%以上，證明數(shù)據(jù)總體呈現(xiàn)出貼近均值分布的情況，該文試驗的數(shù)據(jù)是具有可信度的。

對比試驗數(shù)據(jù)01、02、03 號和04、05、06 號可以發(fā)現(xiàn)，在不同操作電壓下，對比從t0和t1時刻開始的2 種情況，相同受試高壓斷路器的分合閘時間會因操作電壓的變化而產(chǎn)生不同數(shù)值。當(dāng)從t0時刻開始計算時，分合閘時間隨著操作電壓的變化有明顯的上、下差異，主要反映在操作電壓越高，分合閘時間越短；而從t1時刻開始計算時，分合閘時間雖然存在差異，但差異較小，和從t0時刻開始的數(shù)據(jù)變化相比，該差異量不明顯?？梢妕0和t1時間的不同是使分合閘時間數(shù)據(jù)不同的關(guān)鍵因素，這是造成均值變化的主要原因?？紤]在不同電壓下會有數(shù)據(jù)波動情況和少量離群數(shù)據(jù)的出現(xiàn)，該差異需要做進(jìn)一步分析。

2 影響因素的分析

2.1 操作電壓

操作電壓的不同會對線圈的響應(yīng)時間造成影響，在額定耐受的范圍內(nèi)，電壓越高，線圈的響應(yīng)時間越快；電壓越低，線圈的響應(yīng)時間越慢，這種線圈的響應(yīng)速度變化會使鐵芯的運動開始時間有所不同。對照試驗數(shù)據(jù)（表2）和線圈電流波形圖（圖1）可以發(fā)現(xiàn)，線圈的響應(yīng)時間應(yīng)當(dāng)主要存在于t1之前，即鐵芯開始運動之前，在t0和t1間存在一定時間偏差。

2.2 操作機構(gòu)阻力的不確定性

操作機構(gòu)的結(jié)構(gòu)特征決定了在每次彈簧釋能推動觸頭運動的過程中，阻力都有不同，沖程也有細(xì)微的變化。由于分合閘時間的計算一直持續(xù)到整個分合閘動作的完成，因此必然包括操作機構(gòu)的動作過程。該不確定性導(dǎo)致了每次動作時的偏差不同，該偏差有可能使分合閘時間的區(qū)間波動范圍較大，也可能是造成數(shù)據(jù)在標(biāo)準(zhǔn)偏差范圍內(nèi)上、下波動的原因之一。

2.3 其他不確定因素

除了操作電壓和機構(gòu)阻力之外，彈簧在使用過程中還會累積應(yīng)力松弛和彈性衰退，導(dǎo)致彈簧釋能過程存在不確定性。機構(gòu)振動也會造成觸頭運動過程的偏差，特別是在使用位移行程曲線判斷觸頭剛合（剛分）時間點時。另外，采集軟件的數(shù)據(jù)偏差也會造成數(shù)據(jù)偏移，這可能是數(shù)據(jù)中存在一部分明顯的離群數(shù)據(jù)的原因。但是這些離群數(shù)據(jù)占比極小，在分析可能的原因后，這些離群數(shù)據(jù)反映的情況不在該文試驗討論的范圍之內(nèi)，可以剔除這些離群數(shù)據(jù)。

3 試驗結(jié)果與分析

通過試驗發(fā)現(xiàn)，操作電壓的不同會對分合閘時間造成影響，形成分合閘時間的偏差。該影響主要是當(dāng)操作電壓變高時，分合閘時間會變短，反之變長。該變化和分合閘時間的起始選擇點有一定關(guān)聯(lián)性。

當(dāng)以t0為開始時間計算時，這種偏差很明顯，在不同操作電壓下進(jìn)行試驗，分合閘時間存在明顯的變化。而從t1開始時，變化幅度則較小，說明此時操作電壓的變化對分合閘時間影響較小。考慮這其中的變量主要為起始點的改變，可以證明t0～t1時間段是不同操作電壓使分合閘時間存在偏差的區(qū)間，也是導(dǎo)致不同操作電壓下分合閘時間有明顯差異的原因。

t0～t1時間段是線圈的響應(yīng)時間，可見操作電壓對分合閘時間的影響是通過影響線圈的響應(yīng)時間而反映出來的。根據(jù)操作電壓的變化，響應(yīng)時間相應(yīng)發(fā)生變化，使t0～t1時間段的大小也發(fā)生變化，導(dǎo)致當(dāng)以t0時刻開始計算分合閘時間時，分合閘時間隨著操作電壓變化而發(fā)生變化。而當(dāng)以t1作為分合閘時間的起始時間時，由于此時分合閘時間中不包括線圈響應(yīng)時間，因此分合閘時間不隨操作電壓的變化而發(fā)生變化，操作電壓對分合閘時間沒有影響。

在實際使用過程中，響應(yīng)時間是在鐵芯運動之前（t1之前），在該過程中，斷路器的操作機構(gòu)和觸頭系統(tǒng)沒有動作，因此該過程對觸頭的實際滅弧能力和分合閘的動作過程沒有影響，實際的分合閘動作過程是從t1時刻，也即鐵芯開始動作的時間開始的。而當(dāng)需要考慮響應(yīng)時間對分合閘時間的影響時，則選擇從t1時刻開始。在分合閘時間中考慮線圈響應(yīng)時間的影響，線圈響應(yīng)時間隨著操作電壓的變化而發(fā)生變化，從而使分合閘時間也隨操作電壓的變化而發(fā)生變化，造成了操作電壓對分合閘時間的影響。

因此分析分合閘時間標(biāo)準(zhǔn)偏差時，應(yīng)將不同的起始時間作為影響因素。當(dāng)從t0開始計算時，分合閘時間隨操作電壓而發(fā)生變化，能監(jiān)測到操作響應(yīng)時間對分合閘數(shù)據(jù)的影響；當(dāng)從t1開始計算時，可以剔除響應(yīng)時間的影響。對比2 種不同的起始點選擇，選擇t1時刻為起始點時，得到的分合閘時間更貼近實際的斷路器動作情況，該過程更適合表征斷路器的機械特性，在反映斷路器動作過程的時間、評價斷路器機械性能和分析斷路器的故障與狀態(tài)方面，具有更準(zhǔn)確、更真實且更貼合實際的特點。

4 結(jié)語

該文對高壓斷路器分合閘開始時間進(jìn)行分析，將試驗數(shù)據(jù)與理論分析相結(jié)合，對分合閘時間的整理計算，闡明了操作電壓對分合閘時間的影響。解決了在機械特性試驗中分合閘時間點的選取問題，指出了操作電壓對分合閘時間過程的實際作用，確定了線圈響應(yīng)時間所在的時間段，通過選擇不同的開始時間得到了更準(zhǔn)確、更貼合實際動作過程的分合閘時間。