真空斷路器機械可靠性研究

黃述安 宮小健

摘要：真空斷路器不僅在電力系統中起到了保護與控制的雙重作用，而且因其在性能、環保等方面所持有的優點，所以明確了其在中壓電網領域中的領軍地位。文章結合實際工作經驗，從真空斷路器機械可靠性的特點出發，并就其機械可靠性研究的方法進行了分析與探討。

關鍵詞：真空斷路器；機械可靠性；電力系統

中圖分類號：TM561 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2013）35-0016-02

真空斷路器具有重量輕、體積小、適用于頻繁操作以及滅弧不用檢修等諸多優點，然而這些優點都是建立在其高度的可靠性之上的。根據近年來電力系統中真空斷路器故障統計率的分析，可以得出約有80%以上的故障為機械故障。因此如何有效提升真空斷路器的機械可靠性，并延長其機械壽命已然成為了當前真空斷路器研究領域中的一項重要課題。

1 真空斷路器概述及機械可靠性特點

1.1 真空斷路器概述

伴隨全球化無油開關地位的落實，新時期背景下真空斷路器儼然已經成為了重要性支柱。同時，真空斷路器具有可靠性高、斷流能力強、結構緊湊、維護性低、良好的滅弧性質等多種優勢，目前在我國的中壓（66、35、10、6kV）供配電系統中，真空斷路器的市場占有率已高達95%以上。

以VD4型真空斷路器為例，根據功能特點可主要劃分為導電、滅弧部件，涉及到導體、觸頭系統、真空滅弧室等等；與之相比，開關本體涉及到支撐、傳動的部件以及操作、控制機構。想要實現此斷路器功能，需要借助機械部件之間的合理配合和運用，所以不難看出其功能實現需要借助機械部件的綜合實施。

1.2 真空斷路器機械可靠性特點

隨著當前大量的研究投入到真空斷路器的磁路設計、電弧特性以及觸頭結構材料等方面，使真空斷路器在電氣可靠性水平方面得到了很大的提升，然而其機械可靠性依舊成為導致其良好運行的主要原因之一，并占據一半以上的故障比例。

斷路器機械可靠性特點，一方面主要表現在操動機構的機械可靠性方面，并體現在合閘與分閘的瞬時切換過程當中；另一方面由于真空斷路器作為一種保護類產品，其機械故障類型和失效機理與普通的機械產品有所區別，因此對其機械可靠性研究需要大量的可靠性試驗與數據分析。當前對真空斷路器機械可靠性的研究，主要是通過查找其機械結構中存在的缺陷，例如設計、材料、加工精度、機械強度等，來確保故障診斷與監測方面的研究等方式加以實現。

2 真空斷路器機械可靠性試驗

2.1 研究分析

選擇10kV戶內永磁操動式真空斷路器，作為本次進行實驗的研究對象。永磁操動式真空斷路器的操作主要由一個電氣裝置完成，并可以完成聯鎖、傳送信號、解鎖和自我診斷的功能，且由于它是靠電氣提供控制的，而且要有電源供給，也使得這種斷路器的操作壽命普遍可以達到l00000次。

本試驗中選取了6臺永磁操動式真空斷路器進行機械的壽命試驗，并在室溫環境下操作，初始設計試驗結束時間為50000次機械操作，為了保證實驗的準確性，必須確保4臺以上的真空斷路器（含4臺）有效。一旦在實驗完畢之后，仍未與最初的設計要求相一致，可以在科學合理的范圍內順延整個實驗持續的時間。驅動器能夠提供真空斷路器操作過程中所需要的能源；控制器發出合、分閘命令，確保循環操作設置的有效完成。試驗中要求每一臺真空斷路器的操作回路均應獨立，共使用兩臺控制器，其中每臺控制器分別控制3臺斷路器。

2.2 試驗過程與測試周期

該試驗依據《高壓開關設備常溫下的機械試驗》與《高壓交流斷路器》的技術標準要求，在常溫環境下對6臺真空斷路器的回路電阻值與初始機械特性進行了測量，并進行絕緣測試，試驗在進行過程中，必須保證斷路器的相應機械特性以及回路電阻值均應在相應的技術標準要求范圍以內，對機械特性的測試還應當在主回路空載條件下進行。試驗首先在驅動器上加直流120%Ue（額定電壓Ue=220V），進行1000次合閘與分閘操作；然后依次在110%Ue、Ue、80%Ue、75%Ue條件下進行1000次合閘與分閘操作，研究并分析斷路器出現失效情況。在試驗循環過程中不進行任何調整，但每10000次機械操作對主要機械部件進行潤滑處理。

2.3 故障判定

真空斷路器的故障，主要判斷依據是失效情況。斷路器在工作過程中接到分合閘命令后，需要以規定的機械特性進行分合操作，并能在操作結束后實現可靠性能的保持，試驗結束后仍然能夠達到額定的絕緣水平電壓值。如上述要求沒有滿足時，均可視為真空斷路器出現故障，并判定其失效。

（1）該級別對真空斷路器的功能基本沒有影響，主要表現為工藝瑕疵，例如固定用螺釘的松動等；（2）該級別指真空斷路器的功能影響較為嚴重，主要表現為機械特性超出技術標準范圍，機械性能指標退化；（3）該級別是影響真空斷路器功能實現最為明顯且嚴重的，歸結其主要原因為物理失效。與此同時，表現出斷路器機械性能喪失，例如操動桿卡澀、控制器故障、絕緣失敗等等。

本文試驗對真空斷路器故障的判定主要是（2）、（3），記錄（1）類現象，但是其并不能視為實驗失效的參考依據。

2.4 試驗測試參數

該試驗中對真空斷路器的機械特性測試量主要包括了超程、開距、分閘與合閘的不同期性、合閘的彈跳時間、平均分閘與合閘的速度以及分合閘時間等等。上述機械特性內容一旦涉及實驗，必須借助專業性的機械特性測試儀器加以測量，以此來確保整個實驗操作過程以及結果的可靠性、可行性。

2.5 試驗結果分析

在真空斷路器機械特性的測量試驗中，由于機械特性測試儀器中控制輸出端為220V直流電壓，而驅動器外接的按鈕控制信號，繼電器在使用時其線圈具有激勵回應時間而導致信號在傳遞過程中出現延時。因此對真空繼電器進行時間測試時，還應當將所測得的時間和與之相對應的繼電器的時間相減。

真空斷路器分、合閘時間與斷路器操作次數無明顯變化；分閘速度稍微有所下降，而合閘速度在0.5m/s的附近波動。以上機械特性參數均在技術要求的范圍以內。

3 結語

真空斷路器在我國中壓系統中，已成為了占據主導地位的開關電器，其品種繁多、數量巨大，不僅有力推動了我國開關無油化的進程，同時也促進了電力工業的蓬勃發展。本文從真空斷路器機械可靠性特點出發，并就相關的可靠性研究方法進行了分析與探討，以此希望能對當前真空斷路器的設計、改進以及運行維護等方面提供一定的參考與借鑒。

參考文獻

[1] 吳波，黎明發.機械零件與系統可靠性模型[M].北

京：化學工業出版社，2003.

[2] 徐國政，張節容，等.高壓斷路器原理和應用[M].

北京：清華大學出版社，2002.

[3] 黃述安，王迪森.商洛供電局變電站現場運行規程.

國家電網公司內部資料.

作者簡介：黃述安（1976—），商洛供電局工程師，研究方向：變電維修及安全培訓。