高壓斷路器機械特性試驗數(shù)據(jù)及誤區(qū)分析

余云光，岳倩倩，余煒，何磊

（云南電網(wǎng)有限責任公司紅河供電局，云南 蒙自 661100）

0 前言

高壓斷路器是電力系統(tǒng)的重要設備，它可以根據(jù)電力系統(tǒng)運行及檢修需要，將線路或其他設備投入或退出運行。此外，在電力系統(tǒng)設備發(fā)生故障時，與保護自動裝置配合，將故障設備從系統(tǒng)中切除。因此，高壓斷路器除應能承載并切除負載電流，還需具備切除故障電流的能力。為保證安全可靠運行，高壓斷路器除必須滿足的絕緣及其他電氣性能外，其機械性能也同樣重要。有關文獻表明，導致高壓斷路器無法運行的嚴重故障中，由機械或控制回路導致的故障占83%[1-2]。在斷路器停電預防性試驗中，主要進行斷路器的機械特性試驗，如分合閘動作電壓測試、分合閘時間參量測試、分合閘速度測試等[3]。以南網(wǎng)為例，Q/CSG 1206007-2017標準頒布后，要求每六年進行一次速度特性測試，可見高壓斷路器機械特性的重要性。然而在實際生產(chǎn)中，試驗人員在斷路器機械特性試驗數(shù)據(jù)分析處理上存在很多誤區(qū)，使試驗的有效性大打折扣，甚至對檢修人員發(fā)出錯誤的檢修指導，使設備隱患被掩蓋，最終導致事故的發(fā)生。鑒于此，筆者就斷路器分合閘動作電壓、分合閘時間參量及分合閘速度分別展開論述。

1 分合閘動作電壓

對于合閘動作電壓，最基本的要求是在某一規(guī)定的最低操作電壓下保證可靠動作。Q/CSG 1206007-2017標準的一般要求是合閘最低動作電壓不大于80%額定操作電壓。如果超過該電壓，可能導致斷路器正常合閘操作或故障重合閘不成功，甚至造成合閘線圈燒毀?，F(xiàn)場實測經(jīng)驗表明，一般斷路器最低合閘電壓在50%額定操作電壓左右。

對于分閘動作電壓，最基本的要求是在某一規(guī)定操作電壓下可靠不動作，且在某一規(guī)定最低操作電壓下可靠動作。Q/CSG 1206007-2017標準的一般要求是在30%額定操作電壓下可靠不動作，在65%額定操作電壓下應可靠動作。當分閘動作電壓小于30%額定操作電壓時，可能會造成斷路器誤動作。當分閘動作電壓大于65%額定操作電壓時，斷路器存在拒動的風險，使故障范圍擴大。

實際運行經(jīng)驗表明，很多斷路器在預防性試驗合格后不久發(fā)生分合閘故障。其原因是斷路器分合閘線圈性能的改變是一個緩慢的過程。試驗診斷的誤區(qū)是，因相關技術標準未對此作出有效約束，試驗人員在測試時只關注動作電壓是否在規(guī)程合格范圍內(nèi)，而忽視動作電壓的變化，未能及時發(fā)現(xiàn)設備隱患。

2 分合閘時間參量

2.1 合閘時間

合閘時間是指從合閘電磁鐵通電到斷路器觸頭接通的時間。合閘時間T可分成兩部分，第一部分是合閘電磁鐵通電到合閘掣子脫扣的時間T1，第二部分是合閘掣子脫扣到斷路器觸頭接通的時間T2。以合閘電磁鐵通電瞬間為時刻0，合閘掣子脫扣瞬間為時刻t1，則合閘時間組成示意圖可用圖1表示[4]。

圖1中，T1取決于合閘電磁鐵的性能，主要包括線圈的電磁性能及鐵芯與合閘掣子的配合度；T2主要取決于儲能彈簧或其他儲能原件的性能及機構的性能。

圖1 斷路器合閘時間

2.2 分閘時間

分閘時間是指從分閘電磁鐵通電到斷路器觸頭分開的時間。分閘時間T同樣包含兩部分，第一部分是分閘電磁鐵通電到分閘掣子脫扣的時間T1，第二部分是分閘掣子脫扣到斷路器觸頭分開的時間T2。以分閘電磁鐵通電瞬間為時刻0，以分閘掣子脫扣瞬間為時刻t1，則分閘時間組成示意圖可用圖2表示[3]。

