110kv输电线路断路器分闸异常的动态特性试验与分析

0引言

断路器是高压输电系统中的核心保护与控制装置,其可靠分闸动作对隔离故障、保障系统安全具有决定性作用[1]。110 kv等级断路器广泛承担输电线路分段保护任务,运行环境复杂。分闸操作涉及高能量转换与瞬态过程调控,其动态过程异常常表现为燃弧超时、重击穿甚至拒动,隐患重大[2]。传统预防性试验侧重静态参数与工频耐压,对断路器分闸瞬态过程中机械与电气特性的精细演变规律缺乏有效监测手段。断路器动态特性综合反映了操动机构能量传递、机械传动效率及灭弧室介质恢复能力的内在协同状态,其异常是潜在故障的早期表征[3]。因此,开展断路器分闸全过程动态特性试验研究,揭示异常特征及其成因机制,对提升设备状态感知与诊断精度,预防重大事故具有重要意义。本文基于110 kv输电线路断路器分闸异常场景,提出融合机械特性、动态电阻与振动信号的全过程动态试验方法,通过典型案例测试分析异常动态特征,揭示其形成机理,为运行保障提供技术支持。

1 110 kv输电线路断路器分闸异常事故分析

1.1 事故时序过程分析

某110 kv输电线路因风机运输车辆叶片触碰导线引发A相接地故障。故障初始阶段,系统检测到有效值约2A的接地电流,触发零序过流Ⅱ段保护动作,时限定值0.3s,保护装置于316ms发出跳闸指令。断路器49 ms内完成首次分闸操作,短路电流于367 ms消失,表明一次设备初期响应正常。随后重合闸装置按2s时限定值启动,在2390 ms发出合闸命令,断路器经63 ms操作闭合线路,2 463 ms时A相电流重现。故障点因车辆爆胎导致接地电阻骤降,电流于2 913 ms陡增至7 A[4]。此时保护系统虽在2 574 ms即激活零序过流加速保护,理论动作延时0 s,但断路器未执行跳闸;直至2 774 ms零序过流Ⅱ段保护再次动作,3936 ms距离Ⅱ段动作等多重保护相继触发后,断路器最终在4353 ms完成分闸。关键异常体现在后加速保护阶段: 自零序过流加速保护发出指令至TWJ跳位信号置位间隔达1 779 ms,超出继电保护整定时间1.8 s。

1.2 现场检测与异常定位

现场检查锁定断路器本体为异常根源。保护装置(长园深瑞PRS—723—D)与故障录波器记录显示:分闸线圈首次励磁时间与TWJ动作反馈时间符合40ms分闸时限要求;重合闸过程合闸线圈励磁与HWJ合位反馈均处于72ms合闸时限内。智能终端(长园深瑞PRS—7389)报文进一步验证二次系统正常:跳闸命令(15 707 ms)发出后9 ms即收到控制回路断线信号,证实分闸回路导通状态实时更新。然而断路器常闭辅助接点状态变化严重滞后—开入10直至17491ms才反馈至智能终端,与跳闸命令间隔1784 ms。该时间差与故障录波记录的TWJ延迟高度吻合。结合断路器机构特性试验数据:后加速阶段分闸操作实际耗时39.5 ms,但机械联锁系统致使辅助接点变位延迟1.8s,证明故障核心在于断路器操动机构的位置检测模块卡滞或传动连杆磨损,导致状态反馈信号无法实时传递[5]。

2分闸异常的动态特性试验分析

对该110 KV变电站一例分闸操作异常断路器(持续运行)开展现场动态测试。

2.1 试验方法

针对分闸异常断路器,采用多物理量同步测试方法揭示动态特性劣化机制。机械特性测试配置MTI-2100型直线位移传感器(分辨率0.08mm)与keysightSL1040高速采集系统(采样率10240Hz),直接测量动触头位移函数s(t),通过数值微分获得速度与加速度:

v(t)=ds/dt (1)

a(t)=d2s/d2t (2)

式中:v(t)为在时刻t的速度(mm/s),即单位时间内位移变化率;a(t)为在时刻t的加速度(mm/s2),即速度的变化率,也就是位移对时间的二阶导数;ds为位移的微小变化量,即在极短时间内动触头位移变化的增量;dt为时间的微小变化量,对应的是采样间隔。

重点监测分闸时间、最大速度位置及缓冲阶段动能衰减率。振动特性测试在操动机构液压缓冲缸体及传动连杆处布设PCB352C33高频加速度传感器,频响范围0.5 Hz~15 KHz,采样率25 600 Hz,捕捉机械冲击频谱特征[5]。电气动态特性采用TeKtronix TCP0030电流探头(带宽120 MHz)与ISO124隔离电压探头(共模抑制比140dB)同步采集主回路电流I(t)及断口电压uarc(t),在此基础上,按照公式(3)计算动态电阻曲线:

