基于二次側電流信號的中高壓斷路器機械特性狀態評估方法研究

梁錢勝

(大亞灣核電運營管理有限責任公司設備管理部,廣東深圳 518124)

斷路器是電力系統中極為重要的電力設備,在系統正常運行時完成系統的開關操作,控制電力設備或線路的投切運行,實現負荷調配或設備的調整;當系統中某處發生故障時,斷路器能迅速隔離故障設備以保護系統非故障線路的正常運行,防止故障在系統內的進一步發展或擴大[1]。因此保證斷路器的運行可靠性對于電力系統是至關重要的。本文提出了一種基于斷路器分合閘線圈電流的斷路器狀態評估方法。斷路器二次側回路的電流信號,驅動一次側觸頭的運動。故通過分析斷路器二次側電流信號,可以有效評估斷路器運動狀態。試驗結果表明,該方法可以有效評估斷路器性能狀態,提高斷路器性能可靠性,確保斷路器安全穩定運行。

1 技術原理

斷路器一般由觸頭、滅弧系統、操作機構、傳動機構、脫扣器、外殼等構成。二次回路電流信號帶動電磁線圈的鐵芯運動,進而完成脫扣器脫扣,傳動機構在儲能裝置的帶動下,帶動動觸頭運動,完成分合閘工作。即通過電流信號,驅動操作機構的電磁鐵運動,帶動傳動回路的機構運動,最終使動觸頭運動,從而完成斷路器分合閘操作。

1.1 標準波形

所謂波形分析就是利用斷路器設備分/合閘控制回路的波形特征或統計特性建立控制回路波形的標準參考模式庫,通過控制回路波形檢測結果和模式庫的對比,就可進行缺陷類型識別。

如圖1,其中曲線①為斷路器觸頭斷口曲線,實線代表斷路器處于合閘狀態;曲線②為斷路器分閘回路電流波形,其含義如下:

圖1 斷路器設備分/合閘控制回路電流波形Fig.1 Current waveform of circuit breaker equipment opening/closing control loop

t0～t1:鐵芯頂桿克服阻力開始運動。分/合閘回路導通,分/合閘線圈中的電流從零開始以指數形式增加,增加到一定值時,電磁吸力大到足以克服復位彈簧彈力和鐵芯自身重力之和,鐵芯開始運動。

t1～t2:鐵芯頂桿碰觸到彎板。鐵芯克服復位彈簧彈力開始運動,速度逐漸增加,電磁鐵氣隙逐漸減小,電流出現局部降低,直到鐵芯頂桿碰觸到彎板。值得注意的是,由于現在斷路器鐵芯頂桿行程普遍較短,克服復位彈簧彈力較小,在現場實測中t2點往往不明顯。

t2～t3:鐵芯頂桿推動脫扣半軸,斷路器脫扣,鐵芯頂桿運動到最大行程。鐵芯頂桿碰觸到彎板,受到彈簧彈力及脫扣半軸的反作用力,鐵芯的運動速度降低,電流出現局部的增加。鐵芯推動脫扣半軸轉動后,繼續向下運動,由于脫扣半軸的阻力減小,鐵芯運動速度的增加,電流出現局部的減小。鐵芯運動到t3時刻,鐵芯達到了最大行程并保持在此位置。此時的電感為另一常數,電流按指數規律上升到穩態值,穩態值由電源電壓和線圈內阻決定,穩態值的大小可以反映斷路器二次回路電源狀態。

t3～t4:斷路器設備主觸頭分/合閘完成。T4的具體值需通過停電測試。

t5:斷路器設備輔助接點斷開,切斷分/合閘控制回路。分合閘過程的回路電流變化過程可以用公式U=iR+L(t)*di/dt表示。由于回路兩側的電壓恒定,式中電流i隨著感應系數L的變化而變化,而L隨著鐵芯的運動處于變化中,直至最終的穩態,此時感應電動勢消失,回路中只剩下電阻存在壓降。

1.2 缺陷判據

判據可從斷路器設備分/合閘控制回路電流波形圖進行判斷,由于不同廠家生產的斷路器設備差異性導致不同廠家的斷路器設備的分/合閘控制回路電流波形圖也存在差異,因此,做對比判斷時建議在同溫同壓、同樣的控制回路電壓下,將所得到的斷路器設備分/合閘控制回路電流波形與該設備的出廠數據或歷史數據做對比[2]。

t1～t2時間大于參考值時,說明斷路器設備分/合閘啟動部件存在線圈老化、卡澀等缺陷。

t2～t5時間大于參考值時,說明斷路器設備分/合閘主執行機構彈簧疲勞、機構卡澀、傳動部件潤滑不夠等缺陷。

電流峰值大于參考值時,說明斷路器設備分/合閘控制回路線圈存在匝間擊穿。斷路器設備分/合閘控制回路電流為零說明斷路器設備分/合閘控制回路開路。斷路器設備分/合閘控制回路電流大于參考值且不變說明斷路器設備分/合閘控制回路短路。利用在不同操作電壓下或同一操作電壓下進行的多次測量操作,采用交叉驗證的方式確認缺陷的存在及其產生原因。