圖2 斷路器分閘時間

圖2中，T1取決于分閘電磁鐵的性能，主要包括線圈的電磁性能及鐵芯與分閘掣子的配合度；T2主要取決于分閘彈簧或其他儲能原件的性能及機構的性能。

2.3 規(guī)程要求

規(guī)程及廠家技術標準均未對T1、T2作出具體要求，只對T1、T2之和T作出相關規(guī)定，Q/CSG 1206007-2017標準對分合閘時間T的規(guī)定如下：

1）分合閘時間應符合制造廠規(guī)定[2]；

2）除制造廠另有規(guī)定外，相間合閘不同期不大于5 ms，相間分閘不同期不大于3 ms[2]。

2.4 診斷誤區(qū)

無論分閘還是合閘，分合閘時間T均由兩部分組成。因此，當時間參量T超出廠家規(guī)定值或三相不同期超過規(guī)程要求時，可能的原因有三種：

1）分合閘電磁鐵性能改變，造成T1發(fā)生變化；

2）儲能彈簧、分閘彈簧或其他儲能原件性能改變，造成T2發(fā)生變化；

3）兩種因素的綜合作用，使T1、T2均發(fā)生變化。當分合閘時間T不合格時，應進一步分析原因，才能對癥檢修。而在實際檢修工作中，檢修人員通常只對分合閘電磁鐵進行調整，使分合閘時間參量測試數(shù)據(jù)滿足規(guī)程及廠家要求。只關注試驗數(shù)據(jù)的最終結果，而不重視數(shù)據(jù)異常的原因分析，這是一個很大的誤區(qū)。

當分合閘時間參量不合格是由儲能彈簧、分閘彈簧或其他儲能原件性能改變造成時，通過調整分合閘電磁鐵而使試驗數(shù)據(jù)合格，不但無法消除缺陷，還將設備隱患掩蓋起來，最終導致不良后果。

正確的處理方法是，當分合閘時間T不合格時，應根據(jù)速度測試結果，對數(shù)據(jù)進行綜合分析，找出數(shù)據(jù)異常的原因，根據(jù)具體原因進行針對性調整。

3 分合閘速度

3.1 測試意義

斷路器分合閘時，觸頭運動速度是斷路器的重要特性參數(shù)，最重要的是剛分、剛合速度，直接影響斷路器的工作性能[5]。合閘速度不足會引起觸頭合閘顫動，使觸頭預擊穿時間過長，甚至合閘不到位，造成嚴重后果；分閘速度不足，會使電弧燃燒時間過長，導致滅弧室壓力增大，輕則燒壞觸頭，重則斷路器爆炸[6]。

3.2 測試方法

斷路器速度測試的方法主要有旋轉傳感器法、直線傳感器法以及加速度傳感器法，其中加速度傳感器測試數(shù)據(jù)的準確性還有待研究。旋轉傳感器法和直線傳感器法本質上是一樣的，在斷路器機械特性測試儀中輸入斷路器的行程參數(shù)，傳感器的輸出電壓與斷路器行程自動匹配，并以電信號的形式繪制出行程曲線[7]。因為分合閘速度測量原理相同，以合閘行程曲線為例進行分析，如圖3。其中坐標橫軸為時間軸，縱軸為斷路器行程，t1為合閘掣子脫扣時刻。

斷路器在合閘過程中，速度不是恒定不變的，各時刻的瞬時速度vt是該時刻行程曲線的導數(shù)，即

在工程應用時，測試各時刻的瞬時速度實際意義不大。一般對合閘而言，剛合速度是最重要指標參數(shù)[8]。一般定義動靜觸頭接觸前10毫秒的平均速度為剛合速度。

圖3 斷路器合閘行程曲線

3.3 診斷誤區(qū)

