浅谈真空断路器的弹跳时间

浅谈真空断路器的弹跳时间

刘金达

中国大唐集团内蒙分公司唐浩公司             内蒙古赤峰市024000

摘要：断路器是电力系统中的安全卫士，在系统中起着控制和保护双重作用。在电力电子器件高速和不断发展的今天，以高电压、大电流为工作背景的高压断路器作为最后的有触点开关电器到目前为止仍然是不可替代的并且是至关重要的。实际运行和事故统计数据表明，机械故障占高压断路器整体故障的绝大部分，因此加强断路器机械特性的监测显得十分必要。本文针对高压断路器的机械特性开展了在线监测与故障诊断的研究。

关键词：高压断路器；操动机构；机械特性实验

中图分类号：TM75    文献标识码：A

引言

高压断路器是电力系统中最重要的开关设备。高压断路器主要起两方面的作用：一方面，当需要进行电力调度控制时，断路器是改变线路工作状态、投入或切除线路及设备的核心装置；另一方面，当系统发生故障产生巨大的短路电流时，断路器应能够可靠开断，快速切除故障设备及线路，防止短路电流对电力系统其余设备及系统稳定运行造成影响，防止故障造成人身财产事故。高压断路器发生故障会直接造成被保护设备及线路受损，进而造成电网事故。高压断路器在电力系统中数量多，投资大。据统计，在变、配电系统中高压断路器故障导致的非计划停电事故，无论是停电次数和停电时间都占到事故总量的60%以上。因此关于预防高压断路器故障的研究十分重要。

1 断路器机械特性试验

1.1 振动因素

断路器分闸、合闸时，对应的储能弹簧释放大量能量，机械部件快速运动并在限位位置产生冲击，会造成很强的振动。断路器机械结构复杂，一次分闸或合闸动作中采集到的信号可能包含了多种机构引发的振动，其中包含了丰富的信息，可以用来进行断路器的故障诊断。并且断路器不同故障引发的振动都有其固有频率，同一故障产生的振动信号也会在不同频带的能量上有所区别。振动信号易采集、包含信息量大，一直以来都是各种电气设备在线监测与故障诊断研究的重点和热点。

1.2 速度因素

高压真空断路器开断的最根本原理就是动触头与静触头的接触和分离。动静触头接触和分离速度越快越有利于高压电弧的熄灭，动触头动作行程是高压真空断路器最核心的性能指标之一。高压断路器的应用和设计指标对断路器的分合闸速度要求很高。因此，监测动触头的运动行程曲线，可以计算出分、合闸动作的时间和速度等关键信息，是断路器机械特性监测的重要项目之一。

2 试验方法和结果

2.1 断路器动作过程原理

断路器采用一根两层的大储能弹簧，储存合闸所需能量，其他型号的断路器也有采用多根储能弹簧的结构。微动开关与合闸储能弹簧结构相联动：当合闸弹簧已经完成储能，拉伸到一定位置时，微动开关被关联机构按下；当合闸弹簧储能释放，微动开关被松开。微动开关上带有多路开关，并且分为常开开关和常闭开关两种，用于控制不同的二次回路。可以通过采集微动开关位置状态来判定断路器是否储能。当合闸弹簧已经储能，合闸传动结构的掣子被合闸半轴卡住。当断路器需要进行合闸操作时，合闸线圈通电，合闸线圈的铁芯开始直线运动，推动合闸半轴转动，掣子限位被解除，合闸弹簧能量释放。对合闸线圈电流进行分析，可以判断合闸线圈自身是否存在故障、铁芯运动是否存在卡涩，合闸半轴是否正常转动。因此需要采集合闸线圈电信号。合闸弹簧的能量释放主要有两大作用：一是使真空室内的动导电杆运动，使动静触头接触，接通高压回路；二是拉伸分闸弹簧，为分闸储能。该款断路器配备有三根分闸储能弹簧，其体积较小，位置在传动主轴内侧，无法看见。合闸弹簧的能量释放的同时，还会使断路器机械结构产生巨大冲击，造成振动和声响。对振动信号进行分析，也能为状态监测和故障诊断提供依据。

2.2 不同测试方法参数对比

真空断路器机械特性测试仪基本都是利用滑线电阻位移传感器测量行程信号，然后根据所测行程信号计算真空断路器机械特性参数。由于激光位移传感器属于非接触测量方式，且较滑线电阻位移传感器具有分辨率高、灵敏度高、线性度高及温漂低的特点，因此，由激光位移传感器所测行程信号计算得到的真空断路器机械特性参数精度应更高。通过对比滑线电阻和激光位移传感器所测得的真空断路器行程信号以及机械特性参数的测试结果对比分析，可得如下现象：1)与真空断路器主行程相关的机械特性参数，如：分合闸平均速度和刚分(合)速度等，两种测试方法测试得到的真空断路器机械特性参数基本接近。2)两种测试方法重复测试得到的真空断路器分闸反弹幅值存在明显差异，即激光位移传感器所测得的分闸反弹幅值大于滑线电阻位移传感器。分闸反弹幅值是衡量真空断路器性能的一个重要参数，因此，有必要分析导致两种测试结果差异的原因。

2.3 信号的特征提取

完成信号的降噪后还需提取出信号中的包含的特征信息，用于区分不同状态下的信号。采集到的八种信号实际上是两类信号，振动信号是非平稳交变信号，其余信号都是一维时域直流信号。本文决定利用多种信号达成对断路器整体状态的综合判断，后续需要利用特征之间的关联关系，决定对一维时域直流信号提取时域特征。因此对于振动信号也仅采用时域分析，提取时域特征。

2.4 搭建在线监测实验平台

断路器主轴转动速度快、力量强，若套筒的旋转轴心和断路器主轴的旋转轴心不在同一直线上，容易产生窜动损坏角度传感器。采用柔性联轴器而非刚性联轴器可以在一定程度上防止这种情况的发生。断路器的储能和分、合闸动作都能通过手动方式实现。但断路器正常服役时，其内部的操作是通过电控回路来实现的。为了还原断路器正常服役状态，实验也应进行断路器的电控操作。通常便携开关特性测试仪具备该功能。并且断路器的故障诊断研究需要大量的数据进行学习训练，需要断路器多次动作数据。在实验过程中，采集了共500次合闸-分闸-储能循环的数据，也就是1500次动作数据。因此，每次手动控制断路器动作很难实现，开关特性测试仪应当具备编程自动控制的能力。通过断路器的全自动动作，加上上位机程序的全自动采集储存，能较好模拟断路器实际工作状态。实验采用的开关特性测试仪为咸亨国际电气制造有限公司生产的HXDT-450D开关特性测试仪。将测试仪与断路器航空插排的对应针脚连接，设置好对应程序后，实现断路器自动电控分、合闸及储能。

3 结束语

断路器的故障有电气性能缺陷和操动机构机械故障两种。电气绝缘故障中包含真空泡真空度降低、灭弧室及波纹管漏气、投切电容器组重燃、陶瓷管破裂等。操动机构包含机械部分及电气控制回路，操动故障通常有不储能、合闸失败、拒分、误动等多种。据统计，操动机械结构故障占总故障的主要部分。断路器应用最广泛、动作可能性相对较高、其故障大多为机械故障。为了推进断路器的状态检修工作，对其机械特性进行在线监测和故障诊断十分必要。

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