高压断路器操动机构的电气动态特性

介绍了操动机构电气动态特性的专用测试装置,并对测试实例进行了分析。

1 引言

配电磁机构的高压断路器,由于二次直流系统操作电源的问题,以往时常发生断路器关合失败或关合爆炸事故。所以,国标及历次修订的部颁《高压开关检修工艺》及《高压开关反事故技术措施》中,对合闸操作电压值均保留有具体规定,国标规定:“当合闸机构的动力源的电压或压力处于表4 规定的下限时(表4 为85 %～110 %额定电压) ,应能关合其额定短路关合电流。” ,国标规定的下限电压值(习惯称“刚合电压”) ,由于“刚合电压”是合闸动态过程中某一点的瞬时值,没有专用测试装置时较难确定,所以国标至今未对测试方法作出规定[2 ] 。

高压、超高压断路器大多配液压、弹簧、气动等操动机构,这类机构的分合闸脱扣电磁铁,在长期运行中常发生弯曲变形、锈涩或脏污粘滞使电磁铁动作不畅而导致断路器拒动,此类故障每年约占全国开关拒动、误动总事故率的26. 1 % 。而电磁铁铁芯的动作状况, 可以通过铁芯运动与电流特性的关系反映出来,如果能记录分合闸脱扣电磁铁的电流波形,便可掌握铁芯的动作状况,预先发现问题,对这类故障起到预防作用。

2 测试装置

本文所研制的测试装置可记录、打印分、合闸操作电压、电流动态波形;记录打印刚合、最低操作电压及空载操作电压值;输出打印各动态波形及数据;另外,还可记录合闸辅助接点断开与触头刚接触时的时间差值。可为合闸辅助接点断开时刻的调整提供依据。

3 装置的采点密度

高压开关操动机构分、合闸时间较短,如合闸时间一般小于200 ms ,分闸时间一般小于60 ms ,快速开关甚至要小于20 ms。直流脱扣器的电流特性如图1 所示,当铁芯因卡涩等动作不正常时,图1 波形可能出现尖波甚至多个尖波,所以采点密度要考虑不丢失尖波。在这较短的分、合闸时间内,按快速断路器的分闸时间20 ms 计算,假设20 ms 内采点400 个时,则每毫秒应采点20 ,每点采样时间50μs。

按2 ms 记录一个尖波计算, 每个尖波采点40 , 每点采样时间为50μs ,20 ms 可记录10 次尖波,这样完全可以真实地再现电磁铁的动作波形,实际上,电磁铁的动作波形一旦偏离图1 波形时,就应判断为电磁铁动作不正常,记录更多的尖波已经意义不大,所以将装置的采点密度定为20 ms 内采点不少于400。

由于高压开关的种类较多,分、合闸时间的长短差别较大,对于动作时间较长的,打印波形过长,对于动作时间较短的,又会因打印波形太短清晰度较差,为使各种高压开关的动作时间曲线波形按要求的清晰度完整地打印出来,本装置针对不同开关的分、合闸时间设置了不同区段的打印控制。分闸时间的波形打印控制分为30、80ms 和120 ms 三档;合闸时间的波形打印控制分为50、100、200 ms 和400 ms四档。

以上时间区段的划分分别对应快速开关、一般开关和仍在运行的老、旧开关,由于合闸时间一般大于分闸时间,所以合闸时间多设了400 ms 一档,如SN4 - 10 少油开关的合闸时间基本在400 ms 范围内。这样,基本上覆盖了所有开关的分、合闸动作时间。控制方式采用拨码控制方式,即多路开关。

4 实验结果分析

4. 1 分闸动态波形分析

图2 为实测的CD10 Ⅱ型电磁操动机构分闸线圈操作电压、电流的动态特性波形。

由图2 可读出分闸线圈的通电时间,根据分闸线圈的通电时间,一旦断路器分闸出现异常时,可帮助专业人员进行辅助分析,如区分电气回路问题还是电磁铁铁芯动作时的机械问题。从图2 看出,分闸线圈的通电时间约为60 ms ,属正常范围[5 ] 。

在分闸线圈断开时刻,线圈两端都会出现一个反向过电压,但这个反向过电压的幅值已超出装置坐标的最大刻度,估计约为- 350 V。

图2 是小电流电磁铁较为典型的电流波形。当铁芯的速度最大时,电流降到最低。从电流波形看曲线平滑,没有出现锯齿波现象,表明铁芯动作正常。根据以上分析可知,图2 波形是正常波形。

4. 2 合闸动态波形分析

图3 为现场实测的CD10 Ⅱ型电磁操动机构合闸线圈操作电压、电流的动态特性波形。

为便于分析操动机构的特性电压值,图3 同时输出空载合闸操作电压Uhmax = 210. 0 V( t = 0. 25 ms) 、最低合闸操作电压Uhmin = - 350. 3 V( t = 103. 0 ms) 、接触器切断时电压Ucut = 197. 2 V( t = 95. 9 ms) 和“刚合电压”Ucpct = 0. 0 V( t = 97. 7 ms) 。