Q/CSG 1206007-2017標準對斷路器速度測試的要求是測量方法和測量結果符合制造廠規(guī)定。不同廠家不同型號斷路器分合閘速度標準不一，分合閘速度通常為一范圍值。以220 kV某型號斷路器為例，其合閘速度標準為3.6±0.6 m/s，分閘速度標準為8.0±0.5 m/s。試驗人員在進行現(xiàn)場速度測試時，只要測試數(shù)據(jù)滿足廠家標準范圍，就會簡單地判斷該斷路器速度特性合格。根據(jù)上述分析，這顯然是不足的。由圖3合閘行程曲線可知，合閘速度數(shù)據(jù)合格，只能說明行程曲線在剛合前的平均斜率符合要求，合閘速度滿足斷路器的電氣性能指標。當行程曲線出現(xiàn)整體水平位移時，斷路器剛合速度并不會改變，但斷路器必然存在機械缺陷。

4 速度測試案例

2018年，在本局某220 kV變電站220 kV斷路器間隔預防性試驗中，試驗人員在測試中發(fā)現(xiàn)斷路器時間參量不合格，但速度測試數(shù)據(jù)符合廠家標準。該斷路器為三相獨立機構，主要技術參數(shù)見表1，合閘時間及速度測試數(shù)據(jù)見表2。

表1 斷路器主要技術參數(shù)

表2 合閘時間及速度測試數(shù)據(jù)

從表2測試數(shù)據(jù)可以看出，C相合閘時間參量及三相同期性均超標，但合閘速度測試數(shù)據(jù)滿足廠家技術標準。C相合閘時間參量不合格的因素，本文已經(jīng)闡明。根據(jù)上文所述，合閘速度合格而時間不合格，可以判斷造成C相時間參量超標的原因為合閘電磁鐵，從而對C相合閘電磁鐵進行調整，這是很多檢修試驗人員容易步入的誤區(qū)。下面對合閘行程曲線作進一步分析，圖4為該斷路器三相合閘速度測試行程曲線。

圖4 三相合閘速度測試行程曲線

表3 合閘時間及速度復測數(shù)據(jù)

根據(jù)圖4三相合閘速度測試行程曲線，分析得出以下三點結論：

1）A、B、C三相行程曲線起始時刻相同，即合閘電磁鐵脫扣時間相同，可以排除合閘電磁鐵缺陷造成C相合閘時間參量超標；

2）A、B兩相行程曲線基本重合，C相行程曲線在40 mm之前上升幅度較小，之后上升幅度與A、B兩相基本相同，特別是行程末端曲線斜率基本相同，即剛合速度相同，這與測試數(shù)據(jù)相吻合；

3）C相行程曲線在時間軸上被拉長，主要原因是斷路器C相在合閘行程前40 mm速度比A、B兩相慢得多，因此造成C相合閘時間參量超標的原因是機械卡澀或儲能彈簧異常。

根據(jù)以上分析，檢查人員對C相機構進行潤滑等相關處理，并對儲能彈簧壓縮量進行逐步調整，直到C相合閘時間參量滿足要求。調整完成后的時間參量及速度復測數(shù)據(jù)見表3。

再對機構調整后三相合閘速度測試行程曲線進行比較，如圖5。

圖5 機構調整后合閘速度測試行程曲線

從圖5可以看出，C相機構調整前行程曲線40 mm之前上升幅較小的情況得到顯著改善，且A、B、C三相合閘行程曲線基本重合。至此，可以確定本臺斷路器機構缺陷成功消除。

5 結束語

1）斷路器分合閘動作電壓試驗比較簡單，數(shù)據(jù)判斷依據(jù)也不復雜，試驗人員僅根據(jù)試驗數(shù)據(jù)是否在規(guī)程要求范圍作出試驗結論，而缺乏對試驗數(shù)據(jù)的變化量的分析，使很多設備隱患不能及時發(fā)現(xiàn)；

2）斷路器分合閘時間參量及速度測試數(shù)據(jù)之間存在很多內(nèi)在的關聯(lián)，不能進行孤立分析。當其中一項試驗數(shù)據(jù)不合格時，應同時分析另一項的試驗數(shù)據(jù)，方能找到缺陷的真正原因；

3）對斷路器分合閘速度試驗數(shù)據(jù)的判斷，不僅要看分合閘速度是否滿足廠家技術要求，還應關注分合閘行程曲線的變化。否則容易對斷路器的異常數(shù)據(jù)作出錯誤的判斷，甚至將潛在的設備隱患掩蓋。