式中:Rdyn(t)为动态电阻(Ω);uarc(t)为电弧电压(V),即断口电压;I(t)为主回路电流(A),即通过断口的电流;t为时间(s)。

采样率设置为51.2KHz,精确标定触头分离点(Rdyn>200 mΩ)、燃弧起始点(Rdyn首次剧烈波动)及电弧熄灭点(Rdyn归零)。所有信号以分闸线圈电流上升沿为时间零点,采用PXIe-6672定时模块实现通道间同步偏差≤2 μs。试验在额定操作电压下进行三次有效分闸操作,剔除操作分散性影响。断路器分闸动态特性测试技术参数如表1所示。

2.2 试验过程

试验严格遵循高压设备测试安全规程,断路器处于额定SF6气压(0.62MPa)及标准操作电压(DC220V)状态。首次分闸操作前预动作两次消除机构静摩擦力影响。正式试验启动后,分闸命令触发瞬间,t=0ms,位移传感器记录显示相关数据,动触头位移-时间曲线如图1所示。

如图1可知,位移曲线前段缓升,4.2 ms后加速增长,78 ms达全行程85%,存在启动力延迟与末段运动不足,表明机构释放受阻,影响断路器分断性能。

动触头加速度-时间曲线如图2所示,初期加速度峰值达158mm/s2,正常值171 ×(1±5%)mm/s²,表明机构储能释放存在轻微阻滞[6]。正常样本在此位置因缓冲器介入使加速度陡降至-350 mm/s²,而异常样本仅衰减至-210 mm/s²,导致动触头以5.3 m/s速度(超标值上限12%)撞击限位装置。

振动传感器在82 ms时刻捕捉到主频2.5 KHz、幅值98g的冲击信号,正常样本为35g/3.2 KHz,频域分析显示8.2 KHz高频分量能量占比达27%(正常值≤8%)。

如图3所示,动态电阻测试同步显示:电气分离点滞后至18.6 ms[正常窗口(15.3±0.8)ms],燃弧起始点延后至20.1ms,初始动态电阻上升速率降至63mΩ/ms(正常值142 mΩ/ms)。三次重复试验中机械过冲现象重复出现,末速度偏差≤0.2 m/s,证实异常具有稳定性。

2.3 试验结果

2.3.1机械动态劣化

如图4实验结果显示,缓冲阶段动能耗散效率明显下降,行程90%~100%区间的平均加速度绝对值仅为210 m/s2,相较正常值350 m/s2下降40%。动触头末速度在三次重复试验中均超出设计上限(4.8 m/s),测得值为(5.3±0.2)m/s,表明缓冲系统制动能力不足。

振动信号时频分析表明,缓冲器撞击能量在2~4 KHz频带衰减35%,而如图5所示,在7~9KHz频带出现异常共振峰,中心频率8.2 KHz能量密度较基准升高2.3倍,提示缓冲器活塞杆存在径向松动或液压油乳化导致的阻尼失效[7]。

2.3.2 电气动态异常

主要目的是评估断路器分断过程中电气性能的稳定性与可靠性。其中,如图6所示,触头电气分离时刻滞后3.3 ms,动态电阻曲线在18.6~20.1 ms区间呈现平缓上升特征,斜率63 mΩ/ms,而正常样本陡升阶段斜率达142 mΩ/ms,该差异说明,在接触电阻快速变化的关键阶段,当前样本的电弧拉伸速度较慢,可能反映出触头材料磨损、机构动作滞后或灭弧系统响应不足等问题,需进一步评估其对分断性能一致性的影响。

燃弧过程监测显示(图7),初始电弧电压异常值24.7 kv,正常值22.9 kv,电弧持续时间为11.8 ms,正常值9.5 ms,电流过零后介质恢复强度在3ms时刻仅为19.8 kv/ms,正常值26.4 kv/ms。

2.3.3机电耦合故障

时序关联分析证实机械过冲,峰值时刻82 ms与动态电阻异常(20.1 ms电弧失稳)存在强相关性[8]。当缓冲失效导致末速度超过5.1 m/s临界值时,触头分离瞬间横向偏移量达0.75 mm,引发电弧根部分裂与喷口热负荷不均,最终使介质恢复强度下降25%。试验结论指向液压缓冲器性能劣化为根本诱因,需重点检修活塞密封与节流阀组件。

3 结论与建议

本研究建立了110 kv断路器分闸全过程动态特性综合测试与分析方法,成功应用于现场异常案例诊断。融合机械运动、动态电阻与振动监测的动态特性试验,可多维度、高分辨率揭示分闸异常的具体表现形式及内在关联性。试验表明,所述案例异常根源在于机械缓冲系统性能劣化导致的动触头末端过冲现象,进而引发触头分离时序延后与燃弧过程异常,动态电阻测试(DRM)是捕捉此类电气分离时刻异常的关键手段;动态特性异常直接反映断路器内部状态劣化,对故障预判具有显著价值;机械传动效率下降及开断动态劣化是其核心风险表征。

建议在设备状态监测和定期检修中加强以下内容:1)在计划性检修项 目中纳入缓冲器性能专项测试与评估;2)推广分闸行程—速度曲线及动态电阻测试,构建设备历史状态基线数据库,重点监控分闸末期速度变化趋势及触头分离点稳定性;3)对开断性能要求苛刻位置的断路器,探索基于振动信号高频分量分析的机构状态快速诊断方法。

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《机电信息》2025年第19期第18篇