2 典型缺陷波形,下面詳細介紹幾種典型缺陷的電流波形

2.1 鐵芯卡澀

按照卡澀出現的不同位置大致可以分為兩類,一類是電磁鐵鐵芯卡澀,另外一類是脫扣器卡澀。機構卡澀時,反映在電流波形上為波形出現“凹坑”甚至“毛刺”。如圖2,如果出現在t0～t1段中,則一般為電磁鐵鐵芯存在卡澀,如果出現t2～t3段中,則一般表示脫扣器存在卡澀。

圖2 電磁鐵鐵芯卡澀波形Fig.2 Electromagnet core jammed waveform

2.2 斷路器拒動

斷路器拒動是指當控制系統發出斷路器分閘或者合閘指令時,斷路器沒有或者未能成功執行該指令的現象。這種故障對電廠的安全運行的影響非常大。

2.3 三相動作不同期

斷路器的分閘與合閘操作同期性是指斷路器在分閘和合閘操作時,三相分閘和合閘的時間差,以及每相各觸頭分斷和接觸瞬間的時間差。電力系統上對三相同期性有一定的要求,一般要求合閘同期性不大于5ms,分閘同期性不大于3ms。如果合閘不同期,會引起三相電流差異較大,可能引起保護過流跳閘;如果分閘不同期,則高電壓等級空載線路或大容量空載變壓器會引起操作過電壓,可能造成系統設備絕緣損壞。

3 故障診斷試驗和結果分析

本試驗儀器設備具備斷路器分合閘電流、觸頭行程、輔助觸點狀態等檢測能力。

3.1 正常斷路器試驗

本次試驗斷路器共進行了5次分合閘動作,波形全部完整提取。將分閘與合閘曲線分開比對,通過試驗波形的對比,可以看出,斷路器在分合閘動作過程中,其分合閘回路的電流波形曲線趨于一致,且本試驗所用的傳感器和檢測儀器穩定性優良。

3.2 電磁鐵鐵芯未復歸故障試驗

斷路器操作機構運動過程是由線圈產生電磁力作用于鐵芯頂桿,當一次動作結束后,鐵芯會被復位彈簧拉回初始位置,為下次動作做準備。本次故障模擬方式為,斷路器處于合閘狀態,用筆稍微頂住鐵芯頂桿一端,使其稍微偏離初始位置,隨后進行分閘操作。試驗結果見圖3和圖4。

圖3 鐵芯未復歸故障波形圖Fig.3 Waveform diagram of core failure failure

圖4 鐵芯未復歸故障波形對比圖(紅色為故障波形,藍色為正常波形)Fig.4 Comparison diagram of the failure waveform of the iron core without reset (red is the failure waveform, blue is the normal waveform)

從試驗結果看出,故障波形的鐵芯啟動電流較低,輔助開關切斷電流一致,線圈帶電時間,轉換開關動作時間,脫扣完成時間相較都有延長。從理論上分析,鐵芯未復歸故障具體表現為:由于鐵芯未復歸,啟動位置的磁通量增大,導致公式(1)中的自感電動勢L(t)增大,使電流值較正常值偏低,di/dt較小,即鐵芯啟動前的曲線斜率較正常值偏低,導致鐵芯啟動電流偏低;由于鐵芯的運動行程減小,鐵芯碰觸脫扣器的運動動能偏低,導致脫扣時間延長,導致轉換開關動作時間以及線圈帶電時間均延長;由于電阻值不變,故輔助開關切斷電流一致。綜上可知,試驗結果符合故障表現形式。

3.3 保持摯子未與脫扣器連接半軸扣接故障試驗

本次故障模擬方式為,斷路器處于分閘狀態下,按住就地分閘按鈕,導致合閘保持摯子未與脫扣器連接半軸扣接,隨后給斷路器合閘信號,用傳感器監測合閘電流信號。從試驗結果看出,正常與故障的啟動電流一致,開關切斷時兩者電流一致,脫扣、故障時間短于正常時間,脫扣時故障電流小于正常電流,最終故障情況未完成脫扣,導致斷路器拒動。從理論上分析,保持摯子未與脫扣器連接半軸扣接故障具體表現為:由于合閘保持摯子未與脫扣半軸扣接,導致脫扣半軸的運動阻力減小,所以合閘線圈鐵芯撞擊脫扣器完成脫扣的時間縮短,而且脫扣電流降低。由于合閘保持摯子未動作,導致斷路器拒合。綜上可知,試驗結果符合故障表現形式。

4 結論

(1)提出了一種基于二次側電流信號的中高壓斷路器狀態評估方式,介紹斷路器分合閘線圈電流波形分析基本原理。

(2)利用斷路器進行缺陷模式試驗,模擬了電磁鐵線圈氣隙問題和脫扣器機械連接問題,分析對比了理論電流信號與缺陷模擬下的電流信號,確定了該方法的有效性。

(3)此斷路器狀態評估方法可以有效評判斷路器從分合閘線圈帶電到脫扣器完成脫扣整個動作過程中的任何潛在缺陷,檢出能力覆蓋斷路器二次回路和機械特性,并可具體定位缺陷位置。