斷路器故障分析

彭曼 盛健 張英豪 銀星茜

摘 要：斷路器作為高壓開關設備的核心部件，起著極其重要的作用，但現有斷路器種類較多，開斷原理有較大區別，因此本文對2種常用的機械斷路器進行原理分析，并對斷路器易出現的故障進行分析，并給出了基于分合閘線圈的斷路器監測方案。

關鍵詞：斷路器；高壓開關設備；故障分析；分合閘線圈

中圖分類號：TM561.3 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）21-0066-02

斷路器是指能夠關合、承載和開斷正常回路條件下的電流并能在規定的時間內承載和開斷異常回路條件下的電流的開關裝置。如果斷路器出現故障，例如拒分、拒合、開斷失敗時可能會產生巨大危害，嚴重時會導致斷路器燒毀爆炸，嚴重威脅用電的安全性和可靠性，因此對不同類型的斷路器進行故障分析有著積極重要的意義。

1 斷路器分析類型

本文主要針對交流的真空斷路器和SF6斷路器進行分析。

1.1 真空斷路器

絕緣原理：利用高真空下（平均真空度≤1.33×10-3Pa），電子在電場下能獲得足夠的能量，可保證在碰撞分子時碰撞出電子，但由于高真空下分子較少，碰撞的平均有效行程大于真空泡長度，因此有較強的絕緣性能。

滅弧原理：通過特殊設計的導電回路產生磁場，讓電弧在磁場中快速旋轉，避免集中在一點燒蝕，提高冷卻效果，在電流過零點即開距能耐受恢復電壓時表示開斷成功。

1.2 SF6斷路器

絕緣原理：利用高密度下，電子無法獲得足夠動能碰撞分子產生新的電子，平均碰撞行程較短，同時SF6具有較強的負電性，容易俘獲電子，所以有較強的絕緣性能。

滅弧原理：利用內部開斷過程中的壓氣結構，在開斷過程中產生高壓氣體冷卻電弧，同時SF6負電性及高溫下的較好的冷卻特性，以及在電流過零點后絕緣恢復強度高的特性，達到較好的滅弧特性。

2 斷路器主要故障

斷路器主要故障有：絕緣故障、拒動、誤動、關合開斷故障、載流故障、外力和其他故障六大類。

2.1 絕緣故障

斷路器內部出現斷口間、導電回路對地放電現象，通過采集主回路電壓信號即可判斷，表征為電壓的跌落。

在故障預判分析上，采用檢測局放值進行預判。

2.2 拒動

在給斷路器線圈信號時，出現了斷路器無法分、合閘現象，通過監測分、合閘線圈信號及采集的電流信號進行判斷，表征為電流信號未發生變化。

在故障預判上，比對分合閘線圈電流信號與出廠值采集數據，如果偏差超出5%時應檢查線圈是否有卡滯等現象；監測機構的壓力信號和打壓信號，頻繁打壓會導致壓力閉鎖進而出現拒動現象。

2.3 誤動

在未給分合閘線圈信號時，出現了斷路器分、合閘現象，通過監測分、合閘線圈信號及采集的電流信號進行判斷，表征為電流信號發生變化。

在故障預判上，監測分、合閘線圈平時過程中是否出現明顯的電流信號。

2.4 關合開斷故障

斷路器在分合閘過程中出現的無法開斷或合不上閘的現象，這可以通過監測平時操作過程中分合閘時間是否在產品出廠給出的范圍值內。

2.5 載流故障

主要表現為觸頭過熱導致的熔毀事故，僅能通過溫度監測，因為壓降過小，很難通過電壓信號進行判斷。只能通過紅外檢測罐體溫度進行判斷。

2.6 外力和其他故障

主要表征為機構的泄漏故障及相應機構的損壞，可通過監測分合閘時間的偏差進行判斷。

3 主回路電壓電流信號的故障監測分析

對于整個斷路器而言分為三種主要故障，其中滅弧室和導電回路占11%，輔助和控制回路占19%，機械問題占70%。

由于無機械傳感器裝置，在通過線圈及主回路信號進行監測的條件下，分別對這兩部分進行分析。

3.1 分合閘線圈信號分析

對以上各種斷路器原理分析，斷路器分合操作基本通過分合閘線圈實現控制（除400V斷路器），所對分合閘線圈信號監測有著重要的意義，輔助回路和控制回路大部分狀況可通過線圈電流進行監測。圖1（a）是一個典型的分閘機械特性圖。

根據圖1（b）分閘線圈電流波形圖可知，整個分閘過程中，線圈鐵心的運動分為5個階段，以下分別對這5個階段進行分析。

3.1.1 階段t0-t1

階段t0-t1，線圈在t0時刻帶電，在t1時刻鐵芯開始運動，t0-t1階段鐵心靜止不動，主要該時刻線圈對鐵芯的吸力小于鐵芯的啟動力，所以電流一直在增長。通過該階段電流監測可得出以下結論：

t0-t1與控制電源及線圈電阻有關，如果控制電源無問題，則線圈存在受潮、溫度過高等影響；

給出分閘信號到t0時刻的時間為分閘時延，如果該時間顯著增加，則控制回路存在虛接等問題；

如果一直未有明顯的電流信號，則控制回路短路或開路。

可通過標定t0到剛分點時間差，作為后續剛分點位置的計算。

3.1.2 階段t1-t2

階段t1-t2，鐵芯運動，電流下降，到t2時刻時，鐵芯與操作機構機械負載接觸而顯著減速或停止運動，通過該階段電流監測可得出以下結論：

在t1-t2時間內電流降低數值較比較值明顯偏小，證明鐵芯存在卡滯。

3.1.3 階段t2-t3

階段t2-t3，鐵芯與機械負載接觸而顯著減速或停止運動，電流上升，逐步帶動鐵芯運動，通過該階段電流監測可得出以下結論：

如果鐵芯電流交上升速度較增長明顯增快，證明存在機械負載卡滯；

如果該階段電流持續降低，證明機械負載處于非正常位置，導致鐵芯與機械負載無法接觸。