从图中看,虽然反向过电压已超出最大刻度,但输出打印值仍可精确反映过电压的程度。由于合闸电磁铁带动的机械负荷较大,所以从波形上看,电流上升比较缓慢。

图3 是合闸线圈较为典型的波形,合闸线圈通电时间不足100 ms ,合闸操作电流最大值约为90 A ,查部颁检修工艺 ,合闸线圈直流电压220 V 时应为120 A ,合闸时间≤200 ms。

由于触头接触时,合闸接触器己切断操作电源,所以“刚合电压”为零,但图3 合闸接触器切断时电压Ucut = 197. 2 V( t = 95. 9 ms) ,满足85 %(80 %)额定操作电压的要求,表明操作电源正常;从电流波形看,在波峰过后合闸辅助开关很快切断合闸操作回路,表明合闸辅助接点调整正常,所以,可以判断图3 波形正常,断路器合闸动作正常。

图3 合闸动态波形的意义在于,当刚合速度出现问题时,根据图3 可将断路器本身的问题与操作电源问题区分开。众所周知,造成高压断路器的刚合速度不合格的原因有断路器本身的因素,同时也有操作电源的因素,如操作电源容量不足、蓄电池老化或导线截面小等。当配电磁操动机构的断路器刚合速度不合格时,若图3 接触器切断时电压Ucut低于80 %(85 %) 的额定操作电压时,应首先检查和排除操作电源问题;若图3 Ucut在80 %(85 %) 的额定操作电压以上时,应重点检查断路器本身存在的问题。这样,对准确判断问题所在提供了有力的依据,这不仅可提高检修调试效率,更可避免对断路器的误调整而带来的其它隐患。

本装置在断路器断口间加一对测试线,当动、静触头接触时计算机中断,此时记录的电压值即为“刚合电压”,实际上从合闸线圈通电到合闸接触器断开操作回路, 如果任何一点的电压值不低于80 %(85 %) ,也能表明“刚合电压”不低于80 %(85 %) 。

4. 3 故障波形分析

图4 是在实验室测到的CD10 Ⅰ型电磁操动机构合闸线圈电特性波形图,由于实验室交流电源容量小,加上电源线截面较小,实验断路器勉强能合闸,所以这种波形类似于故障波形。直流操作电源交流整流滤波后获得, 直流操作电压调整通过调压器调整交流侧电压。断路器型号为SN10 - 10 Ⅰ型。

可以看出,由于断路器合不上闸,只得将交流侧电压调到最大, 所以电源空载合闸操作电压Uhmax 为248. 0 V ,但此时“刚合电压”Ucpct也仅为120. 5 V ,远远低于80 %额定合闸操作电压。合闸电流约94 A ,合闸线圈带电时间将近200 ms。查部颁检修工艺,该型断路器合闸时间≤200 ms ,80 %额定操作电压下的刚合速度≥3. 0 m/ s。合闸线圈电流200 V 时为98 A。对该断路器进行测速和测量动作时间的结果为合闸动作时间215. 3 ms ,刚合速度2. 7 m/ s ,均不合格。

应用本装置,可立即判明该断路器刚合速度和动作时间不合格的原因是操作电源所致,应首先处理操作电源问题,无需对断路器进行调整,这就大大提高了检修调试的效率,也防止了对断路器的误调整。

5 结论

(1) 记录分、合闸脱扣电磁铁的电特性动态波形,可分析判断铁芯的运动状况,减少因铁芯卡涩、变形等造成的拒分拒合故障。当配电磁操动机构的断路器的速度特性出现问题时,测量和记录合闸线圈的电压特性,可判明问题所在和保证电磁机构的合闸功。

(2) 在切断分、合闸线圈时,瞬间将在线圈两端产生一个陡度很大的反向过电压,当这个反向过电压幅值过高时,将对线圈的绝缘产生较大的危害,而本装置的应用可直观地反映出过电压的程度,从而对分析分、合闸线圈绝缘击穿或烧毁原因,及制定防止对策提供了有力的分析依据。

参考文献:

[1 ] GB11022 - 89. 高压开关设备通用技术条件[ S] .

[2 ] 王晋根. 断路器分、合闸操作电(气) 压限值范围的规定依据及分析[J ] . 高压开关行业通迅,1993 ,No. 9 :28.

[3 ] 袁大陆,杜彦明. 1989～1997 年全国高压开关设备事故分析

[ R] . 北京:电力科学研究院,1998.

[4 ] 电机工程手册(第24 篇高压开关设备) [M] . 北京:机械工业出版社,1979.

[5 ] 能源部电力司. SN10 - 10 少油断路器检修工艺[M] . 北京:水利电力出版社,1992.

[6 ] 国家电力公司. 高压开关设备反事故技术措施[R]. 